Chạy 350 km/h, tàu cao tốc Velaro Novo được đảm bảo an toàn theo công nghệ nào?
Trước khi một đoàn tàu cao tốc mới chính thức chở hành khách, hàng loạt công nghệ phải được kiểm chứng trong điều kiện vận hành thực tế.
Với tàu cao tốc Velaro Novo, Siemens không chỉ dựa vào mô phỏng trên máy tính mà còn đưa một “xe thử nghiệm đo lường” đặc biệt vào chạy trên đường sắt Đức. Hàng trăm cảm biến được bố trí ở giá chuyển hướng, thân tàu, nóc và khoang hành khách để thu thập dữ liệu về kết cấu, dao động, khí động học, tiếng ồn và nhiều hệ thống khác.
Theo Rene Trosiner, quản lí kỹ thuật của Siemens Mobility từ 2015, mục tiêu cuối cùng là xác định giải pháp nào đủ an toàn, bền vững và đáng tin cậy trước khi được đưa lên đoàn tàu thương mại.
Không chỉ dựa vào mô phỏng để kiểm chứng an toàn tàu cao tốc
Trong quá trình phát triển tàu cao tốc hiện đại, mô phỏng trên máy tính đóng vai trò rất quan trọng. Các kỹ sư có thể dự đoán cách thân tàu biến dạng, dao động, chịu tải hoặc phản ứng trước các điều kiện vận hành khác nhau ngay từ khi phương tiện còn nằm trên bản vẽ. Tuy nhiên, theo Rene Trosiner, mô phỏng không thể cung cấp sự chắc chắn tuyệt đối.
Trosiner là quản lí kĩ thuật tại Siemens Mobility và từ năm 2015 tham gia phát triển nền tảng tàu cao tốc tại bộ phận kĩ thuật ở Krefeld-Uerdingen, Đức. Ông cho biết kinh nghiệm từ các dự án trước đây cho thấy có những kết quả mô phỏng phù hợp với thực tế, nhưng cũng có những thông số chỉ có thể được xác nhận đầy đủ khi một phương tiện thực sự chạy trên đường ray.
Đây là lí do Siemens phát triển Novo test car, một xe thử nghiệm đo lường chuyên dụng dành cho nền tảng tàu cao tốc mới. Khác với một đoàn tàu nguyên mẫu thông thường, chiếc xe này được thiết kế như một phòng thí nghiệm di động. Nó cho phép Siemens kiểm tra những công nghệ mới trên một phương tiện thực tế và thu thập dữ liệu trong điều kiện vận hành thật.
Trọng tâm đầu tiên là đặc tính động lực học của kết cấu – tức cách đoàn tàu phản ứng dưới nhiều trạng thái vận hành khác nhau. Đây là vấn đề đặc biệt quan trọng với tàu cao tốc. Khi vận tốc tăng lên, những dao động nhỏ hoặc những tác động lên kết cấu cũng có thể trở nên đáng kể hơn. Vì vậy, việc xác nhận khả năng chịu tải và độ ổn định của phương tiện không thể chỉ dựa vào tính toán lí thuyết.
Siemens đồng thời kiểm tra độ bền và độ tin cậy của các giải pháp kết cấu nhẹ được sử dụng trên Velaro Novo. Điều này đáng chú ý bởi giảm khối lượng là một trong những hướng phát triển quan trọng của tàu cao tốc hiện đại. Phương tiện nhẹ hơn có thể giúp giảm năng lượng tiêu thụ, nhưng mọi giải pháp giảm khối lượng đều phải đi kèm yêu cầu bảo đảm độ bền và an toàn.
Vì vậy, xe thử nghiệm đóng vai trò như bước kiểm chứng giữa thiết kế lí thuyết và sản phẩm thực tế.
Hàng trăm cảm biến theo dõi đoàn tàu khi chạy thực tế
Để kiểm tra các giải pháp mới, Novo test car được trang bị một hệ thống đo lường quy mô lớn. Theo Trosiner, các kỹ sư lắp hàng trăm cảm biến tại khu vực giá chuyển hướng, các bộ phận gắn quanh giá chuyển hướng, bên trong khoang hành khách và trên nóc tàu.
Thiết bị đo được đặt bên trong xe. Khi đoàn tàu chạy thử, các kĩ thuật viên sử dụng máy tính và thiết bị chuyên dụng để thu thập, phân tích dữ liệu.
Các phép đo không chỉ tập trung vào một hệ thống. Động lực học của phương tiện được kiểm tra cùng với nhiều lĩnh vực khác như khí động học, tiếng ồn, vật liệu sàn, cấu trúc lớp sơn, hệ thống liên lạc tích hợp trên kính cửa sổ và thậm chí cả khu vực nhà vệ sinh.
Thoạt nhìn, một số hạng mục có vẻ không liên quan trực tiếp đến an toàn chạy tàu. Nhưng cách Siemens triển khai cho thấy an toàn của một đoàn tàu cao tốc không phải là một hệ thống đơn lẻ.
Một phương tiện phải hoạt động ổn định trong thời gian dài, trong nhiều điều kiện thời tiết và trên những tuyến đường khác nhau. Vì vậy, các thành phần và hệ thống liên quan tới vận hành đều phải được kiểm chứng về độ bền và độ tin cậy.
Đáng chú ý, Siemens không cố định chiếc xe thử nghiệm ở một cấu hình duy nhất. Trosiner cho biết các kỹ sư chủ động thay đổi một số tham số trong quá trình chạy thử. Điều này cho phép họ so sánh các phương án khác nhau và xác định giải pháp nào có độ tin cậy cao hơn trong những điều kiện cụ thể.
Đây cũng là cơ sở để Siemens hướng tới một nền tảng Velaro Novo có khả năng tùy biến theo yêu cầu của từng khách hàng. Một tuyến đường có thể có đặc điểm hình học khác tuyến khác. Điều kiện vận hành, tốc độ, cấu hình kỹ thuật hay yêu cầu của nhà khai thác cũng không giống nhau.
Do đó, thay vì chỉ tìm một cấu hình duy nhất, Siemens muốn xác định những giải pháp có đủ độ bền và độ tin cậy để có thể áp dụng trong nhiều cấu hình khác nhau.
An toàn được xây dựng từ dữ liệu thực tế và khả năng “học” từ thử nghiệm
Một trong những điểm đáng chú ý nhất trong cách Siemens thử nghiệm Velaro Novo là quan niệm về kết quả thử nghiệm. Theo Trosiner, nếu một lần chạy thử không cho kết quả đúng như dự báo, đó vẫn là một kết quả có giá trị.
Bởi mục tiêu của thử nghiệm không chỉ là chứng minh rằng thiết kế ban đầu đúng, mà còn phải phát hiện những điểm mà mô phỏng chưa dự đoán chính xác. Khi đó, các kỹ sư có thể tìm hiểu nguyên nhân, điều chỉnh thiết kế và tiếp tục thử nghiệm.
Nói cách khác, an toàn không được tạo ra chỉ bằng một phép tính hay một lần thử nghiệm. Nó được hình thành qua chu trình mô phỏng – thử nghiệm thực tế – phân tích dữ liệu – điều chỉnh – thử nghiệm lại.
Đây cũng là lí do Siemens không vận hành Novo test car với một phiên bản duy nhất. Các tham số được thay đổi để nhóm kĩ thuật hiểu rõ hơn giới hạn của từng giải pháp.
Đằng sau quá trình đó là một đội ngũ gồm nhiều nhóm chuyên môn. Trosiner cho biết số người trực tiếp thực hiện các phép đo lên tới hàng chục người. Nhưng ông nhấn mạnh chiếc xe thử nghiệm là sản phẩm của cả tập thể, với sự phối hợp giữa kĩ thuật, sản xuất và các nhóm chuyên môn khác.
Các kỹ sư không chỉ làm việc với phương tiện thực tế mà còn phát triển sản phẩm trong môi trường mô phỏng. Sự kết hợp giữa hai phương pháp giúp Siemens vừa có thể dự đoán hành vi của phương tiện, vừa kiểm chứng những dự đoán đó bằng dữ liệu thực tế. Điều đặc biệt là khách hàng của Siemens cũng có thể hưởng lợi từ lượng dữ liệu này.
Theo Trosiner, kết quả thử nghiệm sẽ giúp Siemens hiểu rõ hơn giải pháp nào có độ tin cậy cao, giải pháp nào phù hợp với từng điều kiện tuyến và cách đáp ứng các yêu cầu khác nhau của nhà khai thác.
Điều đó có nghĩa chiếc xe thử nghiệm không chỉ nhằm chứng minh rằng Velaro Novo có thể chạy được. Nó còn giúp Siemens xác định Velaro Novo nên được cấu hình như thế nào để vận hành an toàn và ổn định trong từng điều kiện cụ thể.
Với Việt Nam, đây là một khía cạnh đáng chú ý khi đánh giá công nghệ tàu cao tốc. Tốc độ 300 hay 350 km/h thường là thông số dễ gây chú ý nhất, nhưng để đạt được tốc độ đó một cách an toàn, nhà sản xuất phải giải quyết đồng thời rất nhiều bài toán như kết cấu, dao động, khí động học, hệ thống kĩ thuật, tiếng ồn, độ bền vật liệu và độ tin cậy của các bộ phận.
Đặc biệt, khi tàu được thiết kế nhẹ hơn và tối ưu khí động học để giảm tiêu thụ năng lượng, các giải pháp này càng cần được kiểm chứng trong điều kiện vận hành thực tế.
Câu chuyện Novo test car cho thấy Siemens không xem mô phỏng và thử nghiệm thực tế là hai phương pháp thay thế nhau. Ngược lại, chúng bổ sung cho nhau: mô phỏng giúp dự đoán, còn chạy thử giúp kiểm chứng dự đoán bằng dữ liệu thực tế.
Và cuối cùng, an toàn của một đoàn tàu cao tốc không nằm ở riêng một công nghệ. Nó là kết quả của cả một quy trình phát triển, trong đó từng giải pháp mới đều phải được kiểm tra, đo lường và đánh giá trước khi trở thành một phần của đoàn tàu chở khách.
Với Velaro Novo, “phòng thí nghiệm” chạy trên đường ray chính là một trong những công cụ quan trọng để Siemens biến những tính toán trên máy tính thành một đoàn tàu có thể vận hành an toàn trong thế giới thực.