1. О создании инновационной среды для продвижения инновационных решений

Статья была написана специально для журнала «Транспорт Российской Федерации», опубликована в 5 номере за 2011 год. Материалы статьи — это ответ тем, кто ищет легкие пути для продвижения своих железнодорожных недопроектов.
Ссылка на оригинал

Обязательным условием экономической эффективности инновационной разработки является формирование для нее дружественной среды. В области железнодорожного транспорта основные составляющие этой среды — организация межведомственной команды проекта, планирование жизненного цикла изделия, выбор компетентных партнеров, организация исследовательской программы, направленной на накопление знаний и создание нормативных документов.

В последнее время слово «инновация» вошло в моду. В области железнодорожного транспорта практически каждую новую разработку стали гордо называть «инновационной», хотя в большинстве случаев такое наименование — обычный рекламный лозунг, используемый с целью привлечь внимание потребителя.

Настоящая инновация в области железнодорожного транспорта подпадает под определение, сформулированное председателем Объединенного ученого совета ОАО «РЖД» Б. М. Лапидусом: «Инновации — это система прорывных улучшений в технике и технологиях, направленных на открытие новых возможностей для роста эффективности железных дорог». Ключевая фраза — «прорывные улучшения» — отражает главное отличие инновационной разработки от просто новой. Инновация — это не всякое новшество, а только такое, которое существенно повышает эффективность действующей транспортной системы [1].

Появление самого железнодорожного транспорта как новой отрасли, не сомненно, было одной из крупнейших инноваций XIX века, повлекшей за собой мощный макроэкономический эффект. Автосцепка, система электрической тяги переменного тока напряжением 25 кВ — это характерные примеры крупнейших инноваций на железных дорогах, кардинально изменивших технологию работы и эффективность перевозочного процесса, давших серьезный импульс развитию функционально взаимосвязанных технологий и целых отраслей промышленности.

Когда мы говорим о современных инновационных продуктах, закономерно возникают ассоциации с такими понятиями, как «технопарк», «венчурный фонд», «Сколково». Эти институты развития создают питательную среду для новорожденной идеи и помогают ей превратиться в реальный коммерческий продукт, способный конкурировать на рынке. Но если для продвижения продуктов массового применения в различных отраслях такой поддержки обычно бывает достаточно, то в сфере транспорта ситуация складывается иначе.

Транспортная система в целом должна сохранять баланс стабильности и обеспечивать безопасность, именно поэтому далеко не все предлагаемые и даже широко востребованные на рынке инновационные продукты получают развитие на железнодорожном транспорте. Железнодорожный транспорт — система технологий, функционально взаимодействующих друг с другом; изменение одной из ее составляющих неизбежно потребует изменений в других. В предложенном определении инноваций данный аспект отражен в ключевом слове «система».

При оценке потенциала применения или при разработке плана внедрения того или иного инновационного решения на железных дорогах следует прогнозировать и планировать необходимые инновационные изменения в поддерживающих процессах, которые, в свою очередь, могут вызвать следующую волну инновационных изменений. В конечном итоге транспортная система должна постепенно преобразоваться в саморазвивающуюся инновационную среду, а это и есть главная цель инновационного развития компании ОАО «РЖД».

Внедрение любой новой техники и особенно инновационной сопровождается решением различных технических проблем, которые неизбежно возникают на начальном этапе эксплуатации. Поэтому крайне важно, чтобы разработчик и эксплуатирующая организация располагали достаточной информацией для поиска эффективных решений этих проблем. Известно, что применение инженерных методов на стадии разработки изделия позволяет локализовать до 90–95% потенциальных проблем, а проведение углубленных испытаний опытного образца увеличивают результат еще на 5–10% . Грамотно организованный процесс разработки и испытаний приводит к практически полному отсутствию технических проблем при эксплуатации изделия. Это позволяет проводить эксплуатационные испытания, как и положено, для оптимизации процессов эксплуатации, обслуживания и ремонта.

К сожалению, стандартный процесс разработки с последовательно меняющимися этапами не всегда применим к инновационной продукции. Зачастую так происходит из-за того, что существует «область незнания» особенностей новых технологий. Требования к таким изделиям либо не определены, либо определены нечетко, либо меняются по ходу разработки. В этих условиях важную роль играет управление рисками, связанными с использованием новых технологий, и рисками возможных ошибок в требованиях. Подобные риски проявляются, как правило, на этапе испытаний или эксплуатации, когда число возможных путей исправления ситуации намного меньше, чем в начале реализации проекта.

Как известно по опыту, многие разработчики подвижного состава, стремясь к минимизации затрат, на этапе разработки недооценивают возможность возникновения проблем в эксплуатации. Мнимая экономия на начальных этапах разработки и на испытаниях в эксплуатации практически всегда оборачивается неизбежными финансовыми потерями и для поставщика, и для оператора. Из теории известно (а многие поставщики уже убедились в этом на практике), что устранение технических недочетов изделия на этапе эксплуатации обходится не в разы, а в десятки и сотни раз дороже. И чем меньше исследовательской информации о работе инновационного изделия накоплено на начальных этапах разработки, тем выше цена допущенной ошибки.

Предложенная новая технология организации и продвижения комплексных проектов, связанных с использованием инновационного подвижного состава, предусматривает углубленное изучение функциональной взаимосвязи подсистем подвижного состава и инфраструктуры и последовательную верификацию проекта на этапах эскизного и технического проектирования, а также испытаний. Прогнозное планирование жизненного цикла подвижного состава и текущие оценки ключевых параметров проекта позволяют своевременно внести изменения в технические требования и при необходимости — в нормативно-технические документы. Все это значительно снижает риски сбоев в эксплуатации, а в тех случаях, когда полностью исключить возникновение проблем не удается, накопленные знания позволяют эффективно и быстро найти решение.

Действующие стандарты, нормы, правила и эксплуатационные документы зачастую непригодны для инновационных проектов, иначе они не назывались бы инновационными. Таким образом, разработка системы нормативных документов — обязательная составляющая комплексного инновационного проекта. В противном случае будут буксовать процессы обязательного подтверждения соответствия и сертификации.

Создание гармонизированных нормативных документов — очень деликатный процесс, требующий учета множества факторов и оценки влияния на существующие процессы и функциональные взаимосвязи в железнодорожной системе. Разработка новых стандартов, норм и правил, в том числе и гармонизированных, должна опираться на имеющиеся результаты проектирования, моделирования и испытаний. Крайне важно в рамках реализации инновационных проектов создание информационных потоков, подпитывающих разработчиков нормативов.

Эффективные проекты

В качестве примеров успешных инноваций последних лет в области подвижного состава обычно приводят высокоскоростные электропоезда «Сапсан» и «Аллегро», пригородные электропоезда и локомотивы с асинхронными тяговыми двигателями.

Эффективность проектов «Сапсан» и «Аллегро» определяется комплексом экономических, эксплуатационных и социальных эффектов, связанных с существенным сокращением продолжительности поездки. Сегодня мы уже можем утверждать, что внедрение высокоскоростного движения привело коренному изменению всего рынка пассажирских перевозок в регионе, появились новые уникальные услуги, повысился уровень безопасности перевозок. Проекты «Сапсан» и «Аллегро» стали катализаторами новых инновационных решений, самые существенные из них внедрены в области организации движения поездов, в конструкции объектов инфраструктуры, в технологиях технического обслуживания и ремонта подвижного состава и инфраструктуры, в системе организации продажи проездных документов, а также в технологии пограничного контроля.

При этом следует отметить, что сам подвижной состав стал «локомотивом» инновационной среды. Успешное внедрение стало возможным благодаря комплексному системному подходу. Проект организации высокоскоростного движения электропоездами «Сапсан» включал:

- выполнение комплекса исследований (технических, маркетинговых, экономических, методических), направленных на комплексную оптимизацию проекта и выбор его ключевых параметров;

- детальную совместную с компанией Сименс отработку конструкции и функциональности поезда, проведение сравнительных испытаний и моделирование ключевых процессов взаимодействия поезда с инфраструктурой;

- создание новых систем сигнализации и связи, интеграцию их в систему управления электропоездом, создание новых скоростных стрелочных переводов, контактной подвески, устройств электроснабжения, шумозащитных экранов и других объектов инфраструктуры;

- проведение работ по модернизации инфраструктуры линии, разработку технологии ее содержания, создание нового ремонтного депо и технологии технического обслуживания и ремонта электропоезда;

- полный пересмотр методологии и технологии проведения испытаний с исключением дублирующих работ, создание новых испытательных и измерительных средств;

- работы в области тарификации перевозок и продажи билетов, организации новых пассажирских услуг;

- разработка и корректировка нормативных и нормативно-технических документов, законодательных инициатив.

Именно этот далеко не полный комплекс мероприятий обеспечил "дружественную среду" для инновации и запрограммировал проект на успех. Фактически была отработана новая технология организации и продвижения комплексных проектов, связанных с использованием инновационного подвижного состава. Эта же технология используется в проектах создания и внедрения пассажирского подвижного состава «Аллегро», «Тальго», «Дезиро» («Ласточка»). Сегодня мы позиционируем такую технологию взаимодействия как серийный инжиниринговый продукт.

В неблагоприятных обстоятельствах

Также свойствами «прорывных улучшений» обладает разработанный во ВНИИЖТ инновационный продукт – тепловоз ЧМЭ3, переоборудованный для работы на природном газе в газодизельном цикле. Потребность в данном продукте заказчик – ОАО «РЖД» – связывает прежде всего с достигаемыми экономическими параметрами.

Базируясь на положительном и отрицательном опыте эксплуатации газотепловозов ТЭМ18Г, в процессе работы над проектом институт решил названные заказчиком особоважными для эксплуатации задачи повышения бортового запаса природного газа до 5 суток, надежности газового оборудования, повышения доли замещения дизельного топлива газом с 45 до 60% и расширения области устойчивой работы на газе до 2 позиции контроллера машиниста. На газотепловозе применены инновационные решения, такие как микропроцессорная система управления, электронная система регулирования подачи газа, новые алгоритмы управления топливоподачей, установлены баллоны высокого давления.

Заявленные расчетные параметры были подтверждены на реостатных испытаниях. Содержание вредных выбросов в выхлопных газах газотепловоза снижено в 1,5-2,5 раза. Технико-экономические расчеты показали, что при среднерыночной на заправочных станциях Московской области цене дизельного топлива (28,6 руб/кг) и природного газа (15,4 руб/кг) экономия затрат на топливо для среднесетевых условий работы маневровых тепловозов составит 25-30%. В настоящее время не существует каких либо альтернативных вариантов модернизации дизелей тепловозов, позволяющих хоть немного приблизиться к полученным результатам по экономичности и экологии.

В январе 2011 года газодизельный тепловоз ЧМЭ3Г-1994 был направлен для эксплуатационной проверки в депо Лихоборы-Окружные Московской дороги и в апреле введен в работу на газовом топливе. За шесть месяцев эксплуатации не зафиксировано ни одного отказа газового оборудования, замещение дизельного топлива газом составило от 43 до 59%. Таким образом, полностью подтверждены заявленные параметры по надежности и экономичности газотепловоза в эксплуатационном цикле работы на газе.

Однако, до начала эксплуатации процесс заправки тепловоза природным газом на дороге не был организован, для ускорения начала работ институт в качестве заправочной площадки предоставил территорию Экспериментального кольца в Щербинке. Заправка осуществлялась индивидуально с помощью автогазозаправщика, это повлияло на периодичность заправок газом и в конечном итоге привело к существенным дополнительным затратам.

Опытная эксплуатация проводилась при нерегулярных заправках тепловоза газом (70 % от общего числа рабочих смен тепловоз не был заправлен газом и работал на дизельном топливе) и недостаточной загрузке тепловоза на маневровых работах (среднее время работы тепловоза на холостом ходу составило 69 % при средней сетевой величине для маневровых тепловозов около 45-50 %). Применяемый автогазозаправщик не был снабжен дожимным компрессором, поэтому тепловоз заправлялся газом не более чем на 60 % от расчетного объема.

За весь период эксплуатации с учетом работы как на газе, так без газа, общее замещение дизельного топлива газом составило 16%. Стоимость природного газа с учетом затрат на доставку примерно вдвое превысила цену дизельного топлива. В итоге при доказанной экономичности газодизельного цикла и подтвержденной надежности газового оборудования вместо ожидаемой экономии в 25-30% в условиях эксплуатации фактически получено увеличение затрат на топливо на 8,2%. Очевидно, что эффективный, экономичный и экологичный газодизельный тепловоз ЧМЭ3Г не попал в дружественную инновациям среду.

Готовится путевка в жизнь

На выставке ЭКСПО-1520 в сентябре 2011 года была продемонстрирована новая совместная разработка ВНИИЖТ и НПО Энергия – энергетический вагон для питания путевой техники. В качестве силовой установки в вагоне применены водородно-кислородные электрохимические генераторы «Фотон». На вагоне применен комплекс инновационных решений:

- микропроцессорная система регулирования с полностью автоматическими процессами управления,

- электронная система регулирования подачи газов,

- баллоны высокого давления,

- статический преобразователь на IGBT-транзисторах,

- накопитель энергии,

- многоуровневая система обеспечения пожаро- и взрывобезопасности.

Энерговагон прошел полный цикл испытаний, Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору выдала разрешение на его применение в эксплуатации.

От существующих моделей дизель-генераторных модулей, новая энергетическая установка выгодно отличается высоким к.п.д. (до 80%) и полным отсутствием вредных для экологии и здоровья работников выбросов. Последнее обстоятельство позволяет с высокой эффективностью применять инновационный энерговагон для обслуживания инфраструктуры в тоннелях, исключив при этом дополнительные затраты на обеспечение приточной вентиляции тоннелей в процессе производства работ.

В конце 2011 года предусмотрена передача вагона для эксплуатации на Северо-Кавказскую дорогу. Совместно с Центральной дирекцией инфраструктуры и ПКБ ЦП институтом проработана технология использования энерговагона, рассмотрены вопросы его технического обслуживания и заправки, проводится обучение персонала. Учитывая новизну, эффективность и актуальность разработки перед эксплуатирующей организацией стоит сложная задача дать путевку в жизнь новому техническому средству, оказать содействие разработчикам в доведении его характеристик до современных требований и задач эксплуатации.

Зона риска

Внедрение любой новой техники и особенно инновационной сопровождается решением различных технических проблем, которые неизбежно возникают в начальном периоде эксплуатации. Поэтому крайне важно, чтобы у разработчика и эксплуатирующей организации было достаточно информации для поиска эффективных решений этих проблем. Известно, что применение инженерных методов на стадии разработки изделия позволяет локализовать до 90-95% потенциальных проблем, проведение углубленных испытаний опытного образца – дополнительно 5-10%. Грамотно организованный процесс разработки и испытаний приводит к практически полному отсутствию технических проблем изделия в эксплуатации. Это позволяет эксплуатационные испытания, как и положено, использовать для оптимизации процессов эксплуатации, обслуживания и ремонта. Но так происходит не всегда.

К сожалению, стандартный процесс разработки с последовательно меняющимися этапами не всегда применим к инновационной продукции, зачастую из-за существования "области незнания" особенностей новых технологий требования к таким изделиям либо не определены, либо определены нечетко, либо меняются по ходу разработки. В этих условиях важным является управление рисками, связанными с использованием новых технологий и рисками возможных ошибок в требованиях. Подобные риски проявляются, как правило, на этапе испытаний или эксплуатации, когда число возможных путей исправления ситуации намного меньше, чем в начале проекта.

По опыту работы знаем, что многие разработчики подвижного состава, стремясь к экономии затрат, на этапе разработки недооценивают возможность появления проблем в эксплуатации. Мнимая «экономия» на начальных этапах разработки и на испытаниях практически всегда в эксплуатации оборачивается неизбежными финансовыми потерями и поставщика, и оператора. Из теории известно, а многие поставщики уже убедились на практике, что устранение технических проблем изделия в эксплуатации обходится не в разы, а в десятки и сотни раз дороже. И тем более дороже, чем меньше исследовательской информации о работе инновационного изделия накоплено на начальных этапах разработки.

В этот "капкан" недооценки рисков инноваций попали такие нашумевшие проекты последнего времени, как скоростной электропоезд "Сокол" и двухсистемный пассажирский электровоз ЭП10.

В зоне "инновационного риска" находятся электровозы с асинхронными тяговыми двигателями, для которых на основании зарубежных данных декларируются фантастические сцепные свойства и возможность существенной экономии электроэнергии. При этом из собственного опыта известно также о серьезных «побочных эффектах», например, таких как электромагнитная совместимость (рельсовые цепи, радиопомехи, взаимное электромагнитное влияние оборудования, приводящее к сбоям и помехам) или пульсации момента на валу тяговых двигателей, являющиеся дополнительными источниками вибраций в тяговом приводе. Мы будем вынуждены прикладывать усилия для поиска решений этих проблем в эксплуатации, хотя со значительно большей эффективностью эту задачу можно было бы решать на этапе разработки и испытаний электровозов.

Комплексная технология

Предложенная новая технология организации и продвижения комплексных проектов, связанных с использованием инновационного подвижного состава, предусматривает углубленное изучение функциональной взаимосвязи подсистем подвижного состава и инфраструктуры и последовательную верификацию проекта на этапах эскизного и технического проектирования, а также испытаний. Прогнозное планирование жизненного цикла подвижного состава и текущие оценки ключевых параметров проекта позволяют своевременно внести изменения в технические требования и при необходимости в нормативно-технические документы. Все это значительно снижает риски неудач в эксплуатации, а в тех случаях, когда полностью исключить возникновение проблем не удается, накопленные знания позволяют эффективно и быстро найти решение.

Благодаря наличию накопленных знаний, в очень сжатые сроки была решена проблема повышенного износа колес электропоезда "Сапсан", неожиданно возникшая буквально в первый месяц зимней эксплуатации. Совместными усилиями российских и германских специалистов на основе теоретических и экспериментальных исследований, моделирования по результатам проведенных испытаний был разработан и внедрен новый нелинейный профиль поверхности катания колес, были изменены параметры гасителей колебаний электропоезда. В настоящее время пробег электропоездов "Сапсан" между обточками колес составляет более 300 тыс. км без ухудшения динамических показателей.

Для подтверждения экономического эффекта инноваций принято решение использовать методологию оценки стоимости жизненного цикла. Ее применение возможно только при наличии достоверных данных о прогнозных параметрах подвижного состава, при отсутствии которых принимаются экспертные оценки, к сожалению, не всегда корректные. По отношению к характеристикам и эксплуатационным параметрам асинхронного тягового привода оценки разных экспертов могут варьироваться в широких пределах. Требуется проведение серьезных исследований и глубокий анализ данных эксплуатации первых локомотивов, чтобы сформировать единую методическую базу.

Заявленная экономическая эффективность инновационного проекта должна быть подтверждена в процессе эксплуатационных испытаний. Крайне важно при подготовке эксплуатации определить область наиболее эффективной работы подвижного состава, подобрать полигон и нагрузки, позволяющие уже на первом этапе продемонстрировать эксплуатационные преимущества нового изделия. При этом необходимо принимать во внимание и планировать процессы обучения персонала, подготовки ремонтной базы, экипировочных комплексов.

Для инновационных продуктов, как правило, действующие стандарты, нормы, правила и эксплуатационные документы непригодны, иначе они не назывались бы инновационными. Задача разработки системы нормативных документов – обязательная составная часть комплексного инновационного проекта. Иначе будут буксовать процессы обязательного подтверждения соответствия и сертификации.

Зарубежные изготовители обычно предлагают принять за основу имеющиеся зарубежные документы и стандарты. Иногда это оправдано, но надо принимать во внимание, что зарубежные нормативные документы существенно методически отличаются от действующих на пространстве железных дорог колеи 1520 мм [2]. Это различие определяется, прежде всего, технологическими, инфраструктурными и климатическими особенностями железных дорог, поэтому зарубежный разработчик должен планировать дополнительные инвестиции в изучение нормативов.

Создание гармонизированных нормативных документов – очень деликатный процесс, требующий учета множества факторов и оценок влияния на существующие процессы и функциональные взаимосвязи в железнодорожной системе. Разработка новых стандартов, норм и правил, в том числе и гармонизированных, должна опираться на имеющиеся результаты проектирования, моделирования и испытаний. Крайне важно в рамках реализации инновационных проектов создание информационных потоков, подпитывающих разработчиков нормативов.

Опыт показывает, что для успешной реализации сложных инновационных проектов целесообразно объединять усилия специалистов заказчика, разработчика, изготовителя, эксплуатирующих организаций и крупных научных центров. Можно объективно утверждать, что выбор разработчиком из соображений "экономии" в качестве научных консультантов небольших дисконтных испытательных центров экономически не оправдан. Эти центры в абсолютном большинстве не обладают необходимыми для накопления знаний компетенциями, не могут обеспечить требуемое в рамках проекта взаимодействие и информационный обмен, как правило, не имеют опыта разработки нормативных документов [3].