Зарубежные системы контроля

А.А. Марков

Статья опубликована в журнале "Путь и путевое хозяйство" (№ 9-2010).

---

            Неразрушающий контроль, направленный на своевре­менное обнаружение дефектов в рельсах, актуален на всех железных дорогах мира. Основным методом обна­ружения дефектов во всех странах является ультразву­ковой с контактным способом ввода упругих колебаний. В дополнение к ультразвуковому методу в некоторых системах используют индукционный или вихретоковый, в основном для обнаружения поверхностных и подпо­верхностных дефектов (рис. 1).

           

а)                                                                                               б) 

Рис. 1 - Совместное использование ультразвуковых и индукционных методов контроля в вагонах-дефектоскопах фирмы SPERRY (SRS), США. Реализация ультразвуковых методов осуществляется с помощью колесных искательных систем: а) схема реализации; б) фото системы

            В качестве носителей дефектоскопической аппарату­ры и искательных систем применяют вагоны, автомотри­сы (rail bound), автомобили на комбинированном ходу (Hi-rail), самоходные тележки, а также одно- и двухниточные тележки, управляемые (толкаемые) оператором.

            Несмотря на применение идентичных принципов и методов, технология сплошного контроля, способы вво­да ультразвуковых колебаний в металл рельса, обработ­ки и даже представление информации о результатах не­сколько отличаются от используемых на российских же­лезных дорогах. В основном эти отличия не являются принципиальными. В то же время знание особенностей, принципов решения отдельных задач может помочь рос­сийским специалистам при совершенствовании систе­мы неразрушающего контроля рельсов.

            Надо отметить, что на большинстве зарубежных дорог дефектоскопирование рельсов осуществляют 1-2 раза в год. Даже на самых интенсивно эксплуатируемых участ­ках дорог Северной Америки рельсы проверяют не чаще 16 раз в году (через каждые 45 дней), т.е. реже в пять раз, чем на Российских железных дорогах. И только на очень грузонапряженном участке (ВНР Billiton – Port Healand) в Австралии – еженедельно (Alex Ivachev, RTI. New Ultrasonic Rail Detection//South Australian Chapter Newsletter – April 2009. P. 8-12).

            Ниже рассмотрены основные отличия и особенности применения некоторых зарубежных систем контроля на железных дорогах, при этом особое внимание уделяется способам представления и обработки ультразвуковых сигналов.

 

Технологии сплошного контроля рельсов

 

            От реализуемой технологии обнаружения дефектов в рельсах во многом зависят и применяемые средства контроля и методы обработки получаемых сигналов. Все многообразие способов сплошного контроля рельсов мобильными и съемными средствами дефектоскопии, действующих на железных дорогах разных стран, по на­шему мнению, можно разделить на четыре основных вида (см. таблицу ниже).

Средства дефектоскопии
Съемные дефектоскопы (тележки), однониточные тележки	Мобильные (вагоны, автомотрисы, автомобили-дефектоскопы)
	С остановкой для проверки	Безостановочный контроль	Тандем (два средства последовательно)
Виды технологии
I	II	III	IV
Особенности технологии
Оператор передвигает тележку, время от времени останавливаясь для изучения и подтверждения показаний дефектоскопа	При показании дефектоскопа мобильное средство останавливается, оператор выходит на путь и уточняет дефектное место с помощью портативного дефектоскопа	Движение с заданной скоростью с регистрацией сигналов и фиксацией дефектных мест (два варианта: с краскоотметкой дефектного рельса и с последующим анализом	Первая автомотриса движется без остановки, вторая останавливается для проверки подозрительных показаний первой, а затем догоняет ее
Преимущества
Высокая достоверность контроля. Окончательные результаты контроля в момент прохода. График движения поездов не нарушается (дефектоскоп снимается с пути для пропуска поездов)	Дефектные рельсы сразу же отмечаются для ремонта. Окончательные результаты контроля в момент проезда	Контроль без нарушения графика движения поездов. Меньшее время занятия перегона. Значительный объем контроля	Меньшее время занятия перегона. Окончательный результаты – в момент проезда. Возможность корректировки параметров контроля первой машины по показаниям второй
Недостатки
Малая производительность. Высокая стоимость ручного труда	Требует закрытия перегона	Большое время между контролем и выдачей результатов. Ошибки в привязке к пути. Большие трудозатраты	Большие первоначальные затраты. Значительные эксплуатационные затраты

            Как следует из таблицы, на российских железных до­рогах распространены I и III виды технологии. Достоинс­тво I вида заключается в том, что график движения по­ездов, каким бы интенсивным он не был, не нарушается. При приближении поезда дефектоскопная тележка сни­мается с пути, а после его прохода контроль возобнов­ляется. Безусловно, это самый трудозатратный вид тех­нологии, так как для обеспечения безопасности операторов-дефектоскопистов (оператор и помощник) весьма часто (на кривых, на участках с интенсивным движени­ем) требуется привлечение еще двух сигналистов.

            В то же время достоверность результатов при данной технологии, пожалуй, самая высокая, так как кроме ап­паратного контроля оператор с помощником еще и ви­зуально оценивают рельсовые нити. Уточнение и допол­нительный контроль дефектного места с помощью руч­ных преобразователей (например, с боковых поверх­ностей головки рельса) также осуществляется опера­тивно. Кроме того, в зависимости от состояния пути оператор может корректировать параметры дефектоско­па (чувствительности каналов и положение зон времен­ной селекции) и ориентацию искательных систем на по­верхности катания рельсов, что также способствует по­вышению достоверности обнаружения дефектов.

            Контроль по III виду технологии (практически безос­тановочный рабочий проезд с регистрацией информа­ции) требует последующего выхода операторов на учас­тки пути с возможным дефектом для вторичного (уточ­няющего) контроля с помощью переносного дефектос­копа и ручных преобразователей. Естественно, это зна­чительно удлиняет время выдачи окончательного заклю­чения о качестве проверенного участка пути. С учетом ограниченной рабочей скорости мобильного средства (максимум 60 км/ч) время прохода дефектоскопа выби­рают исходя из возможного его пропуска по перегону без нарушения графика движения поездов.

            Реализуются два варианта технологии III:

• первый вариант — бортовая система по заданным алгоритмам автоматически определяет дефектное место и включает краскоотметчик. При этом во время вторичного контроля рельсов портативным дефектоскопом труд­ности и ошибки нахождения дефектного рельса практи­чески исключены. Однако возможности системы автоматического распознавания сигналов от дефектов ограничены, что приводит к перебраковке и необходимости выключении системы на «сложных» участках пути (болтовые стыки, стрелочные переводы);

• второй вариант — сигналы со всех каналов дефектоскопа совместно с данными координат пути (С одометра, GPS-системы) подробно регистрирует и анализирует специалист-расшифровщик. Выписки с координатами дефектных участков и фрагментами дефектограмм пе­редаются бригаде вторичною осмотра. При этом не ис­ключался использование программных продуктов, облегчающих труд расшифровщика и автоматически выявляющих «явные» дефекты. Преимущество данного вари­анта заключается в анализе данных практически всего участка пути, включая болтовые стыки и стрелочные пе­реводы. Недостаток – значительная трудоемкость и воз­можные ошибки бригады при локализации участков рельсового пути с подозрением на дефект.

            На участках, где имеется возможность выделения достаточного времени для пропуска мобильного средс­тва, наиболее эффективным и оправданным видом тех­нологии контроля является технология II вида (см. таб­лицу). В наиболее совершенных мобильных автомоби­лях на комбинированном ходу фирмы Rail Technology International (RTI, Австралия) один оператор при скоро­сти движения автомобиля 20-40 км/ч успевает управ­лять автомобилем и оперативно расшифровывать дефектограммы обеих нитей пути (рис. 2). Причем после оперативного анализа в кабине автомобиля в ответс­твенных случаях принимают решение о подаче машины назад (обычно автомобиль при рабочем проезде и теку­щем анализе не успевает уехать от дефектного места на расстояние более 30-40 м). С точностью ±20 см маши­на останавливается около дефектного места. Оператор, выйдя из машины, уточняет дефектное сечение с помо­щью портативного дефектоскопа и при подтверждении дефекта непосредственно с машины передает теле­грамму об ограничении движения (или сообщает сопро­вождающему представителю железной дороги).

Рис. 2 - Автомобиль-дефектоскоп на комбинированном ходу с аппаратурой 8000SX (фирма RTI, Автсралия)

            Персональная ответственность за возможный пропуск дефекта и необходимость выполнения заданного объ­ема контроля требует от оператора поиска оптимально­го решения по визуальной оценке сигналов и минимизации остановок на ложных сигналах. Регулярное сравне­ние групп поступающих сигналов с реальными объекта­ми рельсового пути способствует достаточно быстрому самообучению оператора и минимизации ошибок пер­вого и второго рода.

            Средняя дневная производительность одной машины с одним оператором составляет около 100 км проверен­ного пути (за месяц – около 3000 км). Пожалуй, на на­стоящее время это самая высокая производительность при достаточной достоверности контроля. Такие показа­тели делают данную технологию наиболее конкурентос­пособной на мировом рынке услуг по неразрушающему контролю рельсов.

            Там, где невозможно применить технологию II, для по­вышения производительности и достоверности контроля рельсов с помощью подвижных средств дефектоскопии на железных дорогах Австралии и Северной Америки исполь­зуют усовершенствованную технологию IV вида (см. таб­лицу). При этом контроль рельсового пути выполня­ют с помощью двух подвижных единиц (патент США № 5970438 от 19.10.1999, G01 М 19/00, G01 N 29/04. R. Clark, J. Boyle, S. Morgan, A. Veitch. Способ и устройство дефектоскопии рельсов). Первая проверя­ет рельсы с установленной скоростью (до 50 км/ч), обеспечивая сплошную регистрацию результатов. Сиг­налы контроля отображаются на цифровом и анало­говом дисплеях, одновременно проводится предва­рительный полуавтоматический анализ сигналов по определенным критериям. По результатам прохода принимают решение о возможном дефекте и запоми­нают сигналы контроля, соответствующие дефектно­му участку, в виде моментального снимка (стоп-кад­ра). Данный стоп-кадр передают второй подвижной единице, следующей за первой по той же рельсовой колее (рис. 3).

Рис. 3 - Контроль участка рельсового пути системой из двух мобильных средств

            На второй единице вторично анализируют принятые сигналы и при необходимости принимают решение об уточнении данных с помощью переносного (ручного) де­фектоскопа. После этого принимают необходимые меры по ремонту рельса или его замене, и, кроме того, ре­зультаты контроля передают на первую подвижную еди­ницу для немедленной корректировки критериев бра­ковки.

            Окончательный результат может быть получен бук­вально через несколько минут (от 10 до 30-40 мин) пос­ле обнаружения сигналов от дефекта первой подвижной единицей, а не через несколько часов или суток, как при контроле только одним вагоном-дефектоскопом.

            Но при реализации IV технологии требуется значи­тельное (двухкратное) увеличение первичных капиталь­ных вложений на покупку, эксплуатацию и обслужива­ние не одной, а двух подвижных единиц, хотя, безу­словно, вторая подвижная единица может быть мень­ших габаритов (например, автомобиль-дефектоскоп на комбинированном ходу с комплексом портативной де­фектоскопической аппаратуры).

 

Способы ввода ультразвуковых колебаний при сплошном контроле рельсов

            Практически во всех зарубежных средствах контро­ля для обнаружения типовых дефектов в рельсах ис­пользуют традиционные углы ввода ультразвуковых колебаний:

• 0° – для поиска горизонтальных расслоений по всей высоте рельса и анализа качества акустического контак­та (по уровню донного сигнала);

• 70° – для обнаружения поперечных трещин в голо­вке рельса, применяют преобразователи, направлен­ные по и против хода движения. Причем для прозву-чивания всей ширины головки иногда используют до трех пьезопластин (или одну широкую) в каждую сто­рону;

• 35° (в других 38° или 45°) – для прозвучивания шейки и подошвы рельса, преобразователи также на­правлены в противоположных направлениях по длине рельса.

            Для специфических задач, например, для обнару­жения вертикальных трещин в боковых частях голо­вки рельса, могут быть применены и другие углы – 20° и/или 55°.

            Размещение ультразвуковых преобразователей и ввод колебаний в рельс осуществляют с помощью сис­тем скольжения (акустических блоков или «лыж») (www.scanmaster-irt.com –  high-speed rail inspection system), как и в российских системах ультразвукового контроля, или же с помощью так называемых «ультра­звуковых колес» (wheel probe).

            При реализации систем скольжения (slide probe) в мобильных средствах контроля (рис. 4) для обес­печения стабильного акустического контакта, в от­личие от средств, эксплуатируемых на российских железных дорогах, весьма серьезно относятся к предварительной очистке поверхности рельса водя­ной струей, подаваемой под высоким давлением (до 108 бар!).

           

Рис. 4 - Типичная искательная система скольжения поезда-дефектоскопа 

            Контактирующую жидкость непосредственно под акустические блоки подают в распыленном виде также под определенным давлением (от 10 до 15 бар)*. С од­ной стороны, это позволяет экономить контактирующую жидкость, с другой — значительно повышает стабиль­ность акустического контакта, что подтверждено и ис­следованиями специалистов ВНИИЖТа.

            Аналогичные искательные системы используют и в съемных дефектоскопах. В частности, в японском однониточном дефектоскопе PRD-100 (фирма TOKIMEC) для обнаружения дефектов в головке применяют пре­образователи с углом ввода 70°, для контроля шейки и подошвы – с углом ввода 45° на частоту ультразву­ковых колебаний 2 МГц. Рельс по высоте проверяют раздельно-совмещенным прямым (0°) преобразовате­лем, осуществляющим ввод и прием ультразвуковых колебаний на частоте 5 МГц. Все четыре преобразо­вателя размещены на скользящем башмаке (лыже), под которую при работе подается вода (рис. 5).

Рис. 5 - Однониточный ультразвковой дефектоскоп PRD-100 (фирма TOKIMEC, Япония) весит менее 18 кг и позволяет регистрировать сигналы всех четырех каналов

             В колесной искательной системе применены ультра­звуковые преобразователи, смонтированные в упругие полиуретановые колеса, заполненные иммерсионной жидкостью (Portable rail test system SYS-10. Marketing specification. Revision L. Pandrol Jackson, Inc. November 25, 1996. P. 12). При этом преобразователи висят непод­вижно на оси колеса, а вращается только его обод (уп­ругая оболочка) (рис. 6). Ультразвуковые колебания, про­ходя через иммерсионную жидкость (специальный рас­твор) и через полиуретановую оболочку (шину), под разными углами вводятся в металл рельса.

Рис. 6 - Конструкция колесной искательной системы

            Оболочка плотно прилегает к поверхности катания даже при контроле рельсов со значительным износом головки (рис. 7). В зависимости от степени износа, из­меняя давление в колесе и силу прижатия колеса к рельсу, можно регулировать размер контактного пятна, через который вводится ультразвук. Это обеспечивает стабильный акустический контакт между колесом и рель­сом при значительном износе поверхности рельса в ши­роком диапазоне скоростей сканирования (до 40 км/ч при использовании колесных искательных систем в ва­гонах и дефектоскопных автомотрисах). В последних системах применяют оригинальные технические реше­ния, позволяющие повысить скорость контроля без су­щественного увеличения оборотов колеса, так называе­мое «умное колесо».

а)                                     б)

Рис. 7 - Эластичное колесо с вмонтированными преобразователями: а) вариант реализуемый схемы прозвучивания; б) прилегание оболочки колеса к поверхности головки рельса

            Естественно, кроме достоинств у колесных систем имеются и недостатки. В частности, они требуют весь­ма точной юстировки относительно поверхности рель­са. Изменение ориентации колеса в любой плоскости на 1° может привести к изменению угла ввода ультразвуко­вых колебаний в метал (в соответствующей плоскости) " на 4° и к нарушению схемы прозвучивания.

            Так как диаметр колеса, выбираемый исходя из требований исключения взаимных влияний между пьезопластинами в колесе и обеспечения необходимого размера контактного пятна, не может быть меньше определенного размера, невозможно реализовать некоторые схемы прозвучивания. В частности, схемы, требующие одновременного использования двух или нескольких преобразователей (например, схему «тандем» или зер­кальный метод), устанавливаемых на фиксированных расстояниях друг от друга.

            И наконец, для прохождения ультразвуковых коле­баний от пьезопластины до оболочки колеса требует­ся время, сравнимое с временем прохождения коле­баний в теле рельса (из-за существенных отличий ско­рости распространения акустических колебаний в ме­талле и жидкости). Например, при реализации нор­мального ввода ультразвука (под углом 0°) рабочей временной зоной, где можно обнаружить эхо-сигналы от возможных дефектов по высоте рельса, является участок между многократными отражениями от пье­зопластины и оболочки колеса. В результате полное время пробега ультразвука из излучателя через рельс и обратно в приемник при использовании колесного искателя в два раза больше, чем требуется для сколь­зящих преобразователей.

            Так как максимально реализуемая скорость скани­рования связана с частотой посылок зондирующих импульсов, максимальная скорость контроля с помо­щью колесной искательной системы в два раза мень­ше скорости проверки со скользящими преобразова­телями. Последний факт особенно актуален при внедрении скоростного движения, так как при увели­чении скоростей движения технология неразрушаю-щего контроля рельсов может стать ограничивающим фактором в целом для перевозочного процесса.

            Поэтому, учитывая преимущества систем скольжения по реализуемым скоростям сканирования, на зарубеж­ных железных дорогах продолжают их использовать и проводят дальнейшее их совершенствование. В част­ности, системы скольжения на российских железных до­рогах успешно действуют в вагонах-дефектоскопах с ап­паратурой SFB-100/NT (фирма ScanMaster, Израиль), в автомотрисах и в двухвагонных секциях Speno US 6-1 (с 2003 г. — US 1-10 и US 2) фирмы Speno International SA с ультразвуковой аппаратурой ST4 (www.speno.ch – продукция фирмы Speno international Sa).

            В последних модификациях поезда-дефектоскопа фирмы Speno используют весьма оригинальную сис­тему ввода ультразвуковых колебаний, занимающую среднее положение между системой скольжения и уль­тразвуковым колесом. Ультразвуковые колебания с акустических блоков скольжения проходят через не­прерывно двигающуюся по замкнутому кольцу поли­мерную ленту. Гладкая лента (в виде гусеницы тракто­ра) при проходе дефектоскопического средства дви­жется (рис. 8). На поверхность ленты с внутренней стороны (со стороны акустических блоков) и на повер­хность головки рельса под давлением подается рас­пыленная вода. Гибкая лента хорошо облегает (огиба­ет) небольшие неровности поверхности рельса, защи­щая преобразователи от повреждения и одновремен­но обеспечивая стабильный акустический контакт на всем пути сканирования.

Рис. 8 - Конструкция, сохраняющая положительные свойства системы скольжения и колесной системы ввода ультразвуковых колебаний. Состоит из полимерной ленты, натяжного ролика, акустических блоков, распылитейлей воды

            Рассмотренное техническое решение успешно при­менялось канадскими специалистами при испытаниях бесконтактного (без контактирующей жидкости) вво­да ультразвуковых колебаний в рельс с помощью электромагнитно-акустического преобразования (ЭМА) с целью защиты дорогостоящих преобразователей (ЭМАП).

            Более совершенная конструкция такой системы ввода реализована в действующей автомотрисе US 2 (V 1.10) фирмы Speno (рис. 9).

Рис. 9 - Ленточная система ввода ультразвуковых колебаний в рельс

            Отмечается, что применение ленточной системы, сочетающей в себя положительные стороны систем скольжения (возможность реализации схем прозвучи­вания с двумя разнесенными преобразователями, бо­лее высокая скорость контроля) и колесных систем (стабильное прилегание к поверхности рельса), позво­ляет проходить стрелочные переводы, не поднимая искатели.

            Кроме того, защитные функции полимерной ленты дают возможность ставить эксперименты с очень доро­гими (в десятки раз!) многоэлементными фазированны­ми решетками по обнаружению дефектов в рельсах при больших скоростях сканирования. Как сообщают разра­ботчики, фазированная решетка позволяет осущест­влять электронное качание ультразвукового луча в пре­делах 150° (от -75^е до +75°), более полно прозвучивая сечение рельса.

 

Представление дефектоскопической информации

 

            Отображение сигналов в виде развертки типа В дав­но применяется во многих зарубежных системах сплошного ультразвукового контроля железнодорожных рельсов. Причем первые результаты при регистрации сигна­лов на кинопленку и бумажную ленту получены в Германии, Великобритании и Америке. И название такого способа представления сигналов происходит от английского слова “brightness” – яркость. Любой сигнал, превышающий установленный амплитудный порог, на кинопленке отображался в виде яркостной отметки.

            Для примера приведем несколько фрагментов дефектограмм со съемных и мобильных средств дефектоскопии, успешно эксплуатирующихся на железных дорогах мира. Однониточный дефектоскоп PRD-100 (фирма TOKIMEC) позволяет отображать и регистрировать сиг­налы контроля на развертках типа А, МА (запоминание А-развертки) и типа В (рис. 10). На рисунке видно, что на всех дефектограммах линия зондирующих импульсов отображается сверху (в верхней части дефектограммы видны и реверберационные шумы от слоя контактирующей жидкости и отражения от структуры поверхностного слоя металла рельса). Из-за близости горизонтальной трещины к поверхности головки и неровной плоскости дефекта отражения от трещины сливаются с мешающими отражениями структуры. Именно поэтому пачки двукратно отраженных от дефекта сигналов не четкие, с расплывчатой структурой. В то же время от модели поперечной трещины в головке при прозвучивании ее преобразователем с углом ввода 70° формируется весь­ма четкая наклонная линия, выделяющаяся на фоне не­больших структурных шумов.

Рис. 10 - Отображение сигналов контроля однониточным дефектоскопом PRD-100 при обнаружении горизонтальных (а) и поперечных (б) дефектов в головке рельса, радиальных трещин от стенок болтовых отверстий (в) и поперечных трещин в подошве рельса (г)

            Как и следовало ожидать, размеры пачек сигналов от радиальных трещин разных размеров, исходящих от стенок болтовых отверстий, параллельны сигналам от болтовых отверстий и практически не зависят от размера трещины. Однако сигналы от поперечных трещин в подошве рельса, также имеющих разные размеры и прозвучиваемых преобразователем с углом ввода 45^е (рис. 10, в, г), весьма четко зависят от высоты дефекта.

            На дефектограмме австралийского автомобиля-де­фектоскопа (рис. 11) видно, что для анализа дефектного участка рельса используют одновременно две развертки:

• типа В (обзорная – для поиска дефектного участка),

• типа А – для оценки качества акустического контакта и более детальной оценки дефектного места (на рисун­ке не показана).

Рис. 11 - Отображение сигналов контроля в автомобиле-дефектоскопе с аппаратурой 8000SX (фирма RTI, Австралия)

            Обращает внимание, что на дефектограмме сигналы со всех каналов отображаются на продольной проекции рельса**. Сигналы от каналов контроля головки рельса (от преобразователей с углом ввода 70') представлены в верхней части дефектограммы, все сигналы от кана­лов контроля шейки рельса (с углами ввода 38° и 0°) — в средней части, и сигналы от подошвы – в нижней. На­пример, отображение сигнала от болтового отверстия состоит из трех пачек — двух наклонных линий противо­положной ориентации («наезжающий» и «отъезжающий» наклонные каналы) и одной горизонтальной линии (эхо-сигналы от прямого преобразователя). При этом каналы различаются по отображениям разного цвета. Как и в других зарубежных системах, линия донного сигнала не отображается, а фиксируются только моменты пропада­ния донного сигнала (на дефектограмме короткие от­резки черного цвета под изображением сигналов от болтовых отверстий).

             Весьма схожи записи сигналов в вагоне-дефектоско­пе немецких железных дорог и сделанные с помощью израильской дефектоскопической аппаратуры. Анало­гичные записи можно наблюдать на автомотрисах и ва­гонах-дефектоскопах фирмы ScanMaster (рис. 12).

Рис. 12 - Дефектограмма немецкого вагона-дефектоскопа с аппаратурой фирмы ScanMaster. В верхней части дефектограммы показана развертка типа А с разными апмлитудными порогами вблизи зондирующего импульса (аналог ВРЧ)

            В целом принцип представления сигналов контроля полностью идентичен принципу, широко используемому на российских железных дорогах. Отметим некоторые особенности.

1. Более логичное расположение сигналов на дефек­тограмме: сигналы под преобразователем сверху (ре­жим «зондирующий сверху») вниз.
2. Донный сигнал от прямого преобразователя, как правило, не регистрируется. Отображаются моменты пропадания донного сигнала в виде коротких линий как более кратковременные события.
3. Весьма часто применяется режим представления сигналов «В виде рельса», когда сигналы от разных ка­налов, прозвучивающих определенные зоны рельса под разными углами, на дефектограмме отображаются в од­ной временной зоне.

 

Автоматизация обработки сигналов контроля

 

            Грамотный анализ сигналов требует знания доста­точно обширного теоретического и практического ма­териалов, навыков по распознаванию сигналов и ог­ромной концентрации внимания при расшифровке. Од­нако на результаты анализа сильно влияет «человечес­кий фактор».

            По статистике Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД», количество изломов рельсов ежегодно сни­жается, и все же одна треть изломов происходят по де­фектам, сигналы от которых были зафиксированы дефектоскопными средствами. По всем признакам опера­тор при расшифровке должен был классифицировать эти сигналы как дефектные, однако по ряду причин (невнимательность, недостаточные знания, сложность ситуации, усталость и др.) они были пропущены и при­вели к печальным результатам. И это, в первую очередь, связано с тем, что на оператора ложится огромная на­грузка при анализе дефектограмм и выборе решения о принадлежности сигналов дефектам, помехам или конс­труктивным отражателям.

            Естественно, выходом из сложившейся ситуации стал бы переход на автоматическую расшифровку сигналов контроля. Однако сложность этой проблемы обусловле­на не только трудностью создания соответствующих ал­горитмов обработки сигналов от многообразных дефек­тов, но и постоянно изменяющимися условиями контро­ля, вызванными следующими причинами:

• отклонения геометрических размеров рельсов от но­минальных вследствие износа;

• изменение акустических свойств металла рельса раз­ных производителей и лет выпуска, уложенных на одну линию;

• флуктуация отражающих свойств поверхностей рель­са и плоскости дефекта вследствие коррозии и других причин;

• нарушение параметров настройки дефектоскопичес­ких каналов операторами при проверке;

• нестабильность условий ввода ультразвуковых коле­баний в рельс из-за загрязненности и износа поверх­ности сканирования, несовершенной центровки иска­тельных систем относительно продольной оси рельса, неоптимального прижатия искателей к поверхности ка­тания (особенно при преодолении неровностей в зоне сварных и болтовых стыков и локальных повреждений поверхности рельса), неоптимальной подачи контактирующей жидкости при изменении скорости сканирова­ния в широком диапазоне (от 0 до 60 км/ч).

            По нашим исследованиям, только из-за последней причины уровень сигналов от одного и того же отража­теля может изменяться до 30 дБ (!). В связи с этим в большинстве случаев расшифровку сигналов сплошного контроля рельсов вагонами и дефектоскопными авто­мотрисами выполняют визуально, несмотря на то, что опыт использования этих средств как в России, так и за рубежом составляет десятки лет.

            Можно отметить, что частично проблема автомати­ческой расшифровки была решена уже в середине 80-х годов прошлого века. В частности, дефектоскопная автомотриса, много лет успешно эксплуатирующаяся на французских дорогах (рис. 13), вообще не имеет систе­мы регистрации сигналов сплошного контроля. Автома­тика практически в реальном времени обрабатывает поступающие сигналы с многоканального дефектоско­пического комплекса и при удовлетворении их задан­ным критериям автоматически маркирует рельсы стру­ей краски, подаваемой под высоким давлением. Не­смываемая краска желтого цвета на расстоянии 0,4 или 1,0 м (опция) наносится на внутреннюю сторону дефек­тного рельса (на перо подошвы) и на середину шпалы.

Рис. 13 - Дефектоскопная автомотриса с автоматической отметкой дефектных участков рельсового пути на железных дорогах Франции

            Такой же системой автоматической маркировки де­фектов оснащен поезд (двухвагонная автомотриса) для ультразвуковой проверки рельсов Speno US 6-1 и US 2 (US 1-10) (рис. 14) и вагон-дефектоскоп с аппаратурой SFB-100/NT (фирма ScanMaster).

Рис. 14 - Поезд-дефектоскоп US 6-1 фирмы Speno

            Только в последних системах кроме автоматической расшифровки в реальном времени, ориентированной на отметку краской участков рельсов, там, где предполага­ются большие дефекты, ведется запись всех сигналов для более подробной постобработки в основном вруч­ную (оператором).

            Однако в указанных системах функция распознава­ния сигналов отключается как при прохождении болто­вых стыков, так и при проезде по стрелочным перево­дам. Для выключения при прохождении болтовых стыков используются лазерные системы триангуляции (по одной на каждый рельс), а при наезде на стрелочный перевод электромагнитные бесконтактные датчики, установленные в передней и задней частях поезда, автоматически вклю­чают устройство для поднятия искательной системы.

            Таким образом, известные системы обработки обес­печивают анализ сигналов ультразвукового контроля рельсового пути только там, где отсутствуют конструк­тивные отражатели. Получается так, что разработчики изначально существенно облегчили себе задачу.

            В то же время, как следует из ежегодной статистики, именно зоны стрелочных переводов и болтовых стыков являются наиболее проблемными с точки зрения появ­ления в них опасных дефектов. И эти участки после про­хода такой автомотрисы приходится контролировать вручную, используя однониточные дефектоскопы.

            Введение системы запоминания (регистрации) ин­формации в рассмотренных выше средствах контроля позволяет сохранять все данные по различным дефек­там, еще не опасным для движения, в файлах проездов. В дополнение к ним сохраняются и основные пара­метры контроля (усиление каналов, положение стробирующих импульсов, пороговые уровни). Таким образом, появляется возможность сравнивать результаты двух последовательных циклов измерений и анализировать состояние каждого дефекта.

            В первых образцах мобильных средств контроля сис­темы обработки с автоматической селекцией в основ­ном обеспечивали фильтрацию сигналов от потенциаль­ных дефектов на фоне шумов. Кроме того, они локали­зировали зоны отражения по времени распространения ультразвуковых колебаний.

            С учетом того, что сигналы от каждого вида дефекта на развертке типа В имеют «характерный акустический признак» при перемещении преобразователя система запоминает поступающие сигналы (рис. 15,а). Содержи­мое этой памяти визуально представляется в виде дву­мерной карты или матрицы, в которой по оси х отобра­жается ступенчатое продвижение преобразователя по рельсу, а по оси у – время распространения ультразву­ковых колебаний до отражателя (дефекта) и обратно (Патент США № 5574224 от 12 ноября 1996, G01 N 29/04. J.-P. Jaeggi. Способ и устройство для непрерывного кон­троля рельсов на железнодорожных линиях посредством акустики ультразвуковых частот) (рис. 15,6).

                      

Рис. 15 - Временное смещение эхо-сиогналов при перемещении преобразователяи представление их на матрице х-у: а) изменение ультразвуковых колебаний при движении ПЭП к дефекту D; б) представление сигналов (е1-е6 - сигналы от трещины, en - одиночная помеха; a-f - расстояния от преобразователя до плоскости дефекта)

            Ячейки матрицы по осям х и у заполняются по мере поступления сигналов. Дефект проявляется в виде се­рии точек определенной конфигурации. Если между по­являющейся в рамке информацией и предварительно запрограммированными параметрами характерных осо­бенностей принятых сигналов имеется соответствие (с определенной вероятностью), то автоматически прини­мается решение об обнаружении дефекта определенно­го типа.

            При наличии трещины в рельсе нередко эхо-сигналы поступают под разными углами в разные дефектоскопи­ческие каналы (рис. 16). С учетом временного сдвига, обусловленного размещением преобразователей вдоль рельса, полученные данные группируются экспертной системой с целью определения вероятности наличия каждого из обнаруженных дефектов.

Кроме временных параметров (временного смещения эхо-сигналов по мере перемещения преобразователя) в системах обработки начинают использоваться и ампли­тудные особенности сигнала. В частности, в израиль­ской аппаратуре SFB-100/NT амплитудная дискретиза­ция поступающих сигналов составляет 32 уровня, что вполне достаточно для выделения эхо-импульсов на фоне шумов. В то же время дискретизация временной зоны тоже на 32 ячейки явно не достаточна для коррект­ной оценки координат дефектов в рельсе (особенно при прозвучивании прямым преобразователем). С другой сто­роны, такая дифференциация (для анализа сигналов ис­пользуется матрица 32x32) заметно упрощает обработку.

            Более мощная система распознавания сигналов конт­роля предложена специалистами фирмы Dapco Industries Inc и реализована, в частности, в аппаратуре RTS-1000 вагона-дефектоскопа (Патент США № 5777891 от 7 июля 1998, G01 N 29/04. D. Pagano, В. Mackay, J. Norris. Способ ультразвуковой дефектоскопии в реальном масштабе времени).

            В памяти хранятся предварительно калиброванные (контрольные) наборы данных, полученные в ходе ана­лиза дефектограмм в полуавтоматическом режиме. В дальнейшем применена иерархическая конвейерная система распознавания образов с многоуровневой структурой. Каждый уровень выполняет конкретную часть общей задачи распознавания образов:

• на первом уровне — обнаружение явления;

• на втором — пространственное преобразование;

• на третьем — распознавание аномальных сигналов;

• на четвертом уровне — распознавание образа дефекта.

            На первом уровне в каждом дефектоскопическом ка­нале определяется наличие в потоке поступающих сиг­налов эхо-импульсов от конкретных отражателей (явлений, представляемых значимость). При этом для каждо­го класса явлений в памяти системы хранятся типичные свойства данных с определенными параметрами (вре­менное положение, количество импульсов в группе для эхо-каналов или пропадания донных сигналов для кана­ла с прямым преобразователем). Все сигналы, находя­щиеся вне анализируемых временных зон и не удовлет­воряющие заданным параметрам (например, по числу импульсов в пачке), отбрасываются.

            На втором уровне осуществляется пространственное преобразование сигналов с учетом геометрического расположения (позиции и ориентации) преобразовате­лей, углов ввода и скорости распространения ультразву­ковых волн в металле рельса. При этом учитываются и углы раскрытия диаграммы направленности ультразву­ковых лучей, допустимые погрешности расчета и ампли­туды эхо-сигналов (интенсивность). Все это позволяет вычислить позицию и размер отражающего объекта (де­фекта) с учетом сигналов разных каналов (например, данные каналов с преобразователями 70^е и 0° от дефек­та в головке рельса).

            Отклики из разных каналов отображаются графически в двумерной координате. При этом сигналы разных кана­лов на изображении рельса в профиль или в поперечном направлении отображаются разными цветами (рис. 17).

Рис. 17 - Автоматическое выделение сигналов от конструктивных отражателей (болтовых отверстий и торцов рельсов) и аномальных зон (дополнительное отверстие рядом с первым от стыка болтовым отверстием) системой обработки DAPCO

            На третьем уровне сканируется дефектограмма, сформированная на втором уровне, и, используя метод группировки, распознаются образы простых объектов (болтовых отверстий и др.). Дефектограмму сканируют с целью поиска эхо-сигналов, которые группируются вместе с учетом глубины залегания, № канала, близости откликов друг к другу. Задавая различные комбинации указанных параметров можно распознать простые обра­зы групп сигналов, которые всегда пространственно коррелированны.

            На четвертом уровне рассматривают серию образов, сформированных на третьем уровне, сопоставляя их с типовыми. Работа каскада заключается в сканировании потока образов дефектов и их сопоставлении с образа­ми, хранящимися в памяти. Каждый образ состоит из «грамматики», задающей последовательность базовых аномалий, которые могут встретиться при распознава­нии. Образ должен соответствовать ряду требований, задаваемых пользователем, и определяться местополо­жением по высоте и длине рельса.

            Каскад обладает способностью отличать дефекты в контролируемом изделии (например, лопнувший рельс) от конструктивных элементов (болтовой стык) в автома­тическом режиме в реальном масштабе времени. В свя­зи с этим отпадает необходимость останавливать рабо­ту вагона-дефектоскопа для ручной проверки источника ультразвуковых сигналов.

            Результатом работы всей системы обработки являет­ся распечатка каждого распознанного образа, включаю­щая следующие данные:

• положение по высоте рельса (глубина залегания);

• протяженность объекта и координаты (позиции) по длине рельса;

• описание распознанного объекта (текстовая инфор­мация);

• указание о том, что опознанный объект является конструктивным отражателем или дефектом.

            Следует отметить, что идеи первого и второго уровня обработки (выделение значимых сигналов на фоне шу­мов и их пространственное преобразование) не являют­ся новыми и, как следует из изложенного выше, давно уже реализованы в других системах.

            Основной же идеей рассмотренной системы обработ­ки является интеграция нескольких видов распознава­ния в единую структуру с форматом данных, обеспечи­вающим стабильную работу всей системы с высокой скоростью. Весьма важно, что оператор может регули­ровать параметры группировки сигналов и отнесения их к значимым или помехам, добиваясь минимизации лож­ной браковки.

Во всех описаниях автоматизированных систем обработки подчеркивается, что они предназначены в основ­ном для «оказания содействия оператору в выполнении стоящих перед ним задач» по обнаружению дефектов, для «упрощения проверки и повышения качества прове­дения ультразвукового контроля рельсов». Окончатель­ное решение принимает оператор, а система в лучшем случае вырабатывает решение о включении краскоотметчика на явных дефектах и помогает оператору при окончательной расшифровке.

            Естественно, программами автоматизации расшиф­ровки сигналов контроля занимаются не только за рубе­жом, но и в России. Еще в 1997 г. при внедрении в на­шей стране первого вагона-дефектоскопа, совмещаю­щего ультразвуковые и магнитный методы контроля (СВД – совмещенный вагон-дефектоскоп), в ОАО «Радиоавионика» была реализована функция автоматического выделения сигналов от дефектов кода 53.1. При появле­нии пачек сигналов с временным интервалом не более 16 мкс (на развертке типа В - две параллельные линии) эти сигналы подсвечивались красным цветом, предуп­реждая расшифровщика о возможной радиальной тре­щине от стенки болтового отверстия.

            При массовом внедрении двухниточного микропро­цессорного дефектоскопа типа «Авикон-01» с регистра­тором (2001-2002 гг.) был разработан интерфейсно-программный блок ИПБ-01, расширяющий функциональ­ные возможности дефектоскопа. ИПБ-01 – первый внедренный программный продукт, имеющий элементы автоматического выделения и протоколирования (с ука­занием координат) аномальных мест дефектограмм.

            Если указанные программы были ориентированы только на обработку сигналов конкретных дефектоско­пических комплексов (в вагоне – АВИКОН-03, ИПБ-01 дефектоскопа АВИКОН-01), то программно-аппаратный комплекс неразрушающего контроля (ПАК НК) изначаль­но предназначен для совместного анализа дефектоско­пической информации практически со всех средств, эксплуатируемых на сети железных дорог ОАО «РЖД».

            Эта задача не является актуальной для зарубежных специалистов, где рельсы контролируют достаточно редко и, как правило, однотипной системой. На россий­ских железных дорогах даже в течение месяца один и тот же участок рельсового пути может быть проконтро­лирован дефектоскопическими комплексами пяти моди­фикаций (например, тележками «Авикон-11», РДМ-2 и АДС-02, автомотрисой типа АДЭ и вагоном-дефектоско­пом с аппаратурой «Авикон-03»). При этом каждое средство имеет свое программное обеспечение, не со­гласованное с другими программами.

            В результате не только усложняется процедура ана­лиза сигналов контроля (каждый раз приходится загружать программу конкретного дефектоскопа со своей спецификой, обозначениями и расположениями каналов контроля на дефектограмме), но и становится невоз­можным корректное сравнение сигналов от развиваю­щихся дефектов (ДР). Поскольку сигналы от одного и того же дефекта получены при разных условиях (чувствительностях) и при разной дискретизации как по вре­мени, так и по длине рельса.

            Для решения этой проблемы и разработан ПАК НК, позволяющий осуществлять комплексный анализ сигна­лов с конкретного участка рельсового пути, полученных разными средствами при периодическом контроле. Воз­можность расшифровки дефектоскопических данных от разных типов съемных и мобильных средств в одной программе позволяет более обоснованно принимать ре­шение о наличии или отсутствии опасных дефектов в рельсах.

            Естественно, это позволяет с большей уверенностью приступать и к мониторингу (наблюдению за изменени­ем состояния) отдельных участков рельсов с зарождаю- щимися дефектами. По диагностируемым параметрам (количеству эхо-сигналов в пачке, числу каналов, зафик­сировавших дефект) можно прогнозировать состояние контролируемого изделия, применяя, как известно, две последовательные операции:

• интерполяцию обработанных известных данных, при которой определяют закономерность изменения про­цесса (тенденцию развития дефекта в контролируемом изделии);

• экстраполяцию данных для определения будущих из­менений состояния контролируемого объекта (прогнози­рование по уже известной тенденции развития дефекта).

            Специалисты российских фирм продолжают совер­шенствовать автоматизацию расшифровки сигналов контроля рельсов. В последние годы наблюдается ин­теграция работ в этой области с трудами специалистов ведущих мировых фирм. И хочется надеяться, что в бли­жайшие годы совместными усилиями будут полностью решены сложнейшие проблемы автоматизации анализа результатов контроля рельсов.

---

 * Применению указанных технических решений на дефек­тоскопических комплексах, работающих в российских услови­ях, препятствует необходимость контроля рельсов при низких (до -40 °С) температурах.

  ** Аналог представления сигналов в дефектоскопах серии АВИКОН в режиме «В виде рельса».