Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение регистрации и анализа дефектограмм при ультразвуковом контроле рельсов icon

Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение регистрации и анализа дефектограмм при ультразвуковом контроле рельсов


Смотрите также:
План лекции: Уровни программного обеспечения Базовое программное обеспечение...
Лекция 4 Обеспечивающие подсистемы асу. Математическое, программное, лингвистическое...
Алгоритмическое и программное обеспечение региональной системы контекстной рекламы в среде...
Контрольная работа №1 Специальность: Программное обеспечение вычислительной техники и асу...
Методическое обеспечение учебного процесса Оценка содержания подготовки специалистов через...
Рабочая учебная программа по дисциплине «Системное программное обеспечение» Направление №230100...
Алгоритмическое и программное обеспечение измерительного комплекса для определения параметров...
Методическое Пособие для студентов специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной...
Разработка методов звукового распознавания слов на основе их морфологического анализа и синтеза...
Программное обеспечение Понятие о программном обеспечении...
Методические указания и задания к лабораторным работам для учащихся ссуз специальности Т1002...
Реферат по Информационной безопасности Тема: «Антивирусы»...



Загрузка...
скачать


На правах рукописи


Шилов Максим Николаевич


Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение регистрации и анализа дефектограмм при ультразвуковом контроле рельсов


Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Санкт-Петербург

2007 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)



^ Научный руководитель:


доктор технических наук, профессор Семенова Елена Георгиевна








^ Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Гурвич Анатолий Константинович










кандидат технических наук, доцент

Добросельский Михаил Анатольевич










^ Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (г. Москва)


Защита состоится « 20 » июня 2007 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП


Автореферат разослан: « 18 » мая 2007 г.


Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Д.К. Шелест



^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Неразрушающий контроль рельсов – основное, и в ряде случаев, единственно возможное средство предотвращения чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте из-за изломов рельсов по причине образования в них дефектов.

На железных дорогах России для своевременного выявления дефектов в рельсах используется около 5 тысяч съемных и мобильных средств ультразвукового (УЗ) контроля. Эксплуатацией этих средств занято более 10 тыс. операторов. Ежегодно проверяется более 4,5 млн. км рельсового пути, 3,5 млн. сварных стыков рельсов. Периодичность контроля - от 2 до 6 раз в месяц. По результатам контроля в год выявляется более 50 тыс. потенциально опасных дефектов. Тем не менее, при этом допускается 110 – 150 изломов, приводящих в ряде случаев к сходу поездов. Но, несмотря на высокую вероятность обнаружения дефектов, действующая система не удовлетворяет потребностям отечественного железнодорожного транспорта. Затраты на УЗ контроль составляют существенную часть общих затрат на текущее содержание рельсового пути.

Результаты контроля рельсов как съемными, так и мобильными средствами неразрушающего контроля во многом определяются квалификацией операторов, их сосредоточенностью в процессе контроля и другими субъективными факторами.

Необходимость дальнейшего повышения эффективности системы контроля при одновременном снижении затрат и численности операторов очевидна. Совершенствование используемых технологий диагностики пути предполагает развитие компьютерных методов анализа данных контроля, выявления дефектных сечений и оценки степени их опасности. Следовательно, необходимые для развития этого направления методы обработки, регистрации и отображения сигналов УЗ контроля рельсов становятся наиболее актуальными.

При этом основное внимание должно быть сосредоточено на разработке методов и алгоритмов анализа сигналов в зоне болтовых стыков рельса, на которые приходится около 40 процентов всех дефектов, возникающих в рельсовом пути. Кроме того, в указанной зоне сосредоточены конструктивные отражатели, вызывающие сигналы, аналогичные эхо-сигналам от искомых дефектов. Решение задачи по повышению достоверности обнаружения полезных сигналов на фоне конструктивных отражателей позволит повысить достоверность ультразвукового контроля рельсов в целом.

При решении этой задачи необходимо учитывать результаты, полученные в работах отечественных (Н.П. Алешина, А.К. Гурвича, И.Н. Ермолова, В.В. Клюева, А.А. Маркова, С.К. Павроса, А.И. Потапова, С.Я. Соколова, В.Г. Щербинского и др.) и зарубежных ученых (Л. Бергмана, М. Кренинга, Й. Крауткремера и Г. Крауткремера и др.), которые внесли значительный вклад в развитие методов и средств дефектоскопии.

^ Целью работы является повышение достоверности результатов ультразвукового контроля рельсов при одновременном снижении затрат на системы диагностики за счет создания методического, алгоритмического и программного обеспечения регистрации и анализа дефектограмм при многоканальном контроле в широком диапазоне скоростей сканирования.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

  1. Обосновать параметры дискретизации сигнала на выходе приемного тракта ультразвукового дефектоскопа (далее – «сигнала») для регистрации и последующего анализа дефектограмм проконтролированного участка рельсового пути.

  2. Разработать метод выделения информативной части ультразвукового сигнала, подлежащей сохранению и необходимой для оценки параметров дефектов по принятым методикам для сплошного контроля рельсов.

  3. Разработать алгоритм выделения на дефектограмме групп эхо-импульсов, полученных в последовательных тактах зондирования, от несплошности рельса (дефект или элемент конструкции).

  4. Решить задачу сжатия дефектоскопической информации, для чего выбрать метод кодирования с учетом особенностей регистрируемых данных и построить код, обеспечивающий наименьший объем формируемых дефектограмм.

  5. Определить набор параметров выявляемых несплошностей для использования в качестве словаря признаков при распознавании элементов конструкции рельса и дефектов в зоне болтовых стыков; разработать методику оценки их значений.

  6. Построить описание элементов конструкции рельса с использованием предложенного словаря признаков и разработать алгоритм распознавания этих элементов (в частности, болтового стыка) с целью восстановления образа бездефектного рельса и последующего выделения на его фоне сигналов от дефектов.

  7. Разработать способ представления результатов ультразвукового контроля рельсов с использованием оценки реального положения точки отражения (координаты условного отражателя) для каждого эхо-импульса.

^ Методы исследования. Теоретические исследования данной работы построены на использовании основных положений теории распространения и приема УЗ колебаний, статистической теории измерительных радиосистем, вероятностных методов распознавания образов. Используемый в диссертации математический аппарат содержит элементы численных методов решения нелинейных уравнений. Экспериментальные исследования включали в себя полунатурные испытания на специальном стендовом оборудовании, а также опытную эксплуатацию образцов аппаратуры, изготовленной при непосредственном участии автора.

^ Научная новизна работы

1. Предложено использование многоуровневой дискретизации сигналов ультразвукового контроля при регистрации, что по информативности эквивалентно многократному контролю участка пути при различных уровнях чувствительности дефектоскопа, в том числе, и выше нормативной (это способствует выявлению дефектов на ранней стадии развития).

2. Предложен и разработан метод выделения информативной параметров ультразвукового сигнала, в соответствии с которым для формирования записей о выявляемых несплошностях регистрируется временное положение и значение максимума эхо-сигналов, что обеспечивает сокращение массива обрабатываемых данных при сохранении их информативности.

3. По результатам анализа особенностей регистрируемой информации (параметры сигналов, координаты положения преобразователей, основные параметры дефектоскопа) при ультразвуковом контроле рельсов решена задача кодирования дефектоскопической информации, обеспечивающего максимальное сжатие регистрируемых данных контроля.

4. Определен набор параметров, характеризующих несплошности рельсов, и предложен алгоритм распознавания их типа; разработана методика оценки значений этих параметров по принятым последовательностям эхо-импульсов от несплошностей.

5. Разработано описание основных конструктивных элементов рельса с использованием предложенного словаря признаков несплошностей, необходимое для построения процедуры распознавания конструктивных элементов и дефектов.

6. Предложен способ представления получаемых дефектограмм, который, в отличие от традиционно используемой развертки, отражающей только время запаздывания эхо-импульсов, обеспечивает оценку реального положения условных отражателей.

^ Практическая ценность результатов исследований

1. Создано методическое и алгоритмическое обеспечение для разработки систем многоуровневой регистрации рельсовых ультразвуковых дефектоскопов, в том числе, и для модернизации уже эксплуатируемых.

2. Разработана методика расчета величины межтактового изменения задержки, обеспечивающая выделение последовательности эхо-импульсов от дефектов и конструктивных несплошностей.

3. Предложен метод кодирования, обеспечивающий максимальное сжатие дефектоскопических данных, для использования в системах регистрации с ограниченным объемом носителя информации и энергопотреблением.

4. Разработан алгоритм распознавания элементов конструкции рельса, который необходим для построения систем автоматизированной расшифровки дефектограмм.

5. Предложен и защищен патентом РФ способ многоканального ультразвукового контроля рельсов, основными отличиями которого являются сравнение обнаруженного эхо-сигнала с совокупностью различных уровней, регистрация его амплитуды и задержки относительно зондирующего импульса, отображение информации по результатам совместного анализа результатов всех ультразвуковых каналов на контролируемом участке пути.

^ Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены при разработке средств неразрушающего контроля в ОАО «Радиоавионика». Регистратор информации РИ-01 для дефектоскопа АВИКОН-01 эффективно эксплуатируется (более 800 экземпляров) на сети железных дорог, метрополитенах и рельсосварочных предприятиях РФ, Казахстана, Грузии, Азербайджана. С начала 2006 года на железных дорогах России введен в эксплуатацию дефектоскоп нового поколения АВИКОН-11 со сплошной регистрацией сигналов.

Материалы диссертации использованы в НИОКР, проводимых в НИИ «Союз» ОАО «Радиоавионика» по заказу ОАО «РЖД».

^ Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод и алгоритм выделения информативных параметров сигнала (выделение отдельных эхо-импульсов и регистрация положения их максимумов) с выхода приемного тракта специализированного многоканального дефектоскопа для ультразвукового контроля железнодорожных рельсов.

2. Постановка и решение задачи кодирования дефектоскопической информации при многоканальном ультразвуковом контроле рельсов, уложенных в путь.

3. Методика оценки значений параметров, характеризующих несплошность, которые используются для описания элементов конструкции рельса и дефектов в этой зоне с целью последующего их распознавания.

4. Программное обеспечение, реализующее анализ и представление результатов ультразвукового контроля рельсов с выделением бездефектных элементов конструкции и дефектов в данных зонах.

5. Способ оценки координат положения условных отражателей для каждого эхо-импульса при визуализации результатов контроля.

^ Апробация результатов работы. Результаты работы поэтапно докладывались и обсуждались на 56-ой научно-технической конференции СПбНТОРЭС (2001 г.), 3-ей международной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике» (2002 г.), 16-ой Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (2002 г.), 2-х Всероссийских научно-практического семинарах «Неразрушающий контроль и диагностика материалов, конструкций и окружающей среды» (2003-2004 г.г.), 18-ой Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций» (2004 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, включающих 8 статей в сборниках научных трудов и журналах (2 из них являются реферируемыми изданиями, входящими в перечень ВАК), 6 публикаций в сборниках конференций, патент на изобретение и отчет по научно-исследовательской работе.

^ Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 153 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников, включающего 91 наименование. Основное содержание диссертации включает 37 рисунков и 5 таблиц.


^ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведена оценка новизны и практической ценности полученных результатов.


^ В первой главе приведен обзор используемых в настоящее время методов УЗ контроля рельсов, терминология и ссылки на нормативные документы, действующие в отрасли, а также показаны масштабы использования средств контроля для содержания пути на железных дорогах России и других стран.

Методика оценки степени дефектности рельса определена действующими на железной дороге нормативными документами. В зависимости от типа дефекта и степени опасности для движения поездов, рельсы подразделяются на остродефектные (представляющие прямую угрозу безопасности движения из-за возможного разрушения под поездом или схода колес с рельса из-за его повреждения и, поэтому, подлежащие немедленной замене) и дефектные (служебные свойства которых ниже нормативного уровня, но еще обеспечивают безопасный пропуск поездов с установленными или ограниченными скоростями). Дефектные рельсы могут быть оставлены в пути до замены в плановом порядке с соблюдением указаний по их эксплуатации, приведенных в каталоге дефектов рельсов.

В УЗ дефектоскопах в качестве излучающего и принимающего элементов (по совмещенной и раздельной схемам) используются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) с различными углами ввода УЗ волны. Необходимо отметить, что при механизированном сплошном контроле установка ПЭП возможна только на поверхности катания рельса. Обычно для сканирования всего профиля (за исключением перьев подошвы) используют не более 10 УЗ каналов на одну рельсовую нить.

Для оценки зоны залегания дефекта и его условных размеров используют измерения амплитуды и временной задержки отраженного эхо-сигнала. При перемещении ПЭП вдоль зоны залегания дефекта измеряют зону, в пределах которой сигнал превышает браковочный уровень, оценивая, таким образом, условные размеры дефекта.

Как уже было отмечено, в последние годы в эксплуатацию на железных дорогах России были внедрены съемные дефектоскопы со сплошной регистрацией сигналов, кроме того, активно развивается направление мобильных средств диагностики, технология использования которых изначально базируется на такой регистрации. При этом в рельсовой дефектоскопии получил широкое применение метод регистрации, при котором развертка дискретизируется по времени, и для каждого отсчета записывается только факт превышения установленного порога. При этом за временное значение задержки эхо-сигнала, необходимое для расчета положения отражателя, принимают момент превышения им порога.

Все регистрируемые сигналы расшифровываются опытным оператором на стационарной ПЭВМ. Результаты контроля представляются в виде развертки типа «В», которая содержит отметки о сигналах, превысивших порог, для каждой координаты сканирования. Очевидно, среди данных сигналов присутствуют не только отражения от дефектов, но и, в первую очередь, отражения от конструктивных элементов рельса, что значительно повышает трудоемкость поиска дефектных сечений.

Задачи данной работы направлены на построение систем регистрации и анализа результатов УЗ контроля рельсов, которые обеспечивали бы измерение параметров обнаруженных дефектов, распознавая при этом элементы конструкции самого рельса и дефекты в этих зонах.

^ Во второй главе разработаны методы и алгоритмы цифровой обработки сигнала с выхода приемного тракта дефектоскопа, выделения информации, подлежащей регистрации, и ее кодирования.

Очевидно, задача построения системы регистрации эхо-сигналов, полученных при контроле рельсов УЗ дефектоскопом, предполагает выбор характеристик точности их измерения, имея ввиду тот факт, что указанные измерения будут производиться на основании записанной информации. Как уже было отмечено, в рельсовой дефектоскопии для оценки степени дефектности сечения используются измерения амплитудных и временных параметров эхо-сигналов, а также размера зоны сканирования, в пределах которой сигнал от дефекта превышает порог. Таким образом, первоначально должны быть определены параметры дискретизации сигнала по времени и по уровню для отдельного такта излучение–прием и интервал по координате сканирования между соседними точками измерений с учетом всего диапазона рабочих скоростей.

К недостаткам существующих систем регистрации сигналов ультразвукового контроля, подобных разрабатываемой в данной работе, можно отнести:

- низкую частоту дискретизации по времени задержки эхо-сигнала относительно зондирующего импульса, значение которой задается грубее точности глубиномера самого дефектоскопа, что не позволяет повторять измерение параметров дефектов при анализе записанных дефектограмм;

- отсутствие регистрации амплитуды сигналов в данных системах, что не позволяет производить сравнение уровня сигнала от выявленного дефекта с сигналом от образцовой меры (отверстие Ø 6 мм на глубине 44 мм, ГОСТ 14782-86).

Глубину залегания дефекта оценивают, используя выражение , где с – скорость распространения колебаний в изделии; t – задержка эхо-сигнала относительно зондирующего импульса; 2tп – двойное время задержки колебаний в ПЭП; α – угол ввода луча в контролируемое изделие. Если учесть значения углов ввода УЗ волны, а также то, что скорость распространения сl=5,9×103 м/c для продольной волны и сt=3,26×103 м/с для поперечной волны, то дискретность измере­ния времени запаздывания эхо-сигнала может быть принята δtl=1/3 мкс и δtt= 1 мкс соответственно для разных типов волн, что примерно соответствует 1 мм по глубине рельса.

Для оценки амплитуды сигнала предложено использовать следующие пороговые уровни: основной порог обнаружения дефектов, дополнительный порог с чувствительностью выше пороговой, дополнительные пороги в пределах динамического диапазона дефектоскопа, которые позволяют уточнять амплитуду сигналов.

Минимальная величина шага измерений по длине рельса определяется максимальной скоростью сканирования и частотой следования зондирующих импульсов.

Не менее важной задачей при построении системы регистрации УЗ сигналов является выбор способа преобразования информации к виду, который подлежит записи. То есть, должны быть определены те характеристики сигнала, которые содержат информацию для дальнейшей его обработки.

Растровый метод регистрации амплитудно-временных разверток каждого такта излучение-прием является наиболее полным, но приводит к большим объемам выходных файлов контроля. Так, например, при записи 4-битных значений амплитуды объем одной развертки длительностью 200 мкс составит байт, что соответствует объему 100 Мбайт на каждый километр проконтролированного пути для каждого ультразвукового канала (при шаге сканирования 1 мм). В тоже время принимаемый сигнал имеет очевидные особенности: эхо-импульсы, подлежащие оценке, появляются только в зоне несплошности рельса (порядка 10-20 эхо-импульсов на канал), в ряде случаев возможно появление нескольких эхо-импульсов в пределах одного такта зондирования (многократные переотражения от дефектов). Для определения степени опасности дефекта нормативные документы предписывают измерение условных размеров дефекта (условная высота и условный размер по длине рельса). При измерении этих параметров, а также амплитуды сигнала требуется отыскание точного положения максимума сигнала. Отмеченные особенности оценки степени дефектности рельса позволяют сделать вывод о том, что запоминание огибающей эхо-сигналов (т.е. значение амплитуды и временной задержки пика сигнала при каждом положении ПЭП) позволит восстанавливать значения всех параметров дефекта по таким записям. Алгоритм работы в пределах одного такта зондирования устройства, выделяющего такую информацию, представлен на рис.1. При этом объем выходных файлов сократится при сохранении параметров дискретизации сигнала.

Результаты опытной эксплуатации показали, что при регистрации по предложенному в работе алгоритму на один ультразвуковой канал в среднем приходится около 200 кбайт на километр (данный объем во многом зависит от количества болтовых стыков и стрелочных переводов на участке).

При наличии несплошности в контролируемом рельсе при сканировании образуется последовательность эхо-сигналов, отраженных от несплошности. Это, фактически, соответствует серии измерений и должно быть использовано для накопления информации об объекте и, следовательно, для снижения погрешности измерений. То есть, все сигналы такой пачки должны анализироваться совместно.

Задача выделения последовательности сигналов от одной несплошности в работе решена на основе анализа межтактового изменения задержки эхо-импульса. Изменение расстояния от точки выхода луча до отражателя за один шаг сканирования не превышает данного шага сканирования (рис. 2). Если и , то . То есть , где .

Значит, для обнаружения очередного импульса в последовательности на каждый последующий такт необходимо формировать строб-импульс шириной, равной максимально возможному изменению задержки сигнала относительно зондирующего импульса. Для съемных средств диагностики (скорость сканирования () не более 6 км/ч или 1,6 м/с) при периоде следования зондирующих импульсов (), равном 1 мс, ширина такого строб-импульса может быть выбрана равной . Для того, чтобы следящий строб-импульс гарантированно отработал изменение задержки сигнала в любую сторону, на практике необходимо задавать ширину, равной .

Задача разработки формата сохраняемых данных предполагает выбор и обоснование метода кодирования информации применительно к данным ультразвукового контроля, а также последующее формирование алфавита событий.

Выбор метода регистрации параметров сигнала, представленный выше, предполагает формирование записи только в случае появления эхо-сигнала. Очевидно, такой же подход может быть применен и к другим регистрируемым данным ультразвукового контроля рельсов (изменение параметров работы дефектоскопа, служебные отметки). Следовательно, запись будет содержать коды различных событий в порядке их появления. Существенная разница в частоте появления различных событий создает предпосылки для использования кода с переменной длиной слова.

Для оценки эффективности кода используем стоимость кода , которая характеризует среднее число двоичных цифр (длина сообщения λi), приходящихся на одно сообщение с учетом вероятностей появления сообщений pi. То есть, для построения оптимального, либо близкого к оптимальному кода необходимо, чтобы событию с большей вероятностью появления ставилось в соответствие сообщение с меньшей длиной. На гистограмме (рис. 3) представлен закон распределения основных событий, составляющих информацию контроля рельса. Данные получены по результатам исследования более 50-ти файлов (общим объемом 49 Мбайт). Протяженность пути при этом составила 158 км. Установлено, что более половины от общего объема занимают сообщения о параметрах выявленных эхо-сигналов.

^ В третьей главе рассмотрены вопросы анализа данных контроля после сканирования рельса с целью оценки параметров выявленных несплошностей и представления результатов.

Для решения задачи определения типа выявляемых объектов необходимо определить набор характеризующих признаков, а также порядок поиска соответствия между выявленным объектом и известными типами.

Сигнал с выхода приемной части после дискретизации по времени и уровню целесообразно рассматривать как смесь сигнала (функции задержки эхо-импульса от перемещения ПЭП и параметров условного отражателя) и ошибок дискретизации. В работе для формирования функционального описания изменения задержки эхо-сигналов в качестве модели несплошности рельса используется ненаправленный цилиндрический отражатель с координатой (по оси сканирования) X0, глубиной залегания Н0 и радиусом R0 (рис.4). На вход вычислительного устройства поступает последовательность значений расстояний до условного отражателя (ri), измеренных для соответствующих положений ПЭП (xi). Измерения содержат ошибки дискретизации: . Оптимальные (согласно критерию минимума среднеквадратической ошибки) оценки этих параметров должны сводить к минимуму значение и могут быть использованы в качестве набора признаков объекта. Значение самой ошибки в точке, соответствующей оптимальным значениям аргументов, может быть использовано для определения степени «близости» объекта к определенному типу.

Таким образом, необходимо решить систему уравнений:

откуда

Ввиду того, что система уравнений является нелинейной, для вычисления оценок был использован итерационный вычислительный метод Ньютона-Гаусса. Решение данной системы может быть найдено путем последовательных приближений следующего вида:

(p=0, 1, 2, …).

В данном выражении совокупность аргументов X0, H0, R0 записана как вектор , а совокупность функций , , - как вектор-функция , - матрица Якоби.

Далее приведены преобразованные значения для каждого элемента матрицы W(x):

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Таким образом, зная значения вектора аргументов , можно рассчитать значения и , а затем и уточненное значение вектора аргументов . Для расчета начальных приближений параметров используются значения времени задержки одного из сигналов последовательности и угла ввода УЗ волны.

Для удобства дальнейших вычислений введем следующие обозначения:

- последовательность точек дефектограммы (эхо-импульсов) от одного отражателя обозначим, как ;

- усредненное по количеству эхо-импульсов в последовательности значение ошибки (критерий оптимальности при оценке параметров несплошности, введенный ранее) обозначим, как ;

- рассчитываемые оценки параметров несплошностей будем обозначать, как .

Решение задачи выделения последовательностей эхо-импульсов от несплошности в пределах одного канала было представлено выше. Тем не менее, особенности формирования дефектограммы при контроле рельса многоканальными средствами диагностики заключаются в том, что такие последовательности могут появляться по нескольким каналам. Кроме того, по причине низкого качества акустического контакта даже последовательность в одном канале может прерываться, то есть, может быть разбита на несколько отдельных последовательностей.

В работе предложено предварительно объединять такие последовательности следующим образом. Пусть на дефектограмме образованы последовательностей от несплошности , из которых образуется новая последовательность . Оценки параметров предполагаемой несплошности будут найдены из условия . Условием существования общей несплошности для образованной последовательности будет являться выражение , где - допустимый порог значений среднеквадратической ошибки.

Задача распознавания элементов конструкции рельса требует разработки описаний для каждого из этих элементов и метода их селекции (формулировки решающего правила). Описания основных типов конструктивных отражателей (отверстий в болтовых стыках и стрелочных переводах, торцевых углов рельсов) были сформированы с использованием полученного набора параметров несплошности. Автоматическое распознавание этих конструктивных элементов позволяет исключать сигналы, отраженные ими, при дальнейшем анализе дефектограммы.

Тем не менее, далее будет показано, что для описания некоторых типов отражателей используются значения координаты центра болтового стыка и величины стыкового зазора. Действительно, процедуре распознавания всех элементов конструкции предшествует процедура вычисления координат болтового стыка, перед которой, в свою очередь, требуется среди всех выявленных на анализируемом отрезке рельса несплошностей предварительно выделить болтовые отверстия, для которых известны значения двух параметров: , (индекс «I» указывает на данный тип отражателя по табл. 1). Недостающий параметр может быть вычислен из выражения . Условием принадлежности последовательности эхо-импульсов к типу прямого отражения от болтового отверстия будет выглядеть следующим образом , где - устанавливаемый порог допустимой среднеквадратической ошибки.

Полученные значения для каждой из последовательно­стей эхо-импульсов (каждой несплошности) в том случае, если она была отнесена к типу «I», используются для формирования функции болтового стыка . Стандартные размеры болтовых стыков упрощают задачу распознавания его элементов (рис. 5). В работе используются не только данные о размерах и глубине залегания болтовых отверстий, но и известные расстояния между ними. Они используются для формирования эталонной функции стыка . Обе функции представлены ниже:

;

Для определения положения стыка используется корреляционная функция вида . Искомые значения положения стыка и величины зазора будут равны: . В тех случаях, когда на анализируемом участке рельса болтовой стык отсутствует, корреляционная функция не превысит порог обна­ружения наличия стыка: .

Таким образом, далее могут быть сформированы описания всех основных элементов конструкции рельса (в табл. 1 приведены описания некоторых из них). Последовательности, которые не были отнесены к типу «I», последовательно проверяются на соответствие остальным типам. Так, например, для выявления угла, образованного торцом и донной поверхностью рельса, необходимо проверить условие . Для сигналов, переотраженных от границ рельса, (случаи «III» - «V») значения параметров получены с учетом свойств симметрии.


Таблица 1. Результаты классификации элементов конструкции болтового стыка

Название (описание)

Значения параметров

Иллюстрация

I. Болтовое отверстие

R0 = 18 мм; Н0 = 101,5 мм



II. Угол, образованный торцом и донной поверхностью рельса

R0 = 0 мм; Н0 = 180 мм; X0 = Xс ± z / 2, где Xс – координата центра болтового стыка, z – величина зазора



III. Болтовое отверстие (с отражением от донной поверхности). Расчет ведется относительно горизонтальной оси симметрии, соответствующей донной поверхности

R0 = 18 мм; Н0 = (2Hр - 101,5) мм = (360 - 101,5) мм = 258,5 мм, где Hр - высота рельса



IV. Болтовое отверстие (с отражением от торца рельса). Расчет ведется относительно вертикальной оси симметрии, соответствующей торцу рельса

R0 = 18 мм; Н0 = 101,5 мм; X0 = Xс + z / 2 + 96, где Xс – координата центра болтового стыка, z – величина зазора



V. Болтовое отверстие (с отражением от торца и донной поверхности рельса). Расчет ведется относительно центра симметрии, соответствующего точке пересечения торца рельса и донной поверхности

R0 = 18 мм; Н0 = (2Hр - 101,5) мм = (360 - 101,5) мм = 258,5 мм, где Hр - высота рельса; X0 = Xс + z / 2 + 96, где Xс – координата центра болтового стыка, z – величина зазора



Результаты экспериментальных исследований показали, что после распознавания и «отбрасывания» отражений от элементов конструкции в зоне болтового стыка общее количество сигналов сокращается в 30 – 50 раз, что характеризует снижение трудоемкости анализа записей.

Приведенный выше алгоритм распознавания элементов болтового стыка позволяет синтезировать изображение рельса с целью отображения на нем отраженных сигналов, что, безусловно, повышает наглядность получаемого изображения.


Для несплошностей, которые не были распознаны как элементы конструкции, рассчитанные значения параметров их расположения (X0, H0) могут быть использованы при определении геометрического места точек (сигналов) на дефектограмме следующим образом (рис. 6). Расстояние, соответствующее задержке эхо-сигнала, откладывается на луче, выходящем из точки текущего положения ПЭП на поверхности катания, и проходящем через точку с координатами (X0, Н0).

; .

Как известно, отображаемые размеры дефекта зависят и от ширины диаграммы направленности ПЭП. Предлагаемый способ определения положения точки на дефектограмме исключает данную зависимость. Расчет координат каждой точки на дефектограмме производится по результатам совместной обработки всей группы сигналов от несплошности. Вследствие этого, вычисляется наиболее вероятное положение отражателя и все точки (эхо-импульсы) группируются в одной зоне.

^ В четвертой главе рассмотрены особенности практической реализации результатов исследований, полученных в работе, приведены сведения об ультразвуковых дефектоскопах со сплошной регистрацией сигналов, при построении которых использованы алгоритмы и методы, представленные в диссертации, проведен анализ результатов опытной эксплуатации данных приборов.

Практические исследования диссертации включали в себя на первом этапе стендовые испытания разработанного алгоритмического обеспечения. Далее была проведена опытная эксплуатация на двух дистанциях пути (Гатчинской и Балтийской) регистратора для съемного многоканального дефектоскопа АВИКОН-01.

В ходе стендовых экспериментов на специализированной установке осуществлялось одноканальное сканирование отрезков рельса, содержащих модели дефектов (пропилы и сверления). В табл. 2 представлены результаты измерения условных размеров таких моделей дефектов с помощью дефектоскопа УД2-12 и на основе записей, полученных с помощью специализированной установки. Результаты свидетельствуют о том, что при выбранных ранее параметрах дискретизации УЗ сигнала погрешности, вносимые при регистрации параметров сигнала, являются пренебрежительно малыми.


Таблица 2. Условные размеры моделей дефектов (эксперимент)

Эскиз модели дефекта

Условные размеры (по УД2-12)

Условные размеры (по дефектограмме)

Относительная погрешность



ΔL ≈ 34 мм

ΔL ≈ 33 мм

0,03

ΔH ≈ 16 мм

ΔH ≈ 15 мм

0,06



ΔL ≈ 17 мм

ΔL ≈ 16 мм

0,06

ΔH ≈ 8 мм

ΔH ≈ 8 мм

0,00



ΔL ≈ 39 мм

ΔL ≈ 37 мм

0,05

ΔH ≈ 19 мм

ΔH ≈ 20 мм

-0,05


Таблица 3. Распознавание сигналов от моделей дефектов и прочих эхо-сигналов*

Всего эхо-сигналов

от моделей дефектов: 2970 шт.

Всего

прочих эхо-сигналов: 2145 шт.

Правильно

обнаружено

Пропущено

Ложно

обнаружено

Правильно

не обнаружено

2430

540

40

2105

^ Рправ.обнар.= 0,82

Рпр.с.= 0,18

Рложн. обнар.=0,02

Рправ.н.=0,98

*статистика приведена в среднем на один километр пути.


По причине того, что обнаружение дефектов является весьма редким событием (приблизительно 1 дефект на 100 км проконтролированного пути), в качестве модели дефекта в процессе экспериментальных исследований выбраны наиболее часто встречающиеся конструктивные отверстия в зоне болтовых стыков. Результаты оценки достоверности распознавания моделей дефектов приведены в табл. 3. В ходе опытной эксплуатации 2-х дефектоскопов АВИКОН-01 с регистрато­ром было проконтролировано 560 км пути, выявлено 4 дефекта, при этом 1 из них (код дефекта 53.1) был выявлен в ходе анализа записанных дефектограмм.

Кроме того, результаты эксплуатации подтверждают снижение расхода памяти носителя при использовании предложенных методов регистрации дефектограмм. При введении регистрации на 8-ми пороговых уровнях объем файлов остался на прежнем уровне (по сравнению с аналогичными системами регистрации) и составил порядка 1Мбайт на 1 километр проконтролированного пути. Сокращение сигналов, подлежащих анализу «вручную», после процедуры выделения элементов конструкции составляет в среднем 2 – 3 раза.


Разработанные алгоритмы и методы позволяют создавать системы регистрации и анализа результатов УЗ контроля рельсов (структурная схема представлена на рис. 7). Данные технические решения были внедрены при разработке систем диагностики для нужд ОАО «РЖД». В настоящее время на железных дорогах России и ряда других стран эксплуатируется порядка 1000 дефектоскопов типа АВИКОН с регистрацией результатов контроля. Внедрение дефектоскопов со сплошной регистрацией позволило перейти на современный технический уровень диагностики состояния рельсов, одновременно способствуя снижению эксплуатационных затрат на содержание пути.

^ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснованы параметры дискретизации сигнала с выхода приемного тракта ультразвукового дефектоскопа, необходимые и достаточные для оценки характеристик выявляемых дефектов при сплошном контроле рельсов в широком диапазоне скоростей сканирования.

Введение многоуровневой дискретизации при регистрации сигналов по информативности эквивалентно многократному контролю рельсового пути при различных уровнях чувствительности используемого ультразвукового дефектоскопа.

2. Предложен метод выделения информативных параметров ультразвукового сигнала, подлежащих регистрации, в соответствии с которым для формирования записей о выявляемых несплошностях регистрируется временное положение и значение максимума эхо-сигналов. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение метода. Лабораторные испытания с использованием фрагментов рельсового пути показали, что погрешность дискретизации информативных параметров не превышает 6%.

Реализация метода сокращает объем регистрируемых данных более чем в 2 раза при сохранении их информативности.

3. Предложен и разработан алгоритм выделения последовательности эхо-импульсов от несплошности рельса путем анализа изменения их временной задержки в процессе изменения расстояния от точки ввода ультразвуковой волны до условного отражателя при перемещении пьезопреобразователя. Введен дополнительный укороченный временной строб выделения эхо-импульса на очередной такт зондирования. Разработана методика расчета длительности этого строба с учетом возможной максимальной скорости перемещения пьезопреобразователя.

Выделение всех эхо-импульсов, отраженных от отдельной несплошности, необходимо для автоматизации процедуры оценки ее характеристик.

4. Проведен статистический анализ дефектограмм ультразвукового контроля более 150 км рельсового пути, определены перечень типов событий (выделение эхо-сигналов, изменение координаты положения пьезопреобразователей, изменение параметров работы дефектоскопа и другие), подлежащих кодированию, и частота появления этих событий. Обоснована целесообразность использования метода кодирования с переменной длиной слова, обеспечивающего максимальное сжатие регистрируемых дефектограмм.

5. В качестве моделей выявляемых несплошностей рельса при их последовательном озвучивании с различных точек поверхности катания предложено использовать условные ненаправленные отражатели цилиндрической формы, а в качестве словаря признаков, характеризующих несплошности для их классификации на «конструктивные элементы» и «дефекты», - параметры таких условных отражателей (координаты залегания и радиус). Разработана методика оценки этих параметров на основе совместного анализа временных задержек последовательностей выделенных эхо-импульсов.

Предложенная методика послужила основой для разработки алгоритма автоматизированного анализа сигналов ультразвукового контроля рельсов.

6. На основе введенного словаря признаков разработано описание основных конструктивных элементов рельсов наиболее распространенного типа (Р65). Предложен и разработан алгоритм автоматизированного распознавания конструктивных элементов, позволяющий выделять сигналы от дефектов на фоне сигналов от болтовых стыков и элементов стрелочных переводов.

Данный алгоритм в сочетании с используемыми в дефектоскопах алгоритмами работы порогового устройства обнаружения всех несплошностей рельса реализует обнаружение дефектов по всей длине рельса, в том числе и в зонах расположения элементов конструкции. При этом общее количество обрабатываемых сигналов для всего контролируемого участка пути сокращается в 2 – 3 раза. По результатам опытной эксплуатации показано, что вероятность правильного распознавания моделей искомых дефектов в рельсах составляет ≈ 0,82.

7. Разработан способ представления результатов ультразвукового контроля рельсов, который обеспечивает оценку реального положения условных отражателей с привязкой к профилю рельса. Соответствующий программный модуль в 2002 году реализован в эксплуатируемых дефектоскопах типа АВИКОН. По данным ОАО «РЖД» в 2006 году по результатам анализа дефектограмм этих дефектоскопов (около 600 единиц на всей сети дорог) дополнительно выявлено около 2 тыс. дефектов (20 % от общего количества), которые не были зафиксированы в ходе традиционной процедуры сплошного контроля (без использования разработанного алгоритмического обеспечения).

Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре «Инноватики и управления качеством» Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, а также в Центре подготовки «Радиоавионика» при проведении курсов повышения квалификации специалистов – расшифровщиков дефектограмм съемных дефектоскопов.

^ Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

  1. Белоусов Н.А., Марков А.А., Шпагин Д.А., Шилов М.Н. и др. Доработка двухниточного дефектоскопа АВИКОН-01 по результатам эксплуатации с введением системы сплошной регистрации// Отчет НИОКР для МПС по теме “Комплекс средств для неразрушающего контроля рельсов и других конструкций железнодорожного транспорта”. Этапы 2 и 3, СПб, ОАО «Радиоавионика» - 2000г.

  2. Шилов М.Н. Системы регистрации для съемных рельсовых ультразвуковых дефектоскопов// Материалы 56-й научно-технической конференции СПбНТОРЭС им. А.С. Попова, изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб, 2001г. С.35.

  3.  Марков А.А., Шпагин Д.А., Шилов М.Н. и др. Система регистрации результатов сплошного контроля рельсов дефектоскопом АВИКОН-01// Сб. научных трудов "Современные технологии извлечения и обработки информации", СПб, ОАО "Радиоавионика". – 2001. - С.68-76.

  4.  Моделирование сигналов при ультразвуковой дефектоскопии железно­дорожных рельсов/Марков А.А., Шпагин Д.А., Шилов М.Н., Федоренко Д.В.//3-я Международная конференция "Компьютерные методы и обратные задачи в НК и диагностике": Тезисы докладов – М., РОКОНД.–2002.-С.191-192.

  5.  Марков А.А. Шпагин Д.А., Мосягин В.В., Шилов М.Н. Регистратор сигналов сплошного контрол6я рельсов//Путь и путевое хозяйство – 2002, - №11. - С. 12-15.

  6.  Шилов М.Н., Шпагин Д.А., Мосягин В.В. Обоснование параметров регистрации результатов ультразвукового контроля// ХVI Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика": Тезисы докладов – СПб, 2002. С19 – 22.

  7.  Патент № 2227911, МКИ G01 N 29/04. Способ многоканального ультразвукового контроля рельсов / Марков А.А., Шпагин Д.А., Шилов М.Н., Веревкин А.Ю. - № 2002134325; Заявл. 19.12.02. Опубл. 27.04.04. Бюлл. № 12. – 27 с.

  8. Марков А.А., Шпагин Д.А., Шилов М.Н. Ультразвуковой многока­нальный дефектоскоп для ко­н­т­роля железнодорожных рельсов с регистрацией сигналов.//Дефектоскопия. - 2003. № 2.- С.24-35.

  9. Шилов М.Н. Особенности регистрации информации при сплошном контроле рельсов съемными дефектоскопами// В мире неразрушающего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды. Материалы VI Всероссийского c Международным участием научно-практического семинара. – СПб.: СЗТУ, 2003, С.130.

  10. Шилов М.Н., Мосягин В.В., Козьяков А.Б. и др. Оптимизация обработки сигналов сплошного ультразвукового контроля рельсов// Сборник докладов 18-ой Петербургской конференции “Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций”. 2004г. С.29-32.

  11. Шилов М.Н., Мосягин В.В. Обработка сигналов сплошного ультразвукового контроля рельсов// Сборник докладов V-го Всероссийского научно-практического семинара “Неразрушающий контроль и диагностика материалов, конструкций и окружающей среды”, СПб, СЗТУ, 2004, С.165.

  12. Марков А.А., Шилов М.Н., Мосягин В.В., Федоренко Д.В. Новый дефектоскоп «АВИКОН-11» для сплошного контроля рельсов// В мире неразрушающего контроля. 2006г, -№ 2 (32) - С.75-79.

  13. Шилов М.Н., Мосягин В.В., Федоренко Д.В. Особенности построения и функциональные возможности дефектоскопа сплошного контроля рельсов АВИКОН-11// Радиоэлектронные комплексы многоцелевого направления: сборник научных трудов. - СПб: Береста, 2006, С.45-58.

  14. Шилов М.Н., Мосягин В.В., Федоренко Д.В., Кескинов М.В. Многоканальная установка на базе дефектоскопа АВИКОН-11 для сплошного контроля рельсов в условиях рельсо-сварочных предприятий// Радиоэлектронные комплексы многоцелевого направления: сборник научных трудов. - СПб: Береста, 2006, С.59-63.

  15. Марков А.А., Козьяков А.Б., Шилов М.Н. и др. Многоканальный ультразвуковой дефектоскоп МИГ-УКС для контроля сварных стыков рельсов// Радиоэлектронные комплексы многоцелевого направления: сборник научных трудов. - СПб: Береста, 2006, С.64-69.

  16. Шилов М.Н. Оптимальные методы обработки дефектограмм// Радиоэлектронные комплексы многоцелевого направления: сборник научных трудов. - СПб: Береста, 2006, С.79-85.



Формат 60x84 1/16 Заказ № . Тираж 100 экз. Объем 1 п.л.

ОАО «Радиоавионика»

198005, С.-Петербург, пр. Троицкий, 4/б






Скачать 325,12 Kb.
оставить комментарий
Шилов Максим Николаевич
Дата27.09.2011
Размер325,12 Kb.
ТипАвтореферат, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх