CC BY
216
УДК 620.179.14:625
Ф.А.Цветков
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ РАСШИФРОВКИ ДЕФЕКТОГРАММ МАГНИТНОГО ВАГОНА-ДЕФЕКТОСКОПА
Магнитные вагоны-дефектоскопы в настоящее время являются основным средством скоростного контроля рельсового пути, позволяя в широком диапазоне климатических условий контролировать поверхностный слой головки рельса (глубиной 5-8 мм) при скоростях движения от 20 до 80 км/ч. Первые серийные вагоны-дефектоскопы появились в начале 50-х годов. С тех пор они непрерывно совершенствовались, но принцип действия оставался неизменным: над поверхностью катания каждого рельса располагается сильный П-образный электромагнит с межполюсным расстоянием около 1 м, продольно намагничивающий рельс. Между полюсами магнита непосредственно над поверхностью катания рельса находится датчик - катушка индуктивности ("искательная катушка"), ось которой направлена вдоль рельса. При движении вагона электромагнит и датчик перемещаются вдоль рельса, при этом происходит намагничивание-размагничивание участка рельса. При однородной магнитной структуре рельса поле рассеяния над ним в зоне расположения датчика меняется незначительно (в основном из-за влияния подкладок между рельсом и тттпа-лами) и в датчике наводится переменная э. д. с. с частотой, соответствующей частоте продвижения шпал. Если же в верхней части рельса имеется нарушение однородности его магнитной структуры (поперечная трещина и т.п.), то поле рассеяния над рельсом в месте неоднородности значительно изменяется. При прохождении датчика над этой неоднородностью в нем возникает импульсная э.д.с., по форме которой можно судить о характере неоднородности.
До недавнего времени дефектограммы записывались на бумажную ленту ос-циллографическим (светолучевым) способом. С начала девяностых годов запись дефектограммы осуществлялась в аналоговой форме на магнитную ленту кассетного магнитофона с последующей индикацией дефектограммы на экране электроннолучевого осциллографа, а также в цифровой форме - на магнитную ленту или жест-
кий диск персонального компьютера (ПК). В последнем случае дефектограмма индицируется, как правило, на экране монитора ПК, т.е. растровым способом. Следует отметить, что у операторов вагонов-дефектоскопов накоплен богатый опыт расшифровки дефектограмм, записанных осциллографическим способом. Эти дефекто-граммы имеют ряд существенных особенностей по сравнению с растровыми изображениями: переменная ширина и яркость прочерчиваемой линии в зависимости от скорости перемещения луча; формирование "яркостной точки" при задержке перемещения луча; прочерчивание линий под любым углом к оси времени и т.п. В то же время, особенности растрового изображения, создаваемого комбинацией вертикальных, горизонтальных и диагональных отрезков прямых линий, приводят к тому, что для уверенной расшифровки дефектограммы приходится использовать значительно меньший масштаб дефектограммы по горизонтали (более растянутое по горизонтали изображение), чем при осциллографическом способе. Это, в свою очередь, существенно снижает скорость расшифровки дефектограммы и часто не позволяет достаточно оперативно выявлять дефекты. Учитывая, что альтернативы хранению дефек-тограмм в цифровой форме, по существу, нет, нужно стремиться к увеличению скорости расшифровки при растровом способе отображения. Одним из вариантов является полуавтоматическая расшифровка дефектограмм, когда соответствующая программа "просматривает" дефектограмму в автоматическом режиме и определяет на ней "подозрительные" места, могущие содержать сигнал от дефекта, а оператор визуально расшифровывает только эти участки дефектограммы.
При разработке такой программы возможны три подхода.
Первый основан на построении математических моделей магнитного поля рассеяния над рельсом для различных видов дефектов в рельсе и получении аналитического выражения для формы э.д.с. датчика. Затем варьируются физические параметры модели дефекта в рельсе и оценивается изменение параметров модели магнитного поля рассеяния и формы э.д.с. датчика. На основании этих данных определяются параметры последней, наиболее устойчивые к изменениям физических параметров модели дефекта и формулируется алгоритм обработки отсчетов дефектограммы, "чувствительный" к требуемому сочетанию параметров формы э.д.с., характери-
зующему дефект. Разработка такой математической модели может прояснить также целесообразность использования многосекционной "искательной катушки" (многоканального датчика) и пространственное расположение ее секций. Достоинством этого варианта является возможность получения аналитической оценки вероятности правильного обнаружения и классификации дефекта, для чего необходимо выполнить дополнительный анализ, задавая "подходящие" законы распределения физических параметров модели дефекта в рельсе. Недостатком является сложность математического анализа, наибольшая, по-видимому, на этапе построения модели магнитного поля рассеяния над дефектом в рельсе при динамическом его намагничивании-размагничивании.
Второй подход основан на библиотеке дефектограмм (в виде последовательностей отсчетов) от участков рельсов с выявленными и подтвержденными дефектами. Располагая этими отсчетами и группируя их по видам дефектов можно построить некие обобщенные модели формы э.д.с. датчика не прибегая к математическому моделированию. Затем, как и при первом подходе, формулируется алгоритм обработки отсчетов дефектограммы, выявляющий дефекты. Возможно использование самообучающихся алгоритмов. Достоинство этого варианта заключается в меньшей сложности, чем при первом подходе, и "работе" с сигналами, порожденными реальными дефектами. Однако это же обусловливает и недостаток - часто остается неполной информация о виде выявленного дефекта и его особенностях, что иногда может даже не позволить четко отнести его к тому или иному виду. Объем библиотеки дефектограмм также, как правило, не велик, поэтому надежность оценки вероятности правильного обнаружения и классификации дефекта оказывается очень низкой.
Третий подход к разработке программы полуавтоматического обнаружения дефектов по дефектограмме заключается в составлении алгоритма расшифровки де-фектограмм оператором магнитного вагона-дефектоскопа. Для этого на первом этапе необходимо совместно с опытными операторами расшифровать возможно больший объем дефектограмм, отмечая при этом, почему, по мнению оператора, тот или иной фрагмент дефектограммы соответствует или, наоборот, не соответствует опас-
ному дефекту. Важную информацию можно получить и при рассмотрении с опытным оператором фрагментов дефектограмм, выявленных ранее дефектов (обычно в каждом вагоне-дефектоскопе сохраняются дефектограммы выявленных и подтвержденных дефектов). На втором этапе накопленные данные необходимо обобщить и попытаться сформулировать перечень существенных признаков опасных дефектов и, наконец, разработать алгоритм выявления дефектов по отсчетам дефектограммы. Достоинства и недостатки данного подхода, в основном, такие же, как и у предыдущего, с тем лишь отличием, что учет в программе богатого опыта операторов по расшифровке дефектограмм должен уменьшить количество ошибок при ее работе.
Существует и еще один вариант автоматизации обработки данных, заключающийся в сравнении дефектограмм текущего и предыдущего (предыдущих) проездов и выявлении их различий. Однако рассматривать его как еще один подход к разработке программы полуавтоматического обнаружения дефектов, по-видимому, не целесообразно, так как выявленные отличия дефектограмм далеко не всегда сопутствуют опасным дефектам. Скорее этот вариант можно использовать в качестве первого этапа обработки данных в программах, основанных на любом из перечисленных выше трех подходов. При этом программы могут анализировать "на дефект" только фрагменты дефектограммы с выявленными отличиями, что, возможно, позволит, с одной стороны, повысить скорость обработки данных или, с другой стороны, использовать более надежные (сложные) алгоритмы обнаружения и классификации дефектов при тех же временных затратах. Следует отметить, что сама процедура сравнения дефектограмм при видимой простоте на самом деле таковой не является. Так, для достижения полезного эффекта необходимо тщательно отработать методику "синхронизации" сравниваемых дефектограмм и динамического уравнивания масштабов по вертикали и горизонтали. Кроме того, на результаты сравнения могут сильно влиять не идентичность и не одинаковое поперечное смещение датчиков относительно рельса при текущем и предыдущем проезде, различие скоростей движения вагона и ряд других факторов.
Важной является нацеленность алгоритма на типы дефектов рельсов, которые могут быть выявлены магнитным вагоном-дефектоскопом. Это: поперечная трещина
рельса (без выхода и с выходом на поверхность катания), лопнувший рельс, горизонтальное расслоение головки рельса, вертикальное расслоение головки рельса и разнообразные неопасные повреждения и дефекты строения поверхности катания рельса. Существенно усложняют алгоритм магнитные неоднородности, естественным образом присущие рельсовому пути (они же делают пока не реальной и полную автоматизацию обнаружения дефектов). Такими типовыми неоднородностями пути, в основном, являются: стык со стальными накладками и зазором более 0,5.. .1 мм; стык со стальными накладками и зазором менее 0,5 мм ("плотный" стык); стык со стальными удлиненными накладками; стык с немагнитными накладками (изолированный стык); сварки (до десятка разновидностей); стрелочные переводы (несколько разновидностей); рельсосмазыватели; "упорки". Проблема заключается в том, что многие типовые неоднородности пути являются, по существу, дефектами. Например, стык рельсов - это "лопнувший рельс". И "срабатывание" алгоритма на каждом стыке означает полную непригодность его для использования на практике. Выход может заключаться во введении в алгоритм структур сигналов датчика от типовых неоднородностей пути, чтобы он не реагировал на "плановые" дефекты пути.
Многолетний опыт общения автора с операторами вагонов-дефектоскопов и участие в совместной с ними расшифровке дефектограмм позволяют сделать вывод, что наибольшие перспективы создания алгоритмов и программ автоматической расшифровки дефектограмм имеет третий подход, основой которого является алгоритм расшифровки дефектограмм оператором.
