Сравнительный анализ сигналов магнитных каналов мобильных средств рельсовой дефектоскопии.
АнтиповГ.А. Ведущий научный сотрудник ЦНИИ
им. Академика А.Н. Крылова
БелоусовН.А. Заместитель генерального директора,
директор НИИ «Союз» ОАО «Радиоавионика»
МарковА.А. Директор НТК СНК
ОАО «Радиоавионика»
Статья опубликована в сборнике научных трудов ОАО "Радиоавионика" "Радиоэлектронные комплексы многоцелевого назначения", Санкт-Петербург, 2006
Изложены результаты анализа сигналов магнитных каналов мобильных дефектоскопических средств контроля рельсов, выполненного с помощью ПАК НК. На конкретных примерах продемонстрирована возможность использования сигналов от сварных стыков рельсов для проверки чувствительности магнитных каналов совмещенных мобильных средств дефектоскопии непосредственно в процессе контроля.
Немалую роль в обеспечении безопасности движения поездов за счет своевременного обнаружения контактно-усталостных трещин в рельсах играют мобильные средства контроля (автомотрисы и вагоны-дефектоскопы), одновременно реализующие магнитные и ультразвуковые методы дефектоскопии. Принципы создания таких средств и первый совмещенный вагон-дефектоскоп разработан в 1993-1997 годах специалистами ОАО «Радиоавионика» [1]. В последствии аналогичные средства мобильного контроля стали выпускать и фирмы «Твема» и НПП «Вигор».
По результатам достаточно длительной (около десять лет) эксплуатации таких мобильных средств дефектоскопии, наличие магнитного канала в дефектоскопическом комплексе позволяет не только осуществлять весьма точную привязку дефектных участков, но и способствует значительному повышению вероятности обнаружения опасных дефектов в головке рельсов. В отдельных, часто в экстремальных случаях, магнитный канал дефектоскопического комплекса является единственным каналом, своевременно обнаруживающим дефекты критических размеров [2].
В 2002-2005 годах по заданию МПС РФ в ОАО «Радиоавионика» разработан программно-аппаратный комплекс неразрушающего контроля (ПАКНК), предназначенный для просмотра и обработки дефектоскопической информации со съемных и мобильных (скоростных) средств контроля рельсов [3]. С его внедрением на линейных участках дефектоскопии появилась возможность повысить эффективность контроля за счет использования максимально широкого объема исходной информации, которая может быть привлечена при расшифровке данных и принятия решения о выявлении дефекта. Вместе с тем, в отношении магнитных каналов (МК) совмещенных автомотрис и вагонов-дефектоскопов высветился и ряд проблем, связанных с определением качества привлекаемой информации. Первоначально предполагалось, что вся разнообразная информация по МК, стекающаяся в дистанцию пути и поступающая на вход ПАКНК, хоть и отличается по техническим характеристикам (чувствительности, способу получения данных, формату их представления и т.п.), сходна, тем не менее, в главном – каждый из этих потоков информации обладает способностью решать задачу выявления дефектов самостоятельно, в автономном режиме, то есть обладает нужной достоверностью.
Однако практика работы с ПАК НК показала, что данные, получаемые с магнитных каналов с той или иной аппаратуры, не всегда удовлетворяют требованиям достоверности. Поэтому при их привлечении необходимо проводить входной контроль, позволяющий оценить качество информации с установлением участков сбоя, по аналогии с участками потери акустического контакта по ультразвуковым каналам. Снабженный такими элементами входного контроля поступающей информации ПАК НК может существенно расширить свои функции за счет использования его как инструмента объективной оценки качества получаемой информации, что будет способствовать повышению профессионализма работников мобильных средств, и за счет этого, более эффективному использованию средств НК.
Вторая проблема возникает в связи с тем, что магнитные каналы аппаратуры разных фирм – производителей могут отличаться по информативности. Это связано как с различием технических характеристик дефектоскопических комплексов, идеологии их построения, так и с естественным разнообразием конструктивных и технологических решений отдельных узлов и устройств, входящих в их состав. Эта проблема выдвигает на первый план вопрос о выработке подхода к оценке информативности различных средств контроля. Решение этого вопроса имело бы несомненный практический интерес, позволяя добиваться наилучших результатов контроля за счет оптимального выбора имеющихся средств. С другой стороны, это дало бы разработчикам средств определенные ориентиры в направлении их совершенствования и развития. Ниже приведены результаты проверки с помощью ПАК НК возможности решения обеих проблем применительно к магнитным каналам скоростных средств дефектоскопии рельсов ведущих фирм-производителей – ОАО «Радиоавионика» (комплекс АВИКОН-03), НПП «ВИГОР» (комплекс Р-2000), ЗАО «Фирма ТВЕМА» (Эхо-комплекс).
Рассмотрим вопрос оценки качества исходной информации, поступающей в ПАК НК с того или иного средства контроля на примере аппаратуры АВИКОН-03.
Для уверенной расшифровки сигналов, получаемых с искательных датчиков магнитного канала, необходимо, чтобы дефектограмма удовлетворяла определенным требованиям. Помимо очевидного требования минимального уровня помех можно обозначить ряд специфических требований, выполнение которых обеспечивает наиболее комфортные условия для проведения расшифровки. К их числу относятся:
· правильная полярность сигнала;
· минимальное значение постоянной составляющей (смещения нулевой линии);
· оптимальное соответствие уровня сигнала динамическому диапазону аппаратуры.
Невыполнение этих требований значительно затрудняет, а порой исключает проведение качественной расшифровки дефектограммы. Так, при неверном выборе полярности форма сигналов меняется на противоположную. Это лишает расшифровщика привычной картины фоновых, не дефектоподобных сигналов, то есть той опорной системы графических символов, среди которых оператору необходимо выявлять сигналы от дефектов. В результате внимание расшифровщика в значительной мере отвлекается от решения основной задачи на распознавание необычного вида сигналов от стандартных, рутинных объектов рельсового пути. Эти трудности усугубляются и тем, что искомые сигналы от дефектов принимают непривычный, перевернутый вид. Но даже и такая затрудненная расшифровка становится фактически невозможной, если у оператора отсутствуют сведения о том, какая полярность – правильная или неправильная – имеет место в данный момент. А такая ситуация вполне может случиться при обработке бесстыкового участка пути без сигналов от болтовых стыков, которые обычно служат индикаторами правильности выбора полярности. В качестве примера на рис.1 показан фрагмент записи сигналов с неверно выбранной полярностью на обеих нитках.
Рис. 1. Сигналы с неправильной полярностью
Наличие в сигнале значительного уровня постоянной составляющей зачастую является следствием нестабильности или недостаточной точности настройки режима работы АЦП, обслуживающего МК. Смещение нуля может привести к искажению сигналов из-за нарушения симметричности динамического диапазона для импульсов положительной и отрицательной полярности. Эти случаи чаще встречаются при использовании АЦП с повышенной разрядностью, но нередки и при 8-разрядном АЦП. Иллюстрацией к последнему служит рис.2, где сверху показан случай сравнительно небольшого смещения нулевой линии, а снизу случай критического смещения, не совместимого с нормальным режимом работы канала.
Рис. 2. Сигналы со смещением нулевой линии
Эффективное использование потенциальных возможностей динамического диапазона МК существенно зависит от выбора оператором необходимого коэффициента усиления в аналоговой части МК. Проблема заключается в том, что при выявлении в потоке информации сигналов от дефектов в принципе возможны две стратегии. Одна сориентирована, главным образом, на поиск слаборазвитых дефектов, сигнал от которых мал и едва превышает заданный порог (например, уровень 1.5ап, то есть 1.5 амплитуды ап подкладочного процесса). При этом коэффициент усиления выбирают таким, чтобы были отчетливо видны нюансы формы сигналов от шпальных подкладок, сварок, неопасных поверхностных повреждений головки рельсов. В результате значительному искажению могут подвергнуться сигналы не только от стыкового зазора, но также и от стыковых накладок (рис.3). Такой же участи могут удостоиться и сигналы от развитых дефектов, что может затруднить их идентификацию (рис.4).
При другой стратегии видимый на экране уровень подкладочного процесса и шумовой составляющей стремятся минимизировать, как бы приглушить. На этом, сравнительно чистом фоне более четко выделяются регулярные последовательности сигналов от стыков и сварок (рис.5), среди которых оператору легче заметить сигнал, выпадающий из регулярной сетки, что является одним из первичных признаков дефектоподобности. Однако при этом существует опасность необнаружения (пропуска) сигнала от слаборазвитого дефекта или дефекта с достаточно большой площадью поражения, но залегающего на предельной глубине обнаружения.
Рис. 3. Нелинейные искажения сигнала от болтового стыка
Рис. 4. Нелинейные искажения сигнала от дефекта
Рис. 5. Сигнал при недостаточном коэффициенте усиления
Из этих примеров видно, что сбои в работе аппаратуры или ошибки оператора во время проезда весьма серьезно влияют на качество регистрации сигнала. Введение в ПАК НК дополнительной функции входного контроля качества поступающей информации позволило бы выявлять, а, следовательно, в дальнейшем предотвращать подобные сбои и ошибки.
С внедрением ПАК НК центр тяжести обязанностей операторов средств контроля, по существу, смещается с немедленной, в реальном времени расшифровки данных на обеспечение высокого качества регистрируемой дефектоскопической информации. Именно этот показатель, который можно назвать показателем безотказности, определяемый с помощью ПАК НК, может стать основным при оценке работы не только средств дефектоскопии, но и обслуживающего их персонала, что должно способствовать повышению эффективности контроля.
Под информативностью будем понимать способность данного средства контроля выдавать правильную информацию о дефектах, то есть обеспечивать максимальную (желательно 100%-ную) вероятность их обнаружения при минимальной вероятности ложных тревог. Известно, что для оценки указанной способности скоростных средств контроля предусмотрены так называемые испытательные тупики, в которые уложены специальные рельсы с естественными и искусственными дефектами. Однако испытания на них трудоемкие, дорогостоящие, требующие серьезного материального обеспечения. Поэтому им подвергаются, как правило, только головные образцы дефектоскопов.
В процессе эксплуатации дефектоскопов их магнитные каналы проверяют только на работоспособность с помощью встроенных средств тестирования. В практике работы сотрудников мобильных средств давно уже применяется приближенный, чисто качественный способ проверки чувствительности МК по регистрации такого объекта рельсового пути как сварной стык рельса. Он привлекает тем, что его можно использовать как непосредственно в процессе проезда при регистрации, так и при расшифровке, причем для этого не требуется никаких дополнительных затрат. Могут ли, действительно, зоны сварки послужить в качестве образцовых объектов для проверки чувствительности канала к дефектам – этот вопрос неоднократно возбуждался с той или иной степенью остроты с момента, когда взамен прежней П-образной системы намагничивания появились новые устройства намагничивания с использованием колес дефектоскопических (индукторных) тележек в качестве полюсов электромагнита (с размещением катушек на осях колесных пар).
Вопрос возник в связи с тем, что с их появлением нарушилось сложившееся ранее представление об амплитуде подкладочного процесса как опорном уровне, определяющим чувствительность магнитного канала к дефектам. Оказалось, что некоторые системы мобильного контроля оснащены намагничивающими устройствами, которые практически не дают сигналов от шпальных подкладок. А в других мобильных средствах системы намагничивания сконструированы так, что уровень ап многократно превышает прежний уровень, характерный для П-образных устройств намагничивания специализированных магнитных вагонов-дефектоскопов (МВД) [4]. И все это связано со значительной разницей в поле рассеяния этих устройств, от которого зависел уровень сигнала от подкладок.
В отличие от сигналов подкладок ап сигнал от зоны сварного стыка определяется не вспомогательным полем рассеяния намагничивающего устройства, а рабочим полем в рельсе, от величины которого непосредственно зависит способность магнитного канала обнаруживать дефекты. Как и дефект, этот сигнал имеет импульсную структуру, близкую по амплитудно-временным характеристикам к сигналу от поперечной трещины в средней стадии развития. Причем этот сигнал фиксируется регулярно, особенно на бесстыковом (сварном) участке пути, что представляет определенное удобство для работников мобильных средств как при настройке канала на нужную чувствительность, так и в последующем, при контроле этого параметра.
Доводов в пользу сигнала от сварки вполне достаточно, чтобы вопрос о способе контроля чувствительности МК в процессе эксплуатации был решен положительно. Однако на этом пути самым серьезным препятствием явился тот факт, что уровень сигнала от сварок не постоянен. Он колеблется в довольно значительных пределах, особенно если объединить в единый массив сварки бесстыкового пути и сварки стыкового участка, где часто используют иные технологии (ПРСМ), чем на рельсосварочных предприятиях (РСП). Причины этого разброса кроются в сложной, многослойной структуре зоны сварного стыка, обусловленной мощным термическим воздействием на эту зону в процессе сварочных работ. Нестабильность сигнала сварки вынуждает прибегать к статическим оценкам, которые требуют достаточно большого количества информации, то есть не могут быть использованы в реальном времени. Каковы эти оценки и как их можно использовать – результаты этого исследования, полученные с помощью ПАК НК, приводятся ниже.
Исследование заключалось в типизации образа сигнала от сварки с выявлением устойчивых в статистическом смысле параметров, характеризующих этот типизированный образ. Отметим, что под устойчивостью, стабильностью статистических характеристик в данном случае понимается близость друг к другу выборочных средних и законов распределения (гистограмм) той или иной характеристики в нескольких сериях данных. Причём эти данные берутся с различных участков рельсового пути в одном проезде, или в разных проездах, но с одним и тем же экземпляром МК, или, наконец, в разных проездах с разными экземплярами МК, но одной фирмы-изготовителя. Для достижения цели, по возможности, устранялось нежелательное влияние факторов, которые априори способны приводить к большому, неконтролируемому разбросу данных, в частности:
· сигналы от сварок, полученные от МК разных фирм, изучались отдельно;
· сигналы для анализа брались только с участков бесстыкового пути, чтобы иметь дело со сварками, максимально близкими по физико-химической структуре благодаря единой технологии их выполнения на РСП;
· отбирались такие участки, на которых скорость сканирования отличалась не более чем на 20%.
При изучении структуры полученных таким образом сигналов учитывались следующие параметры:
· количество импульсов, входящих в состав сигнала;
· порядок чередования знаков импульсов;
· протяженность и амплитудные характеристики отдельных импульсов и сигнала в целом.
В результате проведенных исследований установлено, что для МК комплексов АВИКОН-03 и Р-2000 все разнообразие форм сварочного сигнала можно условно свести к 4 основным типам. Они представлены на рис.6 и отличаются числом положительных и отрицательных импульсов. (Для аппаратуры Эхо-Комплекс фирмы ТВЕМА подобных типовых форм выделить не удалось из-за значительной зашумленности и нестабильности данных, имевшихся в нашем распоряжении).
Рис. 6. Типовые формы сигналов от сварок. Цифры снизу означают соотношение положительных и отрицательных экстремумов в данной форме
Для выделенных форм получены амплитудные и временные показатели и проведены их статистические исследования, в результате которых установлено, что, по крайней мере, два их них имеют статистику, обладающую вполне приемлемой устойчивостью. Это параметр τ24, определяющий расстояние между двумя положительными экстремумами и характеризующий условную протяженность объекта «сварка» и параметр Rсв 24 и Rсв для комплексов АВИКОН-03 (А) и Р-2000 (В). Там же приведены гистограммы для МВД-402 (С), построенные по полученным ранее данным. По оси абсцисс отложены интервалы абсолютных значений для τ24 в миллиметрах рельсового пути (мм р.п.) и относительных значений для Rсв (по отношению к суммарному уровню шума и подкладочного процесса). По оси ординат – относительные частости в %, характеризующие вероятность нахождения параметров в том или ином интервале.
Рис. 7. Гистограммы для параметров τ24 (слева) и Rсв (справа)
Из представленных графиков следует, что вероятностные характеристики как для параметра τ24 св обоих комплексов, различаясь в деталях, в целом все же схожи, что свидетельствует о близости конструктивных решений и технических характеристик их магнитных каналов.
Хотя имевшаяся в нашем распоряжении статистика по магнитному вагону-дефектоскопу («П»-образная система намагничивания) многократно уступала по объему статистикам по двум другим комплексам, тем не менее, и здесь между ними и по τ24 св наблюдается сходство, что является еще одним подтверждением того, что магнитные каналы совмещенных комплексов АВИКОН-03 и Р-2000 не уступают по способности выявлять такие объекты как сварка специализированному магнитному вагону-дефектоскопу.
Подчеркнем, что речь идет не просто о регистрации некого сигнала на фоне помех, а о регистрации сигнала сварки с воспроизведением его основных, наиболее устойчивых характерных параметров, таких как параметр τ24, которые принято называть классификационными. Именно поэтому можно отметить близость информационных характеристик МВД и магнитных каналов комплексов АВИКОН-03 и Р-2000. Проведенное исследование весьма убедительно показывает возможность использования сигналов сварных стыков бесстыкового пути для проверки информационной способности магнитного канала дефектоскопического комплекса. Многолетний опыт, который накоплен в этом отношении при работе МВД, целиком может быть использован при работе с магнитными каналами дефектоскопических комплексов Р-2000 и АВИКОН-03. При разработке новых магнитных каналов целесообразно помнить и применять на практике правило «если система может зарегистрировать статистически устойчивую форму сигнала сварки, значит, сможет обнаружить и идентифицировать сигналы от дефектов, даже на достаточно ранней стадии развития».
1. Марков А.А. Проблемы скоростной дефектоскопии железнодорожных рельсов, уложенных в путь. Журнал «Радиоэлектроника и связь». 1999, № 1(5) с. 23-38.
2. Метелкин А.П. Комплексное использование методов контроля – путь к повышению эффективности дефектоскопии рельсов. // В мире неразрушающего контроля, 2005, № 2 (28), с. 65 – 67.
3. Марков А.А., Кузнецова Е.А., Тарнягин Д.В., Епанешников Д.С. Повысить эффективность дефектоскопической информации. // Путь и путевое хозяйство, 2005, № 2, с. 26-28.
4. Кононов О.А., Осипов В.В., Кропотов А.О., Марков А.А. и др. Дефектоскопический комплекс магнитного вагона-дефектоскопа. // Путь и путевое хозяйство, 1997, № 10, с. 17-19.