На правах рукописи

Кособоков Дмитрий Вячеславович

Методы и аппартно-программные средства систем принятия решений при ультразвуковом контроле транспортного металлопроката

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

2009 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Петербургский государ-ственный университет путей сообщения (ПГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дымкин Григорий Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, професор

Поляков Виталий Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент

Пашков Валерий Павлович

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

Защита состоится л 25 ноября 2009 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Да212.233.01 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 и сайте (

Автореферат разослан: л 20 октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Д.К. Шелест

Общая характеристика работы и ее актуальность

Железнодорожный транспорт является основополагающей частью транспортной системы России. Обеспечение безаварийной эксплуатации за счет своевременного обнаружения потенциально опасных дефектов обуславливает большой объем неразрушающего контроля (НК), проводимого на железнодорожном транспорте.

Наибольшему риску возникновения дефектов подвержены элементы верхнего строения пути - рельсы и элементы колесных пар, так как именно на них приходится основная нагрузка при эксплуатации. По данным ОАО РЖД в 2008 году подвергнуто НК более 176 тыс. бандажей (отбраковано 592 шт.), проконтролировано более 3,7 млн. км рельсового пути, в котором средствами НК выявлено более 34 тыс. критических дефектов. Основной объем НК выполняется методами ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии. С целью повышения достоверности результатов и снижения эксплуатационных расходов на проведение НК при производстве, ремонте и эксплуатации совместно с механизированными внедряются и автоматизированные системы УЗ контроля. С учетом применяемых методик УЗ контроля рельсы и ободья колес (бандажи) по соотношению поперечных размеров к протяженности вдоль траектории сканирования могут быть отнесены к длинномерным изделиям транспортного металлопроката.

Значительный вклад в развитие методологии автоматизированного УЗ контроля в нашей стране внесли такие ученые, как А.К.аГурвич, Н.П.аАлешин, В.М.аВеревкин, А.А.аМарков и ряд других. Следует отметить фундаментальные работы, выполненные отечественными учеными в области обработки сигналов в задачах радио- и гидролокации (А.А.аХаркевич, В.И.аТихонов, С.З.аКузьмин, В.А.аЗарайский). Также в настоящей работе учтены и получили дальнейшее развитие результаты исследований, выполненных по схожей тематике, в частности, представленные в работах Н.Ю.аСыч, В.Ф.аТарабрина, М.Н.аШилова.

Несмотря на высокую эффективность применения средств НК, полностью исключить отказы в эксплуатации не удается. Ежегодно происходит более ста изломов рельсов, в том числе и по дефектам, пропущенным по вине оператора. Основными причинами пропуска дефектов являются ошибки, которые допускаются операторами в процессе анализа результатов контроля. Переход к автоматическим системам оценки результатов УЗ контроля также не является идеальным решением, так как либо приводит к значительной перебраковке годных изделий, либо к необходимости проведения повторного ручного контроля отдельных сечений. Все это существенно увеличивает затраты на системы НК.

Эффективность систем автоматизированного и механизированного УЗ контроля может быть существенно повышена благодаря созданию и введению в средства НК систем автоматизированной обработки информации и принятия решений о качестве проконтролированного объекта - в этом и состоит актуальность настоящей работы.

Научная цель работы состоит в разработке аналитических и алгоритмических решений по выделению полезных сигналов с целью повышения информативности результатов УЗ контроля.

Практическая цель работы заключается в повышении эксплуатационной надежности и безопасности движения на железнодорожном транспорте за счет обеспечения достоверности результатов УЗ контроля путем создания и внедрения автоматизированной системы принятия решений с интегрированным модулем распознавания и классификации выявленных дефектов по типам.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

1. На основе анализа отечественных и зарубежных средств ультразвукового контроля, а также изучения методов распознавания образов и принятия решений обосновать принципы построения эффективных систем обеспечения принятия решений с интегрированным модулем распознавания типа выявленных дефектов.
2. Исследовать методы одномерной и двумерной обработки сигналов для повышения помехоустойчивости систем НК.
3. Исследовать информативные признаки последовательностей сигналов, регистрируемых современными автоматизированными и механизированными средствами УЗ контроля. Эвристически и алгоритмически сформировать обобщенные характеристики полезных сигналов и сигналов помех и отобрать наиболее информативные признаки, отвечающие требованиям физической объективности, помехоустойчивости, а также простой расчетной и аппаратурной реализации. Формализовать классы дефектов по их информативным признакам применительно к ответственным деталям железнодорожного пути и подвижного состава - рельсам и бандажам.
4. Обосновать алгоритмы и разработать адаптивную систему распознавания сигналов дефектов на фоне помех при автоматизированном и механизированном УЗ контроле транспортного металлопроката.
5. Реализовать системы обеспечения принятия решения в виде программного приложения на базе персонального компьютера; провести внедрение системы при расшифровке данных УЗ приемочного и эксплуатационного контроля транспортного металлопроката; обеспечить возможность долгосрочного хранения полных протоколов сигналов УЗ контроля.

Научная новизна

1. Принцип построения систем принятия решений при распознавании эхосигналов УЗ контроля, включающий трехэтапную процедуру обработки сигналов: повышение отношения сигнал-помеха; распознавание эхосигналов от дефектов и от конструктивных отражателей; классификация сигналов от дефектов различного типа в соответствии с действующими нормативными документами.
2. Метод повышения отношения сигнал-помеха, основанный на двухпараметровой обработке сигналов. Метод учитывает пространственную корреляцию между сигналами от несплошностей и предназначен для подавления электрических и акустических импульсных помех.
3. Набор информативных признаков, базирующихся на измерении условных размеров дефектов и пространственной формы эхосигналов, необходимых и достаточных для построения алгоритмов классификации эхосигналов при УЗ контроле изделий металлопроката.
4. Система распознавания эхосигналов от дефектов различного типа, построенная на основе метода статистического анализа с возможностью ее обучения в процессе эксплуатации по результатам дефектоскопирования и экспертных оценок качества объектов с целью повышения достоверности УЗ контроля.
5. Метод снижения избыточности информации сигналов УЗ контроля при длительном хранении протоколов контроля на основе дискретного преобразования Фурье.

Практическая значимость работы. На основании теоретических и экспериментальных результатов диссертационной работы создана инженерная методика для разработки и введения в системы автоматизированного и механизированного УЗ контроля металлопродукции различного назначения систем принятия решений оператором.

Разработаны и внедрены системы принятия решения, обеспечивающие повышение достоверности результатов контроля, что позволило сократить объем вторичного контроля и уменьшить задержку на выдачу решения о годности ОК. Применение таких систем позволило снизить затраты на контроль и одновременно повысить эксплуатационную надежность и безопасность движения на железнодорожном транспорте.

Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертационной работе принципы и алгоритмы распознавания реализованы в программном обеспечении к регистраторам УР-3Р (на сети железных дорог России используется более 1000 шт.) рельсового дефектоскопа РДМ-2, а также в установке ультразвукового контроля железнодорожных бандажей УКБ-1Д, действующей в составе линии приемочного контроля Колесобандажного цеха Нижнетагильского металлургического комбината.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре Методы и приборы неразрушающего контроля ПГУПС в лекционных занятиях по курсу Обнаружение и фильтрация сигналов в неразрушающем контроле.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Автоматизированная система принятия решений при УЗ контроле длинномерных объектов, включающая трехэтапную процедуру обработки эхосигналов: повышение отношения сигнал-помеха; распознавание эхосигналов от дефектов и от конструктивных отражателей; классификация сигналов от дефектов различного типа.
2. Метод двухпараметровой фильтрации эхосигналов как эффективный способ подавления импульсных электрических и акустических помех при автоматизированном УЗ контроле изделий металлопроката.
3. Методика построения алгоритмов классификации эхосигналов от дефектов различного типа при УЗ контроле изделий металлопроката на базе измеряемых условных размеров дефектов и предложенной в работе пространственной формы эхосигнала.
4. Система обеспечения принятия решений оператором при УЗ контроле длинномерных изделий металлопроката.
5. Алгоритм уменьшения избыточности информации в сигналах УЗ контроля, построенный на основе дискретного преобразования Фурье.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

• 43-й Всероссийской научно-практической конференции Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности, г. Хабаровск, 22-23 октября 2003 г.
• XVII (2000г.) и XIX (2007г.) Петербургских научно-технических конференциях Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций;
• VII Международной конференции Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности, г. Москва, 11-13 марта 2008 г.
• XVIII Всероссийской научно-технической конференции Неразрушающий контроль и техническая диагностика, г. Нижний Новгород, 29 сентября - 03 октября 2008 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах, включающих 5 статей в сборниках научных трудов и журналах, в том числе 1 статья в издании из списка ВАК, 4 публикации в сборниках конференций.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы, включающего 105 наименований. Объем работы составляет 154 страницы основного текста, 75 рисунков и 25 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований. Дается общая характеристика диссертационной работы, приведены признаки научной новизны и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе выполнен анализ алгоритмов, средств и опыта применения систем автоматизированной обработки сигналов от дефектов при ультразвуковом контроле объектов железнодорожного транспорта. Изучены созданные в России и за рубежом автоматизированные установки приемочного и эксплуатационного контроля. Применение таких установок позволяет существенно повысить производительность, а также получить протокол контроля, подтверждающий соответствие характеристик изделия требованиям конструкторской документации. Показано, что дальнейшее совершенствование средств НК возможно за счет автоматизации принятия решения - минимизации степени влияния на решение о годности ОК субъективных факторов оператора. В большинстве установок НК реализован автоматический режим работы, в котором решение о годности изделия принимается без участия человека-оператора. Опыт эксплуатации установок УЗ контроля в таком режиме показал, что исключение человека из процесса принятия решения, при условии обеспечения гарантии непропуска дефекта, приводит к значительному увеличению процента перебраковки годных изделий. Причиной перебраковки является недостаточное совершенство применяемых алгоритмов обработки сигналов, в том числе и низкая информативность используемых признаков при классификации сигналов УЗ контроля. В рамках данной работы термином сигнал обозначается любой электрический импульс на входе приемного тракта, имеющий как электрическую, так и акустическую природу возникновения. Полезный сигнал отличается от помехи тем, что содержит информацию о свойствах отражателя.

Из изложенного следует, что практическая актуальность работы обусловлена необходимостью и возможностью повышения достоверности результатов ультразвукового контроля за счет наиболее полного использования информации о сигналах контроля. Эффективное объединение достоинств человека и машины, при взаимной компенсации их недостатков, реализуется в автоматизированных системах поддержки принятия решений (АСППР) оператором, построенных на основе алгоритмов распознавания.

Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что не существует унифицированных АСППР, применение которых позволило бы комплексу дефектоскоп-оператор решить задачу распознавания сигналов при УЗ контроле любых изделий по любой методике. Это обуславливает актуальность создания специализированной системы распознавания сигналов как составной части АСППР при УЗ контроле изделий металлопроката.

Разрабатываемая система распознавания должна учитывать следующие особенности: измеряемые характеристики сигналов УЗ контроля не являются детерминированными и различаются по степени информативности; классификация дефектов по типам выполняется в условиях ограниченного времени на принятие решения.