鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究*

韓 雪，粟慧龍

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

在我國鐵路運(yùn)輸過程中，鋼軌探傷車對(duì)于保證運(yùn)輸?shù)陌踩跃哂蟹浅Ｖ匾囊饬x。鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)、軟件信息處理、傷損識(shí)別、輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)層面都可以被應(yīng)用。隨著技術(shù)水平的提升，相關(guān)檢測(cè)設(shè)備也在不斷增多，提升了自主化超聲系統(tǒng)在鋼軌探傷車中的應(yīng)用效果，對(duì)其拓展使用頻率，保證鐵路運(yùn)行的穩(wěn)定性和安穩(wěn)性等發(fā)揮了非常重要的作用。

1 鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)之間的對(duì)比

要想對(duì)鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)的功能及特性進(jìn)行驗(yàn)證，就需要做好對(duì)比工作，對(duì)目前正在應(yīng)用的系統(tǒng)與未來即將被使用的自動(dòng)化超聲系統(tǒng)之間的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。在具體的分析中可以利用實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，如安裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)具體的運(yùn)行情況進(jìn)行觀察，最終對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的收據(jù)和信息進(jìn)行收集和對(duì)比，這樣不僅方便了系統(tǒng)之間的對(duì)比分析，還能夠迅速地了解自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用的高超之處。

在鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，其電源是±70V 的雙電源，電源的模式要保證為恒壓空點(diǎn)模式。在對(duì)間距問題進(jìn)行掃查時(shí)，要對(duì)平均的人工傷損識(shí)別檢出概率、數(shù)據(jù)計(jì)算傳輸?shù)臅r(shí)效性、平均傷損的誤報(bào)概率等方面對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

數(shù)據(jù)的計(jì)算和傳輸時(shí)效性可以利用里程值和矯正點(diǎn)里程之間的偏差進(jìn)行測(cè)量。在具體的鋼軌傷損問題驗(yàn)證過程中，會(huì)利用到特征點(diǎn)里程和矯正點(diǎn)里程，對(duì)兩者之間的數(shù)值偏差問題進(jìn)行對(duì)比，對(duì)偏差數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行分析。如果數(shù)值比較小，則可以表明系統(tǒng)在信息與數(shù)據(jù)傳輸上存在延遲性小的問題；反之，則表明延遲性比較嚴(yán)重。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析之后可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化超聲系統(tǒng)要比現(xiàn)有系統(tǒng)的偏差值小，即鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)在數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸時(shí)效性上有更大的優(yōu)勢(shì)[1]。

1.1 間距掃查對(duì)比

在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析之后可以得出的結(jié)論，自主化系統(tǒng)的間距掃查與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比要小一些，而鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)超聲波的回波數(shù)量要比現(xiàn)有的系統(tǒng)回波數(shù)量多，這能夠提高鋼軌傷損的辨識(shí)率。

1.2 傷損識(shí)別對(duì)比

鋼軌傷損識(shí)別對(duì)比過程中，鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)可以對(duì)所有具有可疑性的超聲波群進(jìn)行判斷，將這些具有可疑性的超聲波群判斷為傷損。鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)的應(yīng)用，使傷損檢出率得到了提高，這樣錯(cuò)誤播報(bào)的概率就會(huì)降低很多。在這兩個(gè)有制約性的參數(shù)之間，自動(dòng)化、智能化的系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。因此，對(duì)鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行傷損對(duì)比分析，還需要對(duì)探輪的影響因素進(jìn)行排查，之后對(duì)相同的數(shù)據(jù)源進(jìn)行傷損識(shí)別。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在測(cè)定鋼軌探傷車的相關(guān)傷損問題時(shí)，需要進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)檢測(cè)，獲取10 次以上的數(shù)據(jù)信息之后將其進(jìn)行分組，之后再對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最終計(jì)算出傷損率和誤報(bào)率。在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析之后發(fā)現(xiàn)，鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)的傷損檢出率要高于現(xiàn)有系統(tǒng)，誤報(bào)率則低于現(xiàn)有系統(tǒng)[2]。

2 鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)建設(shè)

2.1 自主化超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上屬于新型結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的技術(shù)中采取了智能識(shí)別技術(shù)，重新設(shè)計(jì)了空間轉(zhuǎn)換技術(shù)，也可以控制計(jì)算機(jī)的顯示功能。在具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成中，其主要包括以下幾個(gè)方面：智能計(jì)算機(jī)識(shí)別技術(shù)、超聲波探輪技術(shù)、空間轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)以及里程校正鍵盤等。

在整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建中，主要應(yīng)用到了空間轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，具體包含以下幾種技術(shù)方式：發(fā)射接收板、接收板處理板、通道選擇板、聲程同步板、PXI 0 槽控制器技術(shù)。具體應(yīng)用情況如下：在信息接收上，接收板雖然相同，但是其具有各自獨(dú)立存在的超聲波傳輸通道，并且是利用數(shù)字器件進(jìn)行組合。模擬器件與數(shù)字器件實(shí)施完全分開的方式，能夠利用現(xiàn)有的數(shù)字技術(shù)為系統(tǒng)的更新升級(jí)提供便利[3]。

對(duì)于超聲波探輪的反饋回來的信號(hào)，工作人員會(huì)通過發(fā)射接收處理板對(duì)其實(shí)施過濾波處理，對(duì)增益進(jìn)行放大，之后發(fā)射接收處理板會(huì)對(duì)聲程進(jìn)行測(cè)量，會(huì)利用內(nèi)存存取的技術(shù)將結(jié)果傳輸給PXI 0 槽控制器，做好超聲波的回波定位，據(jù)此做好閘門內(nèi)的回波聲程轉(zhuǎn)換處理，使之與回波所對(duì)應(yīng)的軌道在一條水平線上，這樣超聲波回波定位之后的數(shù)據(jù)也會(huì)被傳輸?shù)街悄苡?jì)算機(jī)中，進(jìn)而做好傷損判斷與識(shí)別。采取這樣的方式，傷損識(shí)別之后的數(shù)據(jù)可以被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的顯示器中，之后由操作者對(duì)其進(jìn)行增益處理，發(fā)出控制指令，對(duì)閘門的寬度進(jìn)行控制，最后利用PXI 總線發(fā)送到發(fā)射接收處理板中，以此實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)增益的最大化。

2.2 自主化超聲系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1）數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。其主要分為三個(gè)不同的類型：一是每一個(gè)超聲通道各個(gè)檢測(cè)閘門的回波信號(hào)的聲程測(cè)量數(shù)據(jù)；二是超聲波的回波重定位數(shù)據(jù)；三是超聲波通道的參數(shù)控制。具體應(yīng)用情況如下：在自主化設(shè)計(jì)當(dāng)中一共有30 個(gè)超聲波通道，48 個(gè)檢測(cè)閘門，每一秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量大概在4MB 左右，而根據(jù)實(shí)時(shí)性方面的要求，每一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)需要進(jìn)行聲波測(cè)量，之后定位回波問題，做好相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的傳輸處理。因此，在采取自主化超聲系統(tǒng)的過程中，最重要的就是要利用分層結(jié)構(gòu)，即利用數(shù)據(jù)分層的方式對(duì)數(shù)據(jù)的總結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳輸與處理涉及的相關(guān)信息。在這個(gè)過程中涉及的閘門、回波生成測(cè)量等是非常多的，而且對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求相對(duì)更高，在具體的應(yīng)用中會(huì)使用到DMA 技術(shù)，之后利用該技術(shù)操控所有的超聲波通道參數(shù)，但是在操控中會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量不多，實(shí)時(shí)性的要求也比較低，因此采取的是PXI 總線傳輸?shù)姆绞絒4]。

2）超聲波回波定位。在實(shí)施中，所檢測(cè)到的超聲波信息與設(shè)備的角度、位置等有非常緊密的聯(lián)系，如果設(shè)備安裝不科學(xué)，就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)后所對(duì)應(yīng)的鋼軌位置存在不當(dāng)之處，這樣就無法很好地檢測(cè)出鋼軌中某一個(gè)特定的缺陷和問題，也就無法在每一次的超聲波檢測(cè)過程中檢查超聲波通道。因此，應(yīng)將每一次接收到的不同的超聲波通道回波的物理位置進(jìn)行拼合，重新對(duì)超聲波回波進(jìn)行定位處理。每一次超聲波測(cè)量和回波定位的計(jì)算時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間存在不同之處，如果相關(guān)人員要確定數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間等，要充分考慮到數(shù)據(jù)總線類型以及數(shù)據(jù)量的問題，對(duì)壓縮的空間進(jìn)行很好的控制，這樣在超聲波回波定位方面的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地減少。在利用發(fā)射接收板進(jìn)行處理時(shí)，超聲波回波定位的軟件會(huì)發(fā)揮自己的功能，給其開辟出一個(gè)DMA數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)域，在這個(gè)緩沖區(qū)域內(nèi)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分配和超聲波回波的重定位計(jì)算，之后再進(jìn)行拼合輸出，送到智能識(shí)別機(jī)器中進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證[5]。

3）傷損智能技術(shù)。該技術(shù)是在智能識(shí)別計(jì)算機(jī)上完成的，利用人工判斷損傷的經(jīng)驗(yàn)，采取決策樹的方法，開展具體的傷損識(shí)別判斷。首先，確定回波的位置，包括對(duì)軌頭、軌腰和軌底的判斷。其次，理論分析回波閘門，傷損類型不同，回波所出現(xiàn)的閘門情況也是不同的。再次，判斷回波的個(gè)數(shù)和走向。最后，判斷回波群及其周圍的信息。在利用鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)對(duì)鋼軌傷損進(jìn)行識(shí)別判斷的過程中，要利用相關(guān)程序?qū)Τ暬夭ò凑栈負(fù)苤g的疏密程度分割，將它們分割成多個(gè)回?fù)苋?，而每一個(gè)回波群需要根據(jù)其所在的位置進(jìn)入決策樹的第一層，第一層的節(jié)點(diǎn)是傷損的位置，理論上不會(huì)出現(xiàn)回波被過濾到的情況，最后采取回波閘門的方式將更加有效的回波過濾出來。在對(duì)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷時(shí)，要先判斷具有相對(duì)性規(guī)律的有效回波，主要是判斷其點(diǎn)數(shù)和走向，之后再對(duì)沒有規(guī)律、較為分散的閘門回波進(jìn)行確定。判斷第三層節(jié)點(diǎn)時(shí)，需對(duì)相鄰和周圍的回波群進(jìn)行判斷，重點(diǎn)判斷目前的回波群內(nèi)是否存在鋼軌探傷固有的特征。

我國關(guān)于超聲波自主化檢測(cè)技術(shù)在鋼軌探傷車當(dāng)中的應(yīng)用，在速度上實(shí)現(xiàn)了大幅度的提升，而且所使用的系統(tǒng)也均從國外引進(jìn)，先進(jìn)性極強(qiáng)。但是其在使用過程中也存在著一定的缺陷之處，具體內(nèi)容如下：第一，利用VME 總線對(duì)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行傳輸，之后根據(jù)數(shù)據(jù)量與總線之間傳輸能力的對(duì)比，分析超聲波的回波信號(hào)量，查找系統(tǒng)死機(jī)的原因；第二，超聲波信號(hào)的模擬與采集采用的是單元和數(shù)字化的方式，耦合性十分緊密，導(dǎo)致先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)無法被高效地應(yīng)用起來，進(jìn)而給系統(tǒng)維護(hù)造成不便，升級(jí)困難；第三，現(xiàn)在運(yùn)行的系統(tǒng)對(duì)于鋼軌損傷的識(shí)別還存在一定的不足之處，尤其是在鋼軌螺孔裂紋方面存在漏識(shí)別的情況。

3 結(jié)束語

綜上所述，文章從我國和世界鋼軌探傷車自主化超聲系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用與研究方向出發(fā)，對(duì)自主化超聲系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)之間進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)自主化超聲系統(tǒng)的具體構(gòu)建進(jìn)行了全面的探析，希望能夠通過實(shí)踐應(yīng)用和探究，強(qiáng)化自主超聲系統(tǒng)的地位，加速實(shí)現(xiàn)我國鋼軌探傷車的損傷智能識(shí)別方面的研究成效，這對(duì)于促進(jìn)我國鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展具有非常重要的推動(dòng)意義。