钢轨探伤车自主化超声系统关键技术研究*

韩 雪，粟慧龙

（1.湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412000；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412000）

在我国铁路运输过程中，钢轨探伤车对于保证运输的安全性具有非常重要的意义。钢轨探伤车自主化超声系统在硬件设计、软件信息处理、伤损识别、辅助设计等多个层面都可以被应用。随着技术水平的提升，相关检测设备也在不断增多，提升了自主化超声系统在钢轨探伤车中的应用效果，对其拓展使用频率，保证铁路运行的稳定性和安稳性等发挥了非常重要的作用。

1 钢轨探伤车自主化超声系统与现有系统之间的对比

要想对钢轨探伤车自主化超声系统的功能及特性进行验证，就需要做好对比工作，对目前正在应用的系统与未来即将被使用的自动化超声系统之间的运行情况进行分析。在具体的分析中可以利用实验的方式进行，如安装实验系统，对系统具体的运行情况进行观察，最终对两个系统的收据和信息进行收集和对比，这样不仅方便了系统之间的对比分析，还能够迅速地了解自动化系统应用的高超之处。

在钢轨探伤车自主化超声系统的应用中发现，其电源是±70V 的双电源，电源的模式要保证为恒压空点模式。在对间距问题进行扫查时，要对平均的人工伤损识别检出概率、数据计算传输的时效性、平均伤损的误报概率等方面对两个系统进行对比分析。

数据的计算和传输时效性可以利用里程值和矫正点里程之间的偏差进行测量。在具体的钢轨伤损问题验证过程中，会利用到特征点里程和矫正点里程，对两者之间的数值偏差问题进行对比，对偏差数据的大小进行分析。如果数值比较小，则可以表明系统在信息与数据传输上存在延迟性小的问题；反之，则表明延迟性比较严重。经过实验对比分析之后可以发现，自动化超声系统要比现有系统的偏差值小，即钢轨探伤车自主化超声系统在数据计算和传输时效性上有更大的优势[1]。

1.1 间距扫查对比

在经过实验的对比分析之后可以得出的结论，自主化系统的间距扫查与现有的系统相比要小一些，而钢轨探伤车自主化超声系统超声波的回波数量要比现有的系统回波数量多，这能够提高钢轨伤损的辨识率。

1.2 伤损识别对比

钢轨伤损识别对比过程中，钢轨探伤车自主化超声系统可以对所有具有可疑性的超声波群进行判断，将这些具有可疑性的超声波群判断为伤损。钢轨探伤车自主化超声系统的应用，使伤损检出率得到了提高，这样错误播报的概率就会降低很多。在这两个有制约性的参数之间，自动化、智能化的系统应用优势会更加明显。因此，对钢轨探伤车自主化超声系统和现有系统进行伤损对比分析，还需要对探轮的影响因素进行排查，之后对相同的数据源进行伤损识别。根据相关规定，在测定钢轨探伤车的相关伤损问题时，需要进行多次的数据检测，获取10 次以上的数据信息之后将其进行分组，之后再对每一个数据进行计算，最终计算出伤损率和误报率。在经过实验对比分析之后发现，钢轨探伤车自主化超声系统的伤损检出率要高于现有系统，误报率则低于现有系统[2]。

2 钢轨探伤车自主化超声系统建设

2.1 自主化超声检测系统结构

钢轨探伤车自主化超声系统的结构设计上属于新型结构，在现有的技术中采取了智能识别技术，重新设计了空间转换技术，也可以控制计算机的显示功能。在具体的结构构成中，其主要包括以下几个方面：智能计算机识别技术、超声波探轮技术、空间转换计算机以及里程校正键盘等。

在整体结构的构建中，主要应用到了空间转换计算机处理技术，具体包含以下几种技术方式：发射接收板、接收板处理板、通道选择板、声程同步板、PXI 0 槽控制器技术。具体应用情况如下：在信息接收上，接收板虽然相同，但是其具有各自独立存在的超声波传输通道，并且是利用数字器件进行组合。模拟器件与数字器件实施完全分开的方式，能够利用现有的数字技术为系统的更新升级提供便利[3]。

对于超声波探轮的反馈回来的信号，工作人员会通过发射接收处理板对其实施过滤波处理，对增益进行放大，之后发射接收处理板会对声程进行测量，会利用内存存取的技术将结果传输给PXI 0 槽控制器，做好超声波的回波定位，据此做好闸门内的回波声程转换处理，使之与回波所对应的轨道在一条水平线上，这样超声波回波定位之后的数据也会被传输到智能计算机中，进而做好伤损判断与识别。采取这样的方式，伤损识别之后的数据可以被传输到计算机的显示器中，之后由操作者对其进行增益处理，发出控制指令，对闸门的宽度进行控制，最后利用PXI 总线发送到发射接收处理板中，以此实现超声波信号增益的最大化。

2.2 自主化超声系统关键技术

1）数据传输技术。其主要分为三个不同的类型：一是每一个超声通道各个检测闸门的回波信号的声程测量数据；二是超声波的回波重定位数据；三是超声波通道的参数控制。具体应用情况如下：在自主化设计当中一共有30 个超声波通道，48 个检测闸门，每一秒钟产生的数据总量大概在4MB 左右，而根据实时性方面的要求，每一个测量周期内需要进行声波测量，之后定位回波问题，做好相关数据和信息的传输处理。因此，在采取自主化超声系统的过程中，最重要的就是要利用分层结构，即利用数据分层的方式对数据的总结构进行设计，传输与处理涉及的相关信息。在这个过程中涉及的闸门、回波生成测量等是非常多的，而且对于实时性的要求相对更高，在具体的应用中会使用到DMA 技术，之后利用该技术操控所有的超声波通道参数，但是在操控中会发现数据量不多，实时性的要求也比较低，因此采取的是PXI 总线传输的方式[4]。

2）超声波回波定位。在实施中，所检测到的超声波信息与设备的角度、位置等有非常紧密的联系，如果设备安装不科学，就会导致检测后所对应的钢轨位置存在不当之处，这样就无法很好地检测出钢轨中某一个特定的缺陷和问题，也就无法在每一次的超声波检测过程中检查超声波通道。因此，应将每一次接收到的不同的超声波通道回波的物理位置进行拼合，重新对超声波回波进行定位处理。每一次超声波测量和回波定位的计算时间和数据传输时间存在不同之处，如果相关人员要确定数据的传输时间等，要充分考虑到数据总线类型以及数据量的问题，对压缩的空间进行很好的控制，这样在超声波回波定位方面的时间也会相应地减少。在利用发射接收板进行处理时，超声波回波定位的软件会发挥自己的功能，给其开辟出一个DMA数据的缓冲区域，在这个缓冲区域内可以对数据进行相应的分配和超声波回波的重定位计算，之后再进行拼合输出，送到智能识别机器中进行识别验证[5]。

3）伤损智能技术。该技术是在智能识别计算机上完成的，利用人工判断损伤的经验，采取决策树的方法，开展具体的伤损识别判断。首先，确定回波的位置，包括对轨头、轨腰和轨底的判断。其次，理论分析回波闸门，伤损类型不同，回波所出现的闸门情况也是不同的。再次，判断回波的个数和走向。最后，判断回波群及其周围的信息。在利用钢轨探伤车自主化超声系统对钢轨伤损进行识别判断的过程中，要利用相关程序对超声回波按照回拨之间的疏密程度分割，将它们分割成多个回拨群，而每一个回波群需要根据其所在的位置进入决策树的第一层，第一层的节点是伤损的位置，理论上不会出现回波被过滤到的情况，最后采取回波闸门的方式将更加有效的回波过滤出来。在对第二个节点进行判断时，要先判断具有相对性规律的有效回波，主要是判断其点数和走向，之后再对没有规律、较为分散的闸门回波进行确定。判断第三层节点时，需对相邻和周围的回波群进行判断，重点判断目前的回波群内是否存在钢轨探伤固有的特征。

我国关于超声波自主化检测技术在钢轨探伤车当中的应用，在速度上实现了大幅度的提升，而且所使用的系统也均从国外引进，先进性极强。但是其在使用过程中也存在着一定的缺陷之处，具体内容如下：第一，利用VME 总线对数据和信息进行传输，之后根据数据量与总线之间传输能力的对比，分析超声波的回波信号量，查找系统死机的原因；第二，超声波信号的模拟与采集采用的是单元和数字化的方式，耦合性十分紧密，导致先进的数字处理技术无法被高效地应用起来，进而给系统维护造成不便，升级困难；第三，现在运行的系统对于钢轨损伤的识别还存在一定的不足之处，尤其是在钢轨螺孔裂纹方面存在漏识别的情况。

3 结束语

综上所述，文章从我国和世界钢轨探伤车自主化超声系统技术的应用与研究方向出发，对自主化超声系统与现有系统之间进行了对比，对自主化超声系统的具体构建进行了全面的探析，希望能够通过实践应用和探究，强化自主超声系统的地位，加速实现我国钢轨探伤车的损伤智能识别方面的研究成效，这对于促进我国铁路运输事业的发展具有非常重要的推动意义。