物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)在鋼軌焊縫超聲檢測中的應(yīng)用

劉 平，高天驍,曹燕亮，吳錦湖

(1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 肅寧分公司，肅寧 062350 2.汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司，汕頭 515041)

隨著我國高鐵的高速發(fā)展，無縫鋼軌線路不斷延伸，鋼軌焊接接頭的數(shù)量迅猛增加，而焊縫傷損的占比也在逐年提升，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，焊縫傷損已成為高速鐵路區(qū)間正線最主要的傷損之一。朔黃鐵路肅寧分公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，其區(qū)間鋼軌焊縫重傷總占比已經(jīng)超過50%，這些缺陷如不及時(shí)檢出，會(huì)逐漸發(fā)展成疲勞裂紋，并可能造成鋼軌折斷，釀成重大交通事故。加強(qiáng)鋼軌焊縫的檢測，是減少斷軌﹑確保鋼軌安全最直接有效的技術(shù)措施[1]。

目前，鋼軌焊縫檢測以超聲檢測為主，一般采用便攜式鋼軌焊縫超聲探傷儀或焊縫專用相控陣超聲檢測儀，人工對(duì)鋼軌焊縫接頭進(jìn)行周期性檢測[2]，并定期對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行全斷面檢測。該方法具有靈活機(jī)動(dòng)、準(zhǔn)確率高、可靠性好、可對(duì)傷損進(jìn)行精準(zhǔn)定位定量等優(yōu)勢；但鋼軌檢測線路長，檢測人員分散，隨著無縫鋼軌不斷延伸到各個(gè)地區(qū)，檢測任務(wù)的范圍不斷擴(kuò)大，這會(huì)給檢測工作的管理和檢測數(shù)據(jù)的處理帶來諸多不便。如何將這些流動(dòng)性大，作業(yè)區(qū)域分散，安全責(zé)任重大的超聲檢測作業(yè)集中管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳以集中歸檔、分析、處理、存儲(chǔ)和追溯等，成為當(dāng)前鋼軌焊縫超聲檢測急需解決的問題。而物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的繁榮發(fā)展使這種問題逐步得到解決[3]。

1 物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)在鋼軌焊縫超聲檢測中的實(shí)現(xiàn)及其功能

1.1 物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)在鋼軌焊縫超聲檢測中的實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的鋼軌焊縫超聲檢測中的實(shí)現(xiàn)框架如圖1所示，檢測現(xiàn)場感知層中的檢測現(xiàn)場由超聲檢測系統(tǒng)、攝像設(shè)備、移動(dòng)電話等組成；網(wǎng)絡(luò)層由通訊網(wǎng)絡(luò)、WiFi等組成；信息處理層由服務(wù)器、云服務(wù)統(tǒng)一接口和第三方云服務(wù)系統(tǒng)等組成，應(yīng)用層包括云管理和專用軟件等功能模塊，這些功能模塊可以通過實(shí)踐不斷優(yōu)化，也可以根據(jù)不同時(shí)期或不同用戶的情況增加或減少。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)在鋼軌焊縫超聲檢測中的實(shí)現(xiàn)框架

檢測現(xiàn)場感知層可獲得現(xiàn)場場景和檢測數(shù)據(jù)，是融合物理世界和信息世界的重要一環(huán)，檢測過程中檢測隊(duì)伍對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行超聲檢測并獲得檢測數(shù)據(jù)，由攝像設(shè)備獲取作業(yè)現(xiàn)場的場景，檢測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場場景由移動(dòng)電話等通過網(wǎng)絡(luò)層上傳。

網(wǎng)絡(luò)層采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，是全面、隨時(shí)、隨地傳輸信息的有效平臺(tái)，具有高速、實(shí)時(shí)、高覆蓋率的特點(diǎn)。也可以采用WiFi技術(shù)，該技術(shù)具有覆蓋范圍較廣、傳輸速度較快、高速可靠廉價(jià)且不受設(shè)備位置限制等特點(diǎn)。

信息處理層具有強(qiáng)大的紐帶作用，其作用是高效、穩(wěn)定、及時(shí)、安全地傳輸上下層的數(shù)據(jù)并有效地整合與利用數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)、檢索、使用等問題。信息處理層應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要采用成熟的第三方基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)施，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的云服務(wù)，如通過阿里云存儲(chǔ)平臺(tái)、阿里數(shù)據(jù)庫等存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將騰訊直播平臺(tái)等作為視頻直播平臺(tái)。

應(yīng)用層依據(jù)鋼軌焊縫檢測的需求設(shè)定各應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)鋼軌焊縫檢測的現(xiàn)場云直播、云仿真、云存儲(chǔ)、云分析、云管理、和SUPOR UP專用軟件應(yīng)用等功能。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)在鋼軌焊縫超聲檢測中的功能

1.2.1 云直播

鋼軌焊縫檢測現(xiàn)場可以實(shí)現(xiàn)全程錄制，云平臺(tái)可將錄制場景實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫?，在所有的服?wù)端，無論何時(shí)何地均可以直播檢測現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與服務(wù)端的無縫對(duì)接，管理中心人員能夠通過直播發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場存在的問題或安全隱患，及時(shí)糾正現(xiàn)場的非正規(guī)作業(yè)，保證作業(yè)質(zhì)量，確保人員和財(cái)產(chǎn)的安全，為鋼軌焊縫檢測現(xiàn)場的安全及質(zhì)量保證提供及時(shí)的專業(yè)管理和技術(shù)指導(dǎo)。

1.2.2 云仿真

云仿真主要有以下作用：① 實(shí)現(xiàn)探頭和楔塊的聲場或聲束仿真，以此設(shè)計(jì)符合檢測需求的探頭和楔塊；② 對(duì)檢測對(duì)象進(jìn)行聲場和聲束覆蓋仿真，確定檢測工藝；③ 生成與終端儀器匹配的設(shè)置參數(shù)，提高檢測效率。

云仿真主要有以下特點(diǎn)：① 仿真軟件包括第三方仿真軟件(如CIVA)和自行開發(fā)的鋼軌焊接接頭仿真軟件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測要求，擇優(yōu)使用；② 用戶可通過客戶終端的個(gè)人計(jì)算機(jī)和智能手持設(shè)備等訪問和使用仿真軟件，仿真結(jié)果可共享；③ 通過超聲設(shè)備登錄云服務(wù)器后可下載使用仿真結(jié)果和儀器設(shè)置參數(shù)。

1.2.3 云存儲(chǔ)

云存儲(chǔ)主要有以下特點(diǎn):① 支持多種類型文件的存儲(chǔ)，包括儀器設(shè)置參數(shù)文件、圖片文件、大型的全程記錄文件等。存儲(chǔ)管理支持按照一定屬性自動(dòng)歸檔和多屬性歸檔，如按照儀器型號(hào)、儀器編號(hào)、檢測項(xiàng)目、操作人員、檢測日期、文件類型等進(jìn)行歸檔。歸檔設(shè)置與用戶綁定，作為用戶自定義屬性進(jìn)行管理；② 支持通過超聲設(shè)備或用戶端進(jìn)行各類文件的上傳。用戶可以在用戶終端對(duì)文件進(jìn)行再編輯，如執(zhí)行文件名稱修改、信息補(bǔ)充、共享、刪除等操作。編輯權(quán)限僅限于上傳人員，其他人員只有查看權(quán)限，如由普通用戶上傳，對(duì)應(yīng)的超級(jí)用戶只有查看權(quán)限。③ 用戶使用客戶終端登錄云服務(wù)器后可下載和查看權(quán)限內(nèi)的文檔。參數(shù)文件、圖片文件可打開閱讀詳細(xì)內(nèi)容，全程記錄文件可流暢播放，播放功能包括啟動(dòng)、停止、速度設(shè)置、快速定位、幀提取、放大、多視圖同步等功能。

1.2.4 云分析

云分析主要有以下特點(diǎn)：① 云分析包括數(shù)據(jù)的測量、處理、統(tǒng)計(jì)、生成檢測報(bào)告和檢索等。用戶在客戶終端登錄云服務(wù)器后，可以對(duì)存儲(chǔ)的文件進(jìn)行相應(yīng)的操作。測量過程可進(jìn)行標(biāo)記，測量結(jié)果可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查看和刪除。所有操作過程必須保證對(duì)原始存檔不做任何改變。② 可登錄云服務(wù)器后，對(duì)存檔文件進(jìn)行再處理，以便突出檢測結(jié)果的某些特征。③ 使用用戶終端登錄云服務(wù)器后，可對(duì)存檔內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同系列的超聲設(shè)備統(tǒng)計(jì)方案不同。統(tǒng)計(jì)涵蓋的范圍也與用戶權(quán)限相關(guān)聯(lián)，并具備一定的管理功能，如超級(jí)用戶可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一定權(quán)限的審批?？稍O(shè)計(jì)生成滿足管理需求和技術(shù)需求的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，如對(duì)設(shè)備使用率、操作人、時(shí)間、地點(diǎn)、工件厚度、信號(hào)幅度、缺陷當(dāng)量、缺陷數(shù)量、工件個(gè)數(shù)、里程等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。④ 經(jīng)過分析處理的檢測數(shù)據(jù)可以在云端采用網(wǎng)頁或其他格式生成檢測報(bào)告，檢測報(bào)告可歸檔管理，可打印，且檢測報(bào)告的格式可自定義。⑤ 云分析功能支持對(duì)存檔和結(jié)果進(jìn)行快速查詢，且支持模糊搜索。如使用文件名、存儲(chǔ)日期、操作者、文件類型、設(shè)備序列號(hào)、項(xiàng)目、檢測對(duì)象名稱等進(jìn)行檢索。

1.2.5 云管理

云管理主要包括以下內(nèi)容。

(1) 人員權(quán)限劃分。需要根據(jù)云服務(wù)平臺(tái)覆蓋的范圍，對(duì)注冊進(jìn)入云平臺(tái)的人員進(jìn)行權(quán)限劃分，規(guī)范各類人員的職責(zé)和權(quán)限?？梢詣?chuàng)建企業(yè)內(nèi)部的用戶、角色、權(quán)限、組織和流程等，也可按照企業(yè)使用云服務(wù)的需要建立一套自己的管理系統(tǒng)。

(2) 工作計(jì)劃制定和發(fā)布。根據(jù)公司制定的年度檢測計(jì)劃，編制各作業(yè)組的月度檢測工作計(jì)劃，發(fā)布各檢測作業(yè)組的行動(dòng)計(jì)劃和日檢測進(jìn)度。提出科學(xué)、合理的檢測周期建議并上報(bào)上級(jí)運(yùn)輸生產(chǎn)部主管，負(fù)責(zé)檢測質(zhì)量和作業(yè)安全，確保檢測任務(wù)完成。

(3) 加強(qiáng)檢測作業(yè)過程的監(jiān)控和分析，對(duì)檢測儀記錄的數(shù)據(jù)、波形做到當(dāng)日分析，發(fā)現(xiàn)可疑波形后應(yīng)按要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成復(fù)核。

(4) 應(yīng)對(duì)檢測數(shù)據(jù)和鋼軌的傷損情況每周、每月進(jìn)行一次分析，找準(zhǔn)斷軌的原因，制訂有效的防范措施。

(5) 設(shè)備管理。包括檢測儀、配件、試塊和檢修設(shè)備臺(tái)賬等。

(6) 設(shè)備維護(hù)?？稍诳蛻艚K端或超聲設(shè)備端獲得軟件升級(jí)、功能激活、故障診斷等服務(wù)。用戶使用客戶端登錄云服務(wù)器，可以獲得用戶關(guān)聯(lián)和關(guān)注產(chǎn)品的軟件升級(jí)信息，并可進(jìn)行下載操作；也可以獲得用戶關(guān)聯(lián)和關(guān)注產(chǎn)品的選購功能信息，并可進(jìn)行激活操作。當(dāng)超聲設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，用戶可使用超聲設(shè)備登錄云服務(wù)器并發(fā)出診斷需求，設(shè)備服務(wù)商可實(shí)時(shí)接收用戶提出的需求，并安排技術(shù)支持人員實(shí)時(shí)在線對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷與修復(fù)，從而有效地提升設(shè)備維護(hù)的響應(yīng)速度。

(7) 技術(shù)交流與支持。交流與支持平臺(tái)為“論壇”形式，劃分為多個(gè)功能板塊:① 信息發(fā)布的新聞版塊，使用戶可以及時(shí)了解行業(yè)內(nèi)的新聞動(dòng)態(tài)；② 用戶討論的版塊，提供操作支持文字圖像等，用戶可以在討論區(qū)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流；③ 專家版塊，業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)豐富的知名專家可在這個(gè)版塊中提供檢測方案設(shè)計(jì)，針對(duì)疑難復(fù)雜的檢測結(jié)果，提供技術(shù)支持等。

1.2.6 SUPOR UP專用軟件

上位機(jī)的SUPOR UP專用軟件可以根據(jù)檢測對(duì)象進(jìn)行仿真并確定合適的檢測工藝，指引檢測人員的操作，檢測儀的檢測數(shù)據(jù)也可以在上位機(jī)的SUPOR UP軟件中進(jìn)行分析、評(píng)圖、缺陷測量、直接生成檢測報(bào)告等處理。

2 物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)在鋼軌焊縫超聲檢測中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 云項(xiàng)目的建立

筆者通過云技術(shù)平臺(tái)，建立朔黃鐵路鋼軌焊縫檢測項(xiàng)目，對(duì)項(xiàng)目中參與人員進(jìn)行組織管理，各成員之間在項(xiàng)目中各司其職，確保現(xiàn)場檢測結(jié)果的及時(shí)反饋、分析和檢測結(jié)果的及時(shí)上傳，云項(xiàng)目的建立界面如圖2所示。

圖2 云項(xiàng)目的建立界面

2.2 通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格鋼軌焊縫檢測參數(shù)共享

鋼軌有38#、43#、50#、60#、75#等5種類型，每種鋼軌焊縫需對(duì)軌頭、軌腰、軌底各部位分別進(jìn)行檢測，檢測工藝一致，因此，云平臺(tái)應(yīng)儲(chǔ)備有各種規(guī)格的檢測參數(shù)，檢測人員現(xiàn)場作業(yè)過程中，可通過云平臺(tái)隨時(shí)下載云端的軌型檢測參數(shù)文件，各種類型鋼軌焊縫檢測參數(shù)下載界面如圖3所示。

圖3 各種類型鋼軌焊縫檢測參數(shù)下載界面

2.3 通過云平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)度查詢和檢測結(jié)果匯總

項(xiàng)目管理員可通過云平臺(tái)建立檢測項(xiàng)目任務(wù)和進(jìn)度，對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)匯總已檢測焊縫數(shù)量，并對(duì)檢測項(xiàng)目合格率進(jìn)行計(jì)算，參與項(xiàng)目人員可隨時(shí)通過云平臺(tái)客戶端或手機(jī)端對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行瀏覽，及時(shí)跟進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)展情況。

2.4 云直播

全程錄制的各個(gè)鋼軌焊縫檢測現(xiàn)場可通過云平臺(tái)傳送到管理中心，在管理中心，技術(shù)及管理人員可實(shí)時(shí)直播或查看某個(gè)檢測現(xiàn)場，同時(shí)下載各現(xiàn)場的檢測數(shù)據(jù)，通過SUPOR UP上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)分析，可及時(shí)為鋼軌焊縫檢測現(xiàn)場的安全和檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析提供指導(dǎo)。

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)已經(jīng)在朔黃鐵路公司鋼軌的焊縫檢測中得到應(yīng)用，并且取得了一些成效，今后應(yīng)通過更多的實(shí)踐，加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的深入了解，積累經(jīng)驗(yàn)，逐漸改變以往的管理模式，以更加優(yōu)質(zhì)、高效、快速地完成檢測。同時(shí)，積累和分析各種鋼軌的檢測數(shù)據(jù)，建立各種傷損與檢測數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，為智能分析檢測數(shù)據(jù)提供有力的依據(jù)，推動(dòng)云檢測智能化的發(fā)展。