CC BY
26
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 620.179
С. С. Сергеев, канд. техн. наук, доц., Е. И. Марукович, чл. корр. НАН Беларуси, проф., А. П. Марков, В. Ф. Гоголинский, канд. техн. наук, доц.
СПОСОБЫ И СТРУКТУРА ВИЗУАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОГО СКОПИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Рассматриваются особенности технологического контроля многопараметровых объектов с распределенными источниками технологической информации. Комбинированные способы и структуры пространственно-временного скопирования в линейных и пространственных координатах акустическими, оптическими и акустооптическими методами максимально адаптированы к таким задачам и условиям.
Введение
Оценка эксплуатационного состояния и управляемость сложными технологическими объектами связаны с наличием и качеством оперативной информации. В первичной информации проявляется реакция объекта на различные локальные и совокупные внешние воздействия различной физической природы. При этом формируется первичное сообщение о наличии и свойствах зарождающихся отклонений от нормированных технологических параметров и свойств. В информационном поле, присущем объекту, соответственно технологическому отклонению появляется некоторая неоднородность. С образованием такой неоднородности возникает источник информации с неопределенными пространственно-временным расположением и характеристиками. Случайное распределение таких источников в пространственных координатах неопределенных объектов создает дополнительные сложности по выявлению и абстрагированию их информационно-энергетических параметров. В системном распределении технологических отклонений и информационных неоднородностей и структурно-алгоритмическом объединении операций технологического контроля и мониторинга проявляется определенная направленность и последова-
тельность выполняемых функций с учетом стратегии, целей, внешних и внутренних многофакторных связей между задачами технологического объекта и его контролеспособностью.
Источники и структура технологической информации
Разнообразие многофакторных зависимостей, характерных для любого объекта, проявляется в многообразии первичной информации о его техническом состоянии. Важнейшей особенностью технологической информации является ее пространственно-временная изменчивость, в которой выражаются неоднородности анизотропных механических свойств и информационных характеристик. В оценке текущего состояния объектов существенную роль играют пространственно-временные зависимости между прямыми и обратными локальными связями в проявлении случайных технологических отклонений и их отображениями в источниках технологической информации. И здесь определяющее значение приобретают системные факторы проявления зарождающихся отклонений и оперативного выявления соответствующих информационных неоднородностей. Функциональные и корреляционные зависимости характе-
ристик проявляемых отклонений и выявляемых неоднородностей способствуют более рациональной адаптации аппаратных средств к реальным объектам, критериям и условиям эксплуатации [1].
Аппаратное обеспечение контроле-способности при создании новой техники, технологий и оборудования максимально учитывает современные достижения как в самой отрасли, так и в смежных областях. Но для существующих изделий и производств совершенствование технологий контроля носит приспособительный характер. Механический перенос способов и средств из других отраслей со схожими задачами не обеспечивает требуемой технико-экономической эффективности оперативного контроля реального объекта.
Разработка новых и совершенствование существующих технических средств и технологий наряду с менее затратными операциями параметровой постадийной коррекции, стабилизации и регулирования требует более затратных автоматизированных систем и информационно-
измерительных комплексов. Применимость комплексной автоматизации регламентируется технико-экономической эффективностью и затратностью технологического контроля. В переходе на более совершенные технологии особую проблему составляет адаптация аппаратного обеспечения в оценке состояния случайно распределенных многопараметровых источников технологической информации [2].
Технологическая проявляемость случайных отклонений с характерным низким энергетическим уровнем информационных неоднородностей (или вообще отсутствие информации из-за слабых физических полей) существенно ограничивает информационную выявляемость особенно зарождающихся дефектных зон. В целенаправленном сосредоточении и в пространственном распределении энергии информативных источников проявляется все многообразие задач и способов совершенствования технологического контроля. Безаварийная эксплуатация машин и механизмов, отдельных деталей,
узлов и целых инженерно-технических комплексов, объектов различных видов транспорта (в том числе и трубопроводного), энергетики, машиностроения и других отраслей связана с конструкторско-технологическими мероприятиями по обеспечению качества и надежности. В этих программах особое внимание уделяется анализу и своевременному выявлению источников и причин, обуславливающих дефекты, отказы и аварийные ситуации [3].
С усложнением изделий и технологий возрастает функциональная значимость технологического контроля, растут затраты на упреждение, прогнозирование и раннее выявление технологических отклонений до их проявления в виде дефектов и отказов. Достоверное выявление источников технологической информации существенно повышает эксплуатационную эффективность и надежность особенно сложных и ответственных объектов.
При случайном характере дефек-тообразования особую сложность представляет выявление распределенных в ограниченных зонах и участках или по всему объекту внутренних и наружных труднодоступных источников информации. В общепринятой идентификации макродефектов по их морфологическим и генетическим признакам определяющими являются:
- распределение по поверхности и сосредоточение по отдельным элементам конструкции;
- изменение микрорельефа и поперечных размеров в месте сосредоточения отклонений с единичным или групповым расположением;
- периодичность и статистические характеристики размеров дефектной зоны;
- наличие структурной и технологической неоднородности;
- изменение микроструктуры и формы поверхности в дефектной зоне.
Технологическая информация предполагает в общем случае формирование характерных признаков аномаль-
ного отклонения с последующим отображением в виде оптического изображения, доступного для непосредственного восприятия наблюдателем. При этом технологические особенности отклонений проявляются в эффектах формирования информационного контраста неоднородности в пространственно-однородной зоне. Совокупности разнородных величин и физико-технических параметров с их всевозможными аномальными отклонениями отображаются в соответствующей системе абстрагирования от материального объекта до формализованного образа. И в комплексе информационно-преобразовательных операций представляются все этапы трансформации технологической информации до ее удобозримого восприятия наблюдателем.
Особенности пространственно-временного восприятия технологической изменчивости одновременно с изменением информационного контраста (неоднородности) отражают всю информационнофизическую сущность способов и структуры технологического контроля. При этом характерные количественные и качественные особенности взаимодействия стимулирующих воздействий на объект проявляются в его реакции (обратная связь). В такой реакции информативные излучения от объекта абстрагируются в информационно-физические сигналы датчиков. Объекты технологической информации и их параметры изменяются как во времени, так и в пространственных координатах. Соответственно и абстрактные модели могут быть сосредоточенными и распределенными в пространственных или линейных координатах. В первом случае источники и приемники взаимно ориентированы и заранее определены.
Но более общим случаем является случайное координатное распределение источников. При этом возникают противоречия между формируемыми требованиями к моделируемым источникам и ограниченностью априорной информации об их признаках. В таком случае модели описываются некоторыми случайными
закономерностями с учетом их корреляционных связей с характерными признаками проявления технологических отклонений и выявления их информационных неоднородностей.
Особую сложность представляет качественный учет характера внутренних взаимозависимостей информационно-технологических проявлений отклонений и соответствующих неоднородностей. Однако формализованное разграничение технологических признаков и физических параметров (величин) с четко представленными технологическими задачами позволяет для отдельно взятого объекта конкретизировать их многопа-раметровые зависимости. При этом учитываются ограничения, обуславливающие всю совокупность выходных и входных параметров, определяемых структурой, конструкцией и технологиями объекта контроля.
В структуре технологического контроля случайно распределенное проявление отклонений и неоднородностей и их взаимосвязей позволяет разграничить объекты на:
- объекты, определенные задачами технологического контроля и параметрами, но пространственно-временные значения параметров и их отклонений случайны; заданные параметры и их нормативы случайны в пространственно-временной области существования характеристик объекта;
- объекты неопределенные, что связано со случайным поиском, выявлением и обнаружением информативной зоны с заранее неизвестными свойствами; источники информации и их характерные признаки не известны, пространственно-временные области существования таких признаков (свойств) и диапазоны колебаний параметров также не известны.
В технологической информации характерные свойства отклонений на первичном уровне представляются в виде некоторых физических величин или параметров. Однако если парамет-
ры и их зависимости определены нормативно-технологическими условиями и режимами, то случайное пространственно-временное распределение отклонений и их системных факторов не определены.
Их обусловленность, статистические характеристики и корреляционные связи с отдельными условно обособленными параметрами и критериями требуют оперативной информации в возникновении особенно аномальных отклонений и их динамике. Именно ими ограничивается ресурс работы, работоспособность и надежность объекта.
Системный подход к контролеспо-собности объекта и технологической информации предопределяет первопричину и носителя первичных сообщений. Для любого объекта технологическая информация возникает именно в момент зарождения технологических отклонений как потенциальных дефектов. То есть технологическая информация генерируется при наличии отклонений: нет отклонений -нет сообщений и нет технологической информации. И здесь очень важно обеспечить своевременное выявление источника информации, чтобы потом уже в технологическом контроле определить его пространственно-временные координаты, локальные связи с элементами конструкции и технологическими режимами.
Для случайного поиска и гарантированного проявления распределенного носителя первичной информации выявляется ее излучатель, локализуется более информативная часть отображаемой энергии и формируется информационный контраст. Таким образом, на первичном уровне проявления технологические отклонения отображаются адекватной информационной контрастностью. Формализованно контрастность неоднородности отражается в спектрально-энергетических параметрах излучения источника и фона.
Именно в информационно-технологическом отклонении и информационнофизической неоднородности поля проявляется их взаимосвязь. Более достоверно такая взаимосвязь отображается в спек-
трально-энергетическом изображении. Для такого процесса трансформации технологической информации особое значение приобретает помехозащищенность и быстродействие в преобразовании и передаче, плотность и селективность, эффективность преобразования и программно-алгоритмической обработки.
В структурно-алгоритмической
реализации информационно-преобразовательного процесса формирования распределенных источников технологической информации разграничены некоторые характерные этапы:
- зональное проявление технологических отклонений;
- поиск, выявление (обнаружение) и селективное восприятие информативных излучений;
- коммутация, направление и каналирование информативного излучения;
- информационно-физические преобразования, дистанцирование и прием;
- обработка с учетом цели, критерия и программы;
- скопирование изображений и визуальное отображение для восприятия, анализа, документирования и принятия решения.
В таких структурах поиск и локализация случайно распределенных источников информации позволяет с некоторым приближением установить области наиболее вероятного сосредоточения их, выделить элементы конструкции и по корреляционным зависимостям ограничить перечень параметров, их диапазоны и нормы. По результатам таких исследований диагностируется работоспособность объектов и дается оценка их контролеспособности. Ограниченный при этом объем технологической информации требует высокой чувствительности в восприятии и быстродействия в функциональной обработке в реальном времени.
Особую проблему составляет создание способов и средств исследования
неопределенных объектов. В этом случае предъявляются повышенные требования по точности и достоверности контроля по каждому параметру в большом динамическом диапазоне. Так как это уникальные объекты со своей спецификой исследований, то к способам и технологиям контроля нет ограничений по техникоэкономической эффективности и производительности. Но при этом накладываются жесткие ограничения по технологической информации о функциональных зависимостях между параметрами и свойствами объекта, что, в свою очередь, повышает требования на информационнометрологические и динамические характеристики контрольно-измерительных
средств.
Специфика самого объекта со случайным распределением источников информации определяет стратегию, структуру и процедуру оптимального выявления экстремальных состояний. Для достоверной локализации проводится пространственно-временное скопирование
особенно «сомнительных зон». Мгновенно воздействуя стимулирующим излучением, оценивают реакцию объекта через некоторое время после снятия этого воздействия. По различию информации, снимаемой с участков с нормальным состоянием и с аномальными отклонениями, фиксируют координаты потенциальных дефектов.
Наилучшие результаты выявляемо-сти экстремальных отклонений дают источники мгновенных точечных значений. Для них физико-технические характеристики материального объекта с нормированными значениями существенно отличаются от соответствующих характеристик аномальной зоны. В такой ситуации информативное излучение неоднородной зоны, геометрия и структура неоднородности и адаптер информационной системы должны взаимодействовать взаимо-ориентированно. Они функционально
адаптируются к специфике неоднородности и спектрально-энергетическим параметрам ее. За счет остронаправленной
ориентации приемника в пространственно-временных координатах источника первичной информации более эффективны технологии и способы идентификации, сличения и сравнения.
Оптимизация структуры и параметров по критерию максимальной вы-являемости неоднородностей обуславливает способы ориентации, поиска и детектирования, которые должны обеспечивать кратковременный режим взаимодействия и осуществляться в противоположных экстремальных координатах. При этом координаты расположения неоднородности будут проявляться экстремально, что обеспечивает наибольшую вероятность обнаружения.
Структура и способы скопирования в линейных и пространственных координатах
Аппаратное обеспечение контро-леспособности технологий и особенно массогабаритных изделий со случайно распределенными источниками информации предполагает оперативный контроль наиболее ответственных элементов конструкции и поверхностных зон. На пространственном сосредоточении и распределении параметров и свойств объекта сказываются его конструктивно-технологические особенности и некоторые статистические закономерности. В таких причинно-следственных взаимосвязях наиболее полно проявляются информационно-технологическая обусловленность характера и местоположение неоднородностей.
С учетом этого способы и технологии оперативного контроля должны быть максимально адаптированы к условиям, задачам и специфике объекта. В оперативном контроле особое значение имеют прогнозирование технологических неоднородностей и характер зарождающихся дефектов. В проектнотехнологических разработках и исследованиях особо значимо выявление причинно-следственных связей между со-
стоянием, свойствами и физической природой аномальных отклонений и их спектрально-энергетических отображений.
Именно в спектрально-энергетическом отображении в большей мере выражается высокочувствительная технологическая проявляемость отклонений и их системная выявляемость [4, 5].
В способах и технологиях визуально-оптического скопирования максимально учитываются физико-технологические особенности более эффективной визуализации экстремальных отклонений в их относительном проявлении в спектрально-энергетическом информативном излучении. Для визуального отображения пространственно-временного распределения источников информации необходимо обеспечить случайный поиск и соответствующее спектрально-энергетическое преобразование выявленных излучений. В современных методах и технологиях неразрушающего контроля имеется большое разнообразие технических средств.
Из используемых излучений более комфортными, эргономически и биологически адаптированными к зрительному восприятию являются акустические, тепловые и оптические. Структура и способы комбинированных преобразований позволяют расширить функциональные возможности отдельно взятого способа для задач видеоскопии внутренних поверхностей с координатной привязкой и документированием результатов. Оптическая информация в комбинированном контроле обеспечивает ряд существенных преимуществ. Оптические излучения при взаимодействии с другими создают спектрально-энергетическое пространство
признаков выявляемой неоднородности. В них достоверно отображается информационно-физический портрет источника информации.
Ограниченность комбинированных способов оперативного контроля обусловлена сложностями помехозащищенной трансформации технологической информации. Комбинированное использование преимуществ существующих спо-
собов неразрушающего контроля и оптико-электронных технологий повышает коммуникабельность видеоскопии в линейных и особенно пространственных координатах объекта. Именно комбинированное скопирование объектов со случайно распределенными источниками информации реализуется более рационально и организованно.
Информационно-преобразовательный синтез комбинированных структур обеспечивает оптимальный выбор оперативного контроля, системную адаптацию его к эксплуатационным условиям, технологическим, конструктивным, массогабаритным и другим особенностям и требованиям. Если в акустоопти-ческих эффектах отображается высокочувствительная проявляемость технологических отклонений, то каналирован-ная локальная оптическая связь позволяет расщеплять, преобразовывать и распределять по уровням информационные потоки. В условиях пространственной ограниченности и удаленности, массогабаритной и конструктивной недоступности, агрессивных и взрывоопасных воздействий и других факторов гибкая волоконная связь оказывается незаменимой.
Техника и технологии волоконной оптики позволяют организовывать пространственно-разделенные и пространственно-ориентированные лучистые потоки с каналированием излучений и элементов оптических изображений. Конструктивно обособленные оптические волокна и их объединение в жгуты и коллекторы создают дополнительные схемотехнические преимущества способом скопирования, особенно в пространственных координатах объекта. Случайно ориентированный поиск источников информации в различных способах скопирования обеспечивает неоспоримые преимущества оптико-
волоконным технологиям.
В многоэлементных структурах светопроводящих волокон наряду с пространственно-распределенными локаль-
ными оптическими связями (зонды, адаптеры, датчики и т. д.) эффективны мобильные приборы и системы централизованного контроля, используемые непосредственно в производстве, при регламентных проверках и мониторинге, испытаниях и исследованиях. Световодные структуры скопирования уже на первичном уровне более рационально решают задачи поиска распределенных источников информации, поэлементного восприятия и проникновения в традиционно недоступные и невидимые зоны и полости. Быстродействующее скопирование с первичной обработкой технологической информации в реальном времени обеспечивает и упреждающий режим выявления экстремальных ситуаций.
Выбор способов и структурно-алгоритмической реализации их в общем случае определяется функциональным назначением, спектрально-энергетическими характеристиками информативных излучений, разрешающей способностью, информационными возможностями канала, спецификой объекта и рядом других условий. Но волоконно-оптическое скопи-рование в комбинированном контроле при некотором усложнении повышает эффективность и производительность оперативного контроля. За счет распределения и совмещения операций по много-параметровому контролю с одновременной передачей информативных параметров обеспечивается оптимальное скопи-рование объекта с его пространственновременным распределением спектральноэнергетических источников технологической информации. При этом спектральноэнергетическое скопирование комбинированными средствами обеспечивает максимум первичной информации с комфортным отображением оптических изображений неоднородностей в линейных и пространственных координатах распределенных источников информации.
Заключение
В комбинированном скопировании объектов физически, структурно и сис-
темно объединяются эффекты первичного взаимодействия излучений с материальными поверхностями и функциональные элементы различной физической природы. За счет более эффективного согласования информационнофизических преобразований реализуются современные способы и структуры оптико-электронного скопирования на специфических эффектах акустического, оптического и акустооптического взаимодействия информационных полей и излучений.
В комбинированных способах оперативного контроля вся совокупность информационно-алгоритмических преобразований информации распределенных источников структурно распределяется и по уровням. Такое многоуровневое распределение информативных параметров с модульной структурой технических средств позволяет создавать быстро перестраиваемые средства и технологии, максимально адаптированные к конструктивно-технологическим особенностям совершенствующихся изделий и динамично развивающихся технологий в различных отраслях деятельности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Некоторые особенности информационного анализа и синтеза волоконно-оптических систем технологического контроля / С. С. Сергеев [и др.] // Вестн. МГТУ. - 2006. - № 2. -С. 164-168.
2. Марукович, Е. И. Некоторые направления совершенствования технологического контроля в литейном производстве оптоволоконными средствами / Е. И. Марукович, А. П. Марков, Д. А. Горбунов // Литье и металлургия. -2006. - Ч. 2, № 2. - С. 107-111.
3. Кульчин, Ю. Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы / Ю. Н. Кульчин. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2001. -272 с.
4. Гармаш, В. Б. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении // В. Б. Гармаш, Ф. А. Егоров, Л. Н. Коло-миец // Спец. выпуск «Фотон - экспресс». Наука. - 2005. - № 6. - С. 19-23.
5. Плетнев, С. В. Волоконно-оптические / С. В. Плетнев, А. И. Потапов, А. П. Марков. -
методы и средства дефектоскопии : справ. пособие СПб. : ЛИТА, 2001. - 312 с.
Белорусско-Российский университет ИТМ НАН Беларуси Материал поступил 30.03.2009
S. S. Sergeev, E. I. Marukovich,
A. P. Markov, V. F. Gogolinsky Means and structure of visual-optical replication of distributed sources of technological information
The paper looks at special features of the technological control of multiparameter objects with distributed sources of technological information. Combined means and structures of spatial-temporary replication in linear and spatial coordinates by acoustic, optical and acoustooptical means are maximally adapted to such tasks and conditions.
