- Μηχανικοί του UC San Diego εφαρμόζουν υπερήχους με νέους αλγόριθμους beamforming για πιο αποτελεσματικό έλεγχο ραγών.
- Η νέα λύση δίνει εικόνες υψηλής ανάλυσης σε πραγματικό χρόνο για εσωτερικές ρωγμές, και μπορεί να λειτουργεί ακόμη και σε ταχύτητα βαδίσματος.
- Η τεχνολογία στοχεύει σε χαμηλότερο κόστος, πιο «καθαρά» σήματα και καλύτερη κλιμάκωση, με εφαρμογές και πέρα από τους σιδηροδρόμους.
Ασφαλέστερα σιδηροδρομικά δίκτυα μέσω υπερήχων: αλγόριθμοι beamforming βελτιώνουν τους ελέγχους
Οι εξελίξεις στους υπερήχους, δηλαδή στην ίδια τεχνολογία απεικόνισης που χρησιμοποιεί η ιατρική για να παρακολουθεί ένα έμβρυο στη μήτρα, εφαρμόζονται τώρα από μηχανικούς του University of California San Diego για να γίνουν οι επιθεωρήσεις σιδηροδρομικών γραμμών πιο αποτελεσματικές.
Η ασφάλεια του τεράστιου δικτύου σιδηροδρομικών υποδομών στις Ηνωμένες Πολιτείες, που εκτείνεται σε περίπου 140.000 μίλια, είναι κρίσιμη.
Αυτό ισχύει ακόμη περισσότερο καθώς το δίκτυο αυξάνεται, με την προσθήκη νέων γραμμών υψηλής ταχύτητας για επιβατικές μεταφορές.
Το υφιστάμενο σιδηροδρομικό δίκτυο στις ΗΠΑ αναφέρεται ως περίπου 140.000 μίλια, κάτι που αυξάνει την ανάγκη για γρήγορους και συστηματικούς ελέγχους.
Από το εργαστήριο στη ρόδα ενός καροτσιού
Σε συνεργασία με οργανισμούς του κλάδου και κρατικούς φορείς που σχετίζονται με τους σιδηροδρόμους, οι μηχανικοί δομικών κατασκευών του UC San Diego εφάρμοσαν μια καινοτόμο μορφή υπερήχων με νέους αλγόριθμους beamforming.
Στόχος τους ήταν να δημιουργήσουν μια συσκευή που μπορεί να ενσωματωθεί στον τροχό ενός καροτσιού, και μελλοντικά ενδεχομένως σε ένα τρένο.
Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσε να ελέγχει κάθε μίλι ράγας για ελαττώματα και εσωτερικές ρωγμές που δεν φαίνονται με γυμνό μάτι.
Αν αυτές οι εσωτερικές θραύσεις και σχισμές δεν εντοπιστούν ή δεν παρακολουθούνται, μπορεί να «ανοίξουν» κάτω από το βάρος ενός συρμού.
Τότε υπάρχει κίνδυνος διακοπής δρομολογίων και απώλειας παραγωγικότητας, με επιπτώσεις σε επιβάτες και μεταφορές εμπορευμάτων.
Ο μη καταστροφικός έλεγχος (NDT) με υπερήχους μπορεί να εντοπίσει εσωτερικές αστοχίες, χωρίς να χρειαστεί να κοπεί ή να καταστραφεί το υλικό της ράγας.
Τι αλλάζει σε σχέση με τις σημερινές επιθεωρήσεις
Η νέα συσκευή προσφέρει εικόνες υψηλής ανάλυσης σε πραγματικό χρόνο για κάθε εσωτερικό ελάττωμα, καθώς το καρότσι περνά πάνω από τη ράγα.
Αυτό αποτελεί βελτίωση σε σχέση με το σημερινό state of the art.
Σήμερα, οχήματα ελέγχου ραγών με υπερήχους, που συμμετέχουν στο Automated Track Inspection Program της Federal Railroad Administration, κινούνται με περίπου 25 μίλια/ώρα και εντοπίζουν σημεία όπου μπορεί να υπάρχουν εσωτερικές ανωμαλίες.
Στη συνέχεια, επιθεωρητές ελέγχουν χειροκίνητα τα «σημαδεμένα» σημεία με φορητό ανιχνευτή υπερήχων, ο οποίος παράγει κυματομορφή (σήμα A-scan) του υπερηχητικού σήματος.
Η νέα λύση, αντί να δίνει μόνο κυματομορφές, παράγει πραγματικές εικόνες εσωτερικών ελαττωμάτων.
Έτσι προσφέρει πολύ καθαρότερη εικόνα για το είδος και τη θέση των ατελειών μέσα στη ράγα.
Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ταχύτητα βαδίσματος, κάτι που διευκολύνει τη συλλογή ποιοτικότερων πληροφοριών με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα σε σχέση με τις τρέχουσες μεθόδους.
Πίνακας 1: σύγκριση σημερινής μεθόδου και νέας συσκευής
| Κριτήριο | Σήμερα (τυπική πρακτική) | Νέα προσέγγιση UC San Diego |
|---|---|---|
| Τι παράγεται | Εντοπισμός περιοχών + χειροκίνητος έλεγχος με A-scan. | Εικόνες εσωτερικών ελαττωμάτων σε πραγματικό χρόνο. |
| Ροή εργασίας | Αυτόματη σάρωση → «flagging» → χειροκίνητη επαλήθευση. | Συνεχής απεικόνιση κατά την κίνηση του καροτσιού. |
| Κινητικότητα | Εξειδικευμένα οχήματα + φορητή συσκευή. | Συσκευή ενσωματωμένη σε τροχό, συμπαγής σχεδίαση. |
Έρευνα 20+ ετών και επιδείξεις πεδίου
Η τελευταία αυτή εξέλιξη είναι αποτέλεσμα πάνω από δύο δεκαετιών έρευνας από ομάδα δομικών μηχανικών στο εργαστήριο του Francesco Lanza di Scalea, καθηγητή στο Τμήμα Δομικής Μηχανικής της Jacobs School of Engineering του UC San Diego.
Ο ίδιος συμμετέχει σε δύο κομβικές επιτροπές σιδηροδρομικής μηχανικής του Transportation Research Board των National Academies, ενώ είναι και Fellow σε πολλαπλές επαγγελματικές εταιρείες.
«Η έγκαιρη και ακριβής ανίχνευση εσωτερικών ανωμαλιών στις ράγες είναι υψίστης σημασίας για την ασφάλεια των σιδηροδρομικών μεταφορών», δήλωσε ο Lanza di Scalea.
«Εκατοντάδες αστοχίες λειτουργίας συμβαίνουν κάθε χρόνο μόνο στις ΗΠΑ, λόγω ελαττωμάτων ραγών που δεν εντοπίστηκαν», πρόσθεσε, τονίζοντας ότι το UC San Diego έχει αναλάβει ηγετικό ρόλο για πολλά χρόνια στη βελτίωση των επιθεωρήσεων.
Οι ερευνητές παρουσίασαν την τεχνολογία στις εγκαταστάσεις έρευνας του MxV Rail στο Κολοράντο, τον Αύγουστο του 2025, στο πλαίσιο των University Days.
Η ομάδα συνεργάζεται πλέον με ερευνητές του MxV Rail, ώστε να προσδιορίσει την πιο οικονομικά αποδοτική διαμόρφωση για ανάπτυξη στο πεδίο.
Παράλληλα, πραγματοποιεί εκτεταμένες δοκιμές επικύρωσης στο Κολοράντο, με στόχο να αποδειχθεί η αξιοπιστία σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.
Εικόνες υψηλής ποιότητας, σε ταχύτητα
«Στόχος μας ήταν αυτή η συσκευή υπερηχητικού ελέγχου να δίνει στον χρήστη εικόνες σε πραγματικό χρόνο και να κινείται όσο πιο γρήγορα γίνεται χωρίς να χάνει ισχύ σήματος», δήλωσε ο Chengyang Huang, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Lanza di Scalea.
Όπως εξήγησε, υπάρχει πάντα ένας συμβιβασμός στη μηχανική, επειδή αν αυξήσεις ταχύτητα, συχνά χάνεις σήμα.
Κρίσιμο στοιχείο της έρευνας ήταν το πώς μπορούν να ερμηνεύονται τα σήματα και να παράγεται εικόνα καλής ποιότητας μέσα από τη ράγα, σε πραγματικό χρόνο, ακόμη και σε υψηλότερες ταχύτητες.
Πως συνδυάστηκαν δύο είδη υπερήχων σε μια υβριδική λύση
Οι ερευνητές ξεπέρασαν τον συμβιβασμό ποιότητας εικόνας και ταχύτητας, συνδυάζοντας τα καλύτερα στοιχεία δύο διαφορετικών τεχνικών υπερήχων.
Οι τεχνικές αυτές είναι οι phased array υπέρηχοι και οι synthetic aperture focused ultrasound.
Τα υπάρχοντα εργαλεία ανίχνευσης ελαττωμάτων βασίζονται συνήθως σε phased array.
Σε αυτή τη μέθοδο, πολλοί μετατροπείς «στοχεύουν» προς την ίδια κατεύθυνση, ώστε να δημιουργηθεί εικόνα μιας συγκεκριμένης περιοχής.
Το πλεονέκτημα είναι η ισχυρή στάθμη σήματος, επειδή η δέσμη εστιάζεται φυσικά.
Το μειονέκτημα είναι ότι απαιτεί ακριβό και συχνά ογκώδες hardware multiplexer.
Αντίθετα, η αραιή τεχνική sparse synthetic aperture focused ultrasound χρησιμοποιεί έναν μόνο μετατροπέα χωρίς multiplexing.
Εκχωρεί τη διαδικασία κατεύθυνσης των κυμάτων, δηλαδή το beamforming, σε αλγορίθμους αντί για ηλεκτρονικά.
Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να καλύψει ευρύτερη περιοχή με υψηλότερη αποτελεσματική ανάλυση από ένα σταθερό phased array.
Παράλληλα, απλοποιεί σημαντικά το απαιτούμενο hardware και έτσι μειώνει το κόστος.
Ωστόσο, δεν παράγει πάντα την ίδια ισχύ σήματος με την phased array προσέγγιση.
Η ομάδα του UC San Diego σχεδίασε μια υβριδική εκδοχή, όπου ενεργοποιείται ένα subarray αντί για έναν μόνο μετατροπέα.
Έτσι, ένα μέρος του multiplexing περνά στο λογισμικό beamforming, συνδυάζοντας στοιχεία από τις δύο προσεγγίσεις.
Με πιο απλό hardware και «βαρύτερο» software, η μέθοδος παρέχει και ισχύ σήματος και εικόνες υψηλής ανάλυσης.
Αυτό επιτρέπει στη συσκευή να είναι χαμηλού κόστους και αρκετά συμπαγής ώστε να χωρά μέσα σε έναν μικρό τροχό, ενώ διατηρεί ισχυρή απεικόνιση σε μεγαλύτερες ταχύτητες.
Πίνακας 2: phased array vs synthetic aperture vs υβριδική λύση
| Κριτήριο | Phased array | Synthetic aperture (αραιό) | Υβριδικό subarray |
|---|---|---|---|
| Ισχύς σήματος | Πολύ υψηλή | Μεταβλητή | Υψηλή |
| Ανάλυση/κάλυψη | Καλή, πιο «σταθερή» | Υψηλή, ευρύτερη κάλυψη | Υψηλή, με καλύτερη πρακτική ισορροπία |
| Hardware | Σύνθετο, multiplexer | Απλό | Απλούστερο από phased array |
| Κόστος/όγκος | Υψηλό/ογκώδες | Χαμηλότερο/συμπαγές | Χαμηλότερο με ισχυρότερη απεικόνιση |
Καθαρότερες εικόνες με φιλτράρισμα τύπου SVD
Ένα ακόμη κρίσιμο στοιχείο για να γίνει το εργαλείο αξιοποιήσιμο από βιομηχανικούς συνεργάτες ήταν μια τεχνική επεξεργασίας υπερηχητικού «βίντεο» που αφαιρεί ανεπιθύμητα τεχνουργήματα από τις εικόνες synthetic aperture.
Τα βίντεο αυτά μπορεί να περιέχουν ανακλάσεις από τον τροχό, από την επιφάνεια της ράγας ή άλλα τεχνουργήματα που καλύπτουν τα πραγματικά ελαττώματα.
Με μια μέθοδο μη επιβλεπόμενης μηχανικής μάθησης που ανέπτυξαν και ονομάζεται physics-driven SVD filtering, το εργαλείο αφαιρεί αυτά τα ανεπιθύμητα στοιχεία.
Έτσι, στην εικόνα παραμένουν μόνο τα πραγματικά ελαττώματα της ράγας, κάτι που βελτιώνει άμεσα την ερμηνεία στο πεδίο.
Σε απεικόνιση τύπου «βίντεο» οι ανακλάσεις από τροχό και επιφάνεια μπορούν να μοιάζουν με ρωγμές, άρα το φιλτράρισμα τεχνουργημάτων είναι καθοριστικό.
Η εξέλιξη αυτή, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Ultrasonics, μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλους κλάδους όπου απαιτείται αισθητήρια καταγραφή σε μορφή βίντεο.
Ενδεικτικά, τέτοιοι κλάδοι είναι η οπτική και η θερμική απεικόνιση, όπου τα τεχνουργήματα μπορούν επίσης να κρύψουν το πραγματικό σήμα ενδιαφέροντος.
Ασφαλέστερες δομές, σε ράγες και πέρα από αυτές
Τώρα, οι ερευνητές συνεργάζονται με το MxV Rail για να βελτιώσουν το πρωτότυπο, με προσανατολισμό σε φορείς όπως οι BNSF, Amtrak και Union Pacific.
Καθώς βελτιώνεται η δυνατότητα παραγωγής εικόνων υψηλής ποιότητας σε πραγματικό χρόνο και σε ταχύτητα, η ομάδα ελπίζει ότι στο μέλλον μια αντίστοιχη συσκευή θα μπορεί να ενσωματωθεί σε έξυπνα τρένα αισθητήρων.
Έτσι θα είναι εφικτή η παθητική και ακριβής παρακολούθηση ραγών και στρωτήρων, με έμφαση στην έγκαιρη προειδοποίηση πριν εμφανιστούν αστοχίες.
Οι εφαρμογές όμως δεν περιορίζονται στους σιδηροδρόμους.
Η ίδια έρευνα αξιοποιείται και σε μη καταστροφική παρακολούθηση στη ναυτιλία και στην αεροπορία.
Για παράδειγμα, η ομάδα προσαρμόζει την υβριδική προσέγγιση απεικόνισης για επιθεώρηση σύνθετων πάνελ αεροσκαφών, χρησιμοποιώντας πιο απλό και χαμηλού κόστους hardware.
Η συγκεκριμένη συσκευή βασίζεται σε δεκαετίες δουλειάς του εργαστηρίου Lanza di Scalea, που έχει αναπτύξει πολλαπλές μεθόδους για αξιολόγηση της ακεραιότητας δομών.
Οι μέθοδοι αυτές έχουν αξιοποιηθεί από σιδηροδρόμους μέχρι γέφυρες και ενεργειακές υποδομές, και ακόμη και σε αεροπλάνα.
Σύμφωνα με την ομάδα, οι εξελίξεις τους έχουν συμβάλει και σε εφαρμογές που βοηθούν τον αμερικανικό στρατό να ανιχνεύει κρυμμένα εκρηκτικά στην άκρη δρόμων.
Έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για υπερηχητική επιθεώρηση σε δομές με «δύσκολο» σχήμα, όπως ανεμογεννήτριες ή εξαρτήματα κινητήρων.
Παράλληλα, έχουν υποστηρίξει μη καταστροφικούς ελέγχους που επιβεβαιώνουν ότι εξαρτήματα αεροσκαφών είναι δομικά ασφαλή.
Η εφαρμογή στο πεδίο
Για να περάσει μια τεχνολογία υπερήχων από ένα επιτυχημένο πρωτότυπο σε καθημερινή χρήση, χρειάζεται να «δέσει» με τις πραγματικές ροές εργασίας συντήρησης.
Στους σιδηροδρόμους, το κλειδί είναι η σύνδεση του ελέγχου με asset management, ώστε κάθε εικόνα ελαττώματος να μετατρέπεται γρήγορα σε απόφαση.
Αυτό σημαίνει ότι δεν αρκεί μόνο η ανίχνευση.
Απαιτείται και τυποποιημένη καταγραφή θέσης, σοβαρότητας και εξέλιξης, ώστε να προγραμματίζονται προληπτικές επεμβάσεις πριν μια ρωγμή εξελιχθεί σε αστοχία.
Τι κερδίζει ένας φορέας υποδομής από εικόνες σε πραγματικό χρόνο
- Ταχύτερη επαλήθευση των ευρημάτων, χωρίς να βασίζεται αποκλειστικά σε κυματομορφές και εμπειρική ερμηνεία.
- Καλύτερη ιεράρχηση κινδύνου, επειδή η εικόνα βοηθά να ξεχωρίσεις κρίσιμη ρωγμή από «θόρυβο» υλικού.
- Μείωση καθυστερήσεων και απρογραμμάτιστων διακοπών, όταν ο εντοπισμός γίνεται νωρίτερα.
Μια σύντομη λίστα υλοποίησης για πιλοτική εφαρμογή
- Ορίστε τμήματα γραμμής με διαφορετικές συνθήκες, όπως καμπύλες, αλλαγές κλίσης και περιοχές με ιστορικό φθοράς.
- Συμφωνήστε πρωτόκολλο για το τι θεωρείται ελάττωμα προς δράση, με σαφή όρια και διαδικασίες.
- Κρατήστε διπλό έλεγχο για ένα διάστημα, δηλαδή νέα συσκευή και κλασική επιβεβαίωση, ώστε να γίνει σωστή βαθμονόμηση.
- Εντάξτε τα δεδομένα σε σύστημα συντήρησης, ώστε οι επιθεωρήσεις να «γράφουν» ιστορικό σε κάθε θέση ράγας.
Ένα ακόμη πρακτικό ζήτημα είναι το κόστος ανά μίλι και η διαθεσιμότητα ανταλλακτικών, γιατί ο σιδηρόδρομος λειτουργεί σε κλίμακα.
Η επιλογή «συμπαγούς» hardware που χωρά σε τροχό, όπως περιγράφεται, μπορεί να μειώσει εμπόδια εγκατάστασης και να επιτρέψει περισσότερα σημεία μέτρησης.
Παράλληλα, η αξιοπιστία θα κριθεί από τη συμπεριφορά του συστήματος σε ρύπους, υγρασία, θερμοκρασιακές μεταβολές και κραδασμούς, που είναι καθημερινότητα σε γραμμή.
Τέλος, η μετάβαση σε πιο «έξυπνες» επιθεωρήσεις δημιουργεί ανάγκη για εκπαίδευση προσωπικού.
Οι τεχνικοί πρέπει να μπορούν να διαβάζουν εικόνες ελαττωμάτων, να καταλαβαίνουν τα όρια του φιλτραρίσματος και να τεκμηριώνουν σωστά την απόφαση συντήρησης.
Όταν όμως αυτά γίνουν μέρος ενός συστήματος προληπτικής συντήρησης, η αξία είναι διπλή.
Από τη μία πλευρά βελτιώνεται η ασφάλεια, και από την άλλη αυξάνεται η διαθεσιμότητα της υποδομής, επειδή οι παρεμβάσεις γίνονται πιο στοχευμένα και λιγότερο «τυφλά».
