Интегральная оценка риска при диагностике стальных канатов с использованием компьютерного зрения

Введение. Своевременная оценка технического состояния объектов, непосредственно отвечающих за безопасность выполнения различных технологических операций является важнейшей задачей. Это позволит сократить или исключить аварийные ситуации с травмированием, гибелью людей и повреждением материальных объектов [1, 2]. К таким критически важным с точки зрения оценки риска техническим объектам относятся: лифты (пассажирские, больничные и грузовые); канатные дороги (пассажирские и грузовые); шахтные подъемные установки; нефте- и газодобывающие буровые установки; грузоподъемные краны; тали; судовые подъемные устройства; скиповые подъемники; канатные механизмы оффшорных платформ; механизмы на морских трубоукладчиках и другие.

Для осуществления непрерывного контроля параметров технического состояния стальных канатов разработана рекомендательная система интегральной оценки риска продолжения работы стальных канатов в механизмах с использованием и интерпретацией данных системы компьютерного зрения.

Актуальность проблемы подтверждается имеющейся статистикой аварий на объектах, использующих канатную тягу, которые возникают, несмотря на имеющуюся систему периодических осмотров и дефектоскопии стальных канатов [3–5].

Цель работы — предложить интегральный метод оценки риска эксплуатации машин с канатной тягой при обнаружении дефектов и их сочетании с использованием компьютерного зрения в стальном канате при проведении регламентных работ.

Задачи, решаемые для достижения поставленной цели в ходе данного исследования:

1. Описать существующие регламенты по визуально-измерительному контролю стальных канатов на машинах с канатной тягой
2. Предложить метод визуально-измерительного контроля с использованием компьютерного зрения в стальном канате.
3. Показать, что компьютерное зрение является технологией искусственного интеллекта.
4. Дать определение интеллектуальной системе поддержки принятия решений (ИСППР – IDSS) применительно к предложенному методу оценки риска эксплуатации машин с канатной тягой при обнаружении дефектов и их сочетании с использованием компьютерного зрения в стальном канате при проведении регламентных работ.
5. Применить один из известных методов риск-анализа для интегральной оценки технического состояния стальных канатов.
6. Предложить алгоритм и вычислительную процедуру для интегральной оценки риска эксплуатации стального каната с наличием дефектов на фиксированной длине равной шести и тридцати номинальных диаметров каната.

Отправной точной создания продукта явились возникающие проблемы с лифтами (и другими машинами на канатной тяге) и возможность применения аналитики видеоинформации, которая основана на алгоритмах глубокого обучения по распознаванию образов. Это позволит значительно повысить объективность получаемой информации о параметрах технического состояния стального каната, уравновешивающих устройств, креплений концов заделок и обеспечить уровень безопасности процессов эксплуатации машин на канатной тяге, устраняя при этом человеческий фактор [6, 7].

Материалы и методы. Стальные канаты подвергаются ежесменным, периодическим и специальным осмотрам во всех типах подъемных сооружений. Документом, которым пользуется персонал при проведении ремонтных и обслуживающих работ, является инструкция по эксплуатации. При ее отсутствии необходимо пользоваться Правилами безопасности или ГОСТами.

Электромеханики по лифтам, крановщики, машинисты, слесари, электромонтеры и другие категории обслуживающего персонала осуществляют ежесменные визуальные осмотры стальных канатов периодически или непосредственно перед началом работы. Осмотры проводятся в следующем порядке:

1. Ознакомление с записями в журнале (журнале ежесменного осмотра лифта; вахтенном — для грузоподъемного крана; сменном журнале — для подвесных канатных дорог и др.).
2. Проведение осмотра навитых на барабан участков каната, а также пропущенных через канатоведущий шкив, блок, опирающихся на башмаки, закрепленных в муфтах, коушах и зажимах.

У оператора (машиниста) подъемного сооружения имеется журнал, в которых заносятся результаты осмотров.

Периодичность дефектоскопии стальных канатов для конкретных подъемных сооружений и их периодичность приведена в таблице 1.

Таблица 1

Периодичность осмотров и дефектоскопии стальных канатов1

Правила¹ требуют проведения периодического (в отдельных случаях — ежедневного) визуально-измерительного контроля (ВИК) стальных канатов с обнаружением внешних дефектов, сведения о которых заносятся в журнал осмотров.

Дефекты в стальных кантах возникают в результате:

• внешних воздействий с механическим оборудованием или внешней средой в шахте лифта, в том числе при образовании дугового электрического разряда;
• ненадлежащего качества поставляемого стального каната как комплектующего изделия;
• ненадлежащего качества монтажа стальных канатов;
• неисправности механических частей лифта, индикатором которых является канат.

Можно констатировать, что их дефекты стальных канатов являются «индикатором» технического состояния всего механического оборудования подъемного сооружения, а именно: износа ручья шкива; проскальзывания каната на шкиве, в том числе в результате нанесения излишней смазки; перекоса крепления лебедки; люфтов в элементах передаточных механизмов привода и прочее [8–12]. Возможные неисправности механических частей лифта в зависимости от браковочных показателей представлены в таблице 2.

Предложен метод ВИК, позволяющий осуществить интегральную оценку технического состояния стального каната, реализованный в виде программно-аппаратного комплекса², являющегося вычислительной рекомендательной системой принятия решения для обслуживающего персонала при выполнении ими работ по техническому обслуживанию машин с канатной тягой. Это позволяет получить необходимый уровень безопасности, при этом устраняется субъективность человеческого фактора, а именно, физиологические ограничения, связанные со зрением.

Предложенный метод предусматривает создание, развитие и внедрение искусственного интеллекта, а именно комплекса технологических решений, которые позволяют имитировать когнитивные функции человека (зрение и самообучение), включающие в себя поиск решений по идентификации выявленных дефектов стальных канатов с результатами интеллектуальной деятельности человека.

Таблица 2

Возможные неисправности механического оборудования лифта в зависимости от типов дефектов

К технологиям искусственного интеллекта, в соответствии с «Национальной стратегией…»³ (подпункт «а» пункта 5), относятся технологии, основанные на использовании компьютерного зрения и интеллектуальной поддержки принятия решений.

Под искусственным интеллектом следует понимать комплекс технологических решений, который позволяет имитировать когнитивные функции человека (включая самообучение и поиск решений без заранее заданного алгоритма) и выполнять конкретные задачи с результатами, сопоставимыми с результатами интеллектуальной деятельности человека или превосходящими их.

Заявленный метод включает в себя комплекс технологических решений, состоящий из компьютерного зрения, информационно-коммуникационной инфраструктуры, программного обеспечения (в том числе, реализация методов машинного обучения), процессов и сервисов по обработке данных и поиску решений.

Для интегральной оценки технического состояния стального каната применена интеллектуальная система поддержки принятия решений (ИСППР — IDSS), использующая методы искусственного интеллекта (ИИ) (рис. 1, 2).

Рис. 1. Функциональная схема метода визуально-измерительного контроля стального каната (рисунок авторов)

Интеллектуальная система поддержки принятия решений заменяет человека-консультанта. Она оказывает поддержку лицам, принимающим решения, путем сбора и анализа фактических данных по обнаруженным дефектам, дает предложения возможных вариантов действий и их оценку. Цель методов искусственного интеллекта, встроенных в интеллектуальную систему поддержки принятия решений, состоит в том, чтобы позволить компьютеру выполнять эти задачи, максимально имитируя человеческие возможности.

Предложенная реализации ИСППР (IDSS) основана на экспертных системах, которые кодируют знания и имитируют когнитивное поведение экспертов-людей, используя правила логики предикатов.

Экспертная система — это компьютерная система, имитирующая способность эксперта-человека принимать решения. Экспертные системы предназначены для решения сложных проблем путем рассуждения с помощью совокупности знаний, представленных в основном в виде правил «если-то», а не с помощью обычного процедурного кода. Экспертная система делится на две подсистемы — механизм вывода и базу знаний. База знаний представляет факты и правила. Механизм вывода применяет правила к известным фактам, чтобы вывести новые факты. Механизмы вывода могут также включать в себя возможности объяснения и отладки.

Рис. 2. Обнаружение дефектов средствами компьютерного зрения:

а — определение износа наружных проволок; б — обрыв проволоки;

в — температурное воздействие; г — местное уменьшение / увеличение диаметра (рисунок авторов)

Создаваемый метод позволяет автоматизировать процессы при оценке безопасности использования именно стального каната на машинах на канатной тяге. Это дает возможность предоставить пользователям (персоналу) визуальную рекомендательную систему принятия решения в виде веб-приложения, на которое не оказывает влияние человеческий фактор. Это обеспечивает рост безопасности и снижение затрат. Данный метод автоматизирует и объединяет два метода контроля: визуальный и инструментальный [14–16].

Экспертная система по оценке риска может быть реализована на основе известных методов, таких как⁴: метод Делфи (Delphi); анализ видов и последствий отказов (FMEA); анализ видов, последствий и критичности отказов (FMECA); техническое обслуживание на основе надежности (RCM); индексы риска; сценарный анализ; структурированный метод «Что, если?» (SWIFT); методы нечеткой логики и др.

Вне зависимости от применяемой методики, оценку рисков осуществляют с использованием матрицы оценки рисков или аналогичного инструмента (например, см. ГОСТ Р 58 7714 или ГОСТ Р 55 234.3⁵, или ГОСТ 12.0.230.5⁶).

Осями матрицы могут являться как вероятность и последствия риска, так и любые другие технические параметры механического оборудования, характеризующие их важность или критичность.

По результатам такой оценки риску, как правило, присваивают один из трех уровней — высокий (красный), средний (желтый) или низкий (зеленый).

Возможно увеличение количества уровней. Названия цветов приведены как часть наиболее распространенной схемы.

В рекомендациях по стандартизации⁷ также предусматривают использование цветовой гаммы при оценке риска.

Для оценки уровней риска и выработки стратегий технического обслуживания и выбраковки на основе рекомендательной системы принятия решений применим подход RIMAP — процедуры контроля технического состояния и обслуживания, основанные на риск-ориентированном подходе (рекомендован ГОСТ 55 234.35). Подход позволяет успешно сочетать все известные методы оценивания риска и принятия решений.

Применение подхода RIMAP решает следующие задачи:

• определение опасностей;
• определение механизмов возникновения дефектов и отказов;
• определение вероятности отказа;
• определение последствий отказа;
• оценка уровня риска.

Главной опасностью для канатных систем является риск обрыва каната, а также разрушение мест заделки концов каната.

В таблице 3 представлены браковочные показатели стальных канатов и механизмы развития повреждений.

Далее необходимо определить вероятность отказа. Для этого требуются исходные данные по различным дефектам, указанным в таблицах 2 и 3.

Таблица 3

Браковочные показатели стальных канатов и механизмы развития повреждений

Для получения достоверной выборки данных на основе имеющихся результатов дефектации канатов использован метод Монте-Карло, с помощью которого была сгенерирована выборка объемом 1000 участков каната, кратных его 6 номинальным диаметрам, позволяющая рассмотреть все сочетания и вариации дефектов. Оценка суммарной вероятности отказа по выборке выполнялась в соответствии с алгоритмом, представленном на рис. 3. Полученная выборка была применена для обучения нейронной сети c целью реализации метода индексации рисков подхода RIMAP.

Поскольку выходные данные имеют дискретный характер, то нейронная сеть должна решать задачу классификации. В качестве типа нейронной сети выбран многослойный персептрон.

Рис. 3. Алгоритм оценки суммарного повреждения участка каната (рисунок авторов)

В ходе обучения было получено 20 нейронных сетей, из которых автоматически было отобрано пять лучших (рис. 4).

Среди полученных нейронных сетей можно выделить сеть MLP 11–9–3, имеющую наилучшую производительность на тестовой выборке 96 %, а по обучающей и контрольной выборкам — 98 %.

Рис. 4. Наилучшие нейронные сети из 20 обученных (рисунок авторов)

Это наилучшие показатели, поэтому для дальнейшей работы в интеллектуальной системе поддержки принятия решений будем использовать указанную нейронную сеть. Указанная нейронная сеть имеет 11 нейронов во входном слое (по количеству дефектов на входе), 9 нейронов в скрытом слое, а также 3 нейрона в выходном слое (по количеству возможных оценок риска дальнейшей эксплуатации стального каната). В качестве функции активации нейронов скрытого слоя применена логистическая функция, а для выходного слоя — тангенциальная функция.

Анализ чувствительности нейронной сети MLP 11–9–3 к изменению влияющих показателей износа показал, что наибольшее влияние оказывают изменения показателей J (удлинение), I (кручение), E (местное уменьшение диаметра каната) и G (волнистость) (рис. 5).

Рис. 5. Анализ чувствительности нейронной сети MLP 11–9–3 (рисунок авторов)

На программный код нейронной сети получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ⁸.

Результаты исследования. Создана система интегральной оценки риска при диагностике стальных канатов с использованием компьютерного зрения, позволяющая своевременно обнаруживать дефекты стальных канатов, оценивать существующий риск дальнейшей эксплуатации и давать рекомендации специалистам эксплуатирующих организаций в режиме реального времени. Это позволит резко снизить риск аварий, травмирования и гибели людей на объектах, использующих стальные канаты.

Данная система является ядром продукта — программно-аппаратный комплекс (ПАК) (рис. 6) автоматизации процессов оценки безопасности использования стальных канатов, дефектов уравновешивающих устройств и мест заделок их концов на машинах с применением канатной тяги, который представляет собой визуальную рекомендательную систему принятия решения для специалистов. При этом устраняется человеческий фактор, что обеспечивает повышение безопасности и снижение затрат.

Основное функциональное назначение ПАК состоит в автоматическом обнаружении  дефектов стальных канатов, уравновешивающих устройств и креплений концов заделок канатов специальными оптическими средствами (фото- и видеофиксации) с последующей обработкой полученной цифровой информации методом фото- и видеоаналитики на основе машинного обучения, в том числе, интегральной оценкой пригодности к дальнейшей эксплуатации методами риск-анализа, которая транслируется в цветовую гамму оценки риска на мобильные устройства пользователей.

Рис. 6. Функциональная схема ПАК (рисунок авторов)

Обсуждение и заключения. Интегральная оценка риска при диагностике стальных канатов с использованием компьютерного зрения с учетом ее преимуществ перед традиционной системой визуально-инструментального контроля будет востребована отраслью машин на канатной тяге. Этот рынок является целевым для использования на нем создаваемого авторами продукта. Например, количество пассажирских лифтов, находящихся в эксплуатации на территории Российской Федерации, составляет 450 тыс. ед. Обслуживанием лифтов занимаются более 50 тыс. организаций. На каждый лифт необходима аппаратная часть комплекса, т.е. объем рынка потребителей составляет 450 тыс. шт. Программная часть необходима каждой обслуживающей организации, т.е. 50 тыс. лицензий. Мобильное приложение необходимо специалистам каждой обслуживающей организации, в которой, как минимум, должны быть не менее трех специалистов, т.е. 150 тыс. лицензий. Учитывая технологические и экономические преимущества (цена порядка 55 тыс. рублей), разработанная система займет прочную позицию в отрасли машин на канатной тяге.

¹Об организации безопасного использования и содержания лифтов, подъемных платформ для инвалидов, пассажирских конвейеров (движущихся пешеходных дорожек), эскалаторов, за исключением эскалаторов в метрополитенах / Правительство Российской Федерации // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/436745439?section=text (дата обращения: 23.01.2023).

²Способ визуально-измерительного контроля стального каната : патент 2775348 Рос. Федерация : D07B 1/00 ; B66B 7/1215 ; G05B 99/00 / А. А. Короткий [и др.]. № 2021107842 ; заявл. 23.03.2021 ; опубл. 29.06.2022, Бюл. № 19. 16 с.

³О развитии искусственного интеллекта в Российской Федерации (вместе с «Национальной стратегией развития искусственного интеллекта на период до 2030 года») / Президент Российской Федерации // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/563441794/titles/64U0IK (дата обращения: 23.01.2023).

⁴ГОСТ Р 58771-2019. Менеджмент риска. Технологии оценки риска / НП «РусРиск»; Технический комитет по стандартизации ТК 010 «Менеджмент риска»; Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200170253 (дата обращения: 23.01.2023).

⁵ГОСТ Р 55234.3-2013. Практические аспекты менеджмента риска. Процедуры проверки и технического обслуживания оборудования на основе риска / АНО «НИЦ КД»; Технический комитет по стандартизации ТК 010 «Менеджмент риска»; Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200108150 (дата обращения: 23.01.2023).

⁶ГОСТ 12.0.230.5-2018. Система стандартов безопасности труда. Системы управления охраной труда. Методы оценки риска для обеспечения безопасности выполнения работ / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии; Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200160465 (дата обращения: 23.01.2023).

⁷Р 50.1.090-2014. Менеджмент риска. Ключевые индикаторы риска / НП «РусРиск»; Технический комитет по стандартизации ТК 010 «Менеджмент риска»; Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов : [сайт]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200120834 (дата обращения: 23.01.2023).

⁸Интегральная оценка технического состояния стального каната : прогр. для ЭВМ. Свид. № 2022683712 / А. А. Короткий [и др.]; Инженерно-консультационный центр «Мысль». № 2022683761 ; заявл. 07.12.2022 ; опубл. 07.12.2022, Бюл. № 12.