نظام الفحص البصري بالذكاء الاصطناعي لسكة الرافعة ولحام العارضة
نظام الفحص البصري بالذكاء الاصطناعي لسكة الرافعة ولحامات العارضة الرئيسية: ممارسة هندسية للتعرف على الشروخ وعدم الانصهار والمسامية باستخدام التعلم العميق. يعتمد هذا النظام على نموذج YOLOv8 للتعلم العميق، ويقوم تلقائيًا بتحديد عيوب اللحام مثل الشروخ وعدم الانصهار والمسامية. يعاني الفحص البصري التقليدي من انخفاض الكفاءة وخطر تفويت العيوب، بينما يحقق حل الذكاء الاصطناعي تحسينًا شاملًا في كفاءة ودقة الفحص.
في مباني المصانع الثقيلة الحديثة، تُعد الرافعة العلوية (الجسرية) المعدات الأساسية لمناولة المواد. تعتمد سلامة وموثوقية تشغيلها بشكل مباشر على جودة لحامات سكة الرافعة والعارضة الرئيسية. تتعرض هذه اللحامات لأحمال متناوبة وصدمات ثقيلة وبيئات قاسية لفترات طويلة. إذا ظهرت فيها عيوب مثل الشروخ أو عدم الانصهار أو المسامية دون اكتشافها في الوقت المناسب، فقد تؤدي إلى حوادث كارثية. يعتمد الفحص البصري التقليدي على خبرة المفتش، مما يجعله منخفض الكفاءة وعالي الخطأ في التغطية وغير موحد المعايير. استنادًا إلى تقنيات الرؤية العميقة، طورت كيلود للصناعات الثقيلة نظام فحص بصري بالذكاء الاصطناعي لسكة الرافعة ولحامات العارضة الرئيسية، لتحقيق فحص ذكي متكامل من جمع الصور إلى التعرف على العيوب وتقييم الجودة.
البنية العامة للنظام
يعتمد النظام بنية من أربع طبقات: "منصة الفحص، طبقة الاستشعار، طبقة الاستدلال، طبقة التقييم"، لتغطية السلسلة الكاملة من جمع البيانات إلى الحكم النهائي على الجودة:
منصة الفحص: توفر ثلاثة أشكال نشر حسب ظروف الموقع: عربة تفتيش ذاتية القيادة (للتفتيش الآلي لمساحات واسعة من لحامات السكة)، جهاز فحص محمول (للمساحات الضيقة ولحامات الزاوية للعارضة الطرفية)، وحامل تثبيت ثابت (لمحطات تجميع ولحام العارضة الرئيسية للرافعة العلوية). تشترك الأشكال الثلاثة في نفس البرمجيات لجمع البيانات والاستدلال والتقييم، مما يسمح بالتبديل السلس بينها.
طبقة الاستشعار: تتكون من كاميرتين صناعيتين (كاميرا واسعة الزاوية بغالق شامل وكاميرا ماكرو)، وإضاءة حلقية هيكلية، وماسح ضوئي ليزري للمحيط. تستخدم الكاميرات واجهة GigE Vision، بدقة لا تقل عن 1920×1080 بكسل لكل إطار، ومعدل إطارات أقصى لا يقل عن 120 إطارًا في الثانية. يساعد الماسح الليزري في الحصول على معلومات المحيط ثلاثي الأبعاد للحام، لتقييم معاملات الأبعاد مثل تقوية اللحام وعمق التقوس.
طبقة الاستدلال: يتم نشر نموذج YOLOv8s-weld، وهو نسخة محسّنة من YOLOv8s مع تقليم وإضافة رأس كشف للعيوب الصغيرة، مصمم خصيصًا لخصائص عيوب اللحام. توفر منصة حوسبة الحافة Jetson AGX Orin زمن استدلال لا يتجاوز 15ms لكل إطار، مما يلبي متطلبات الكشف في الوقت الفعلي بمعدل لا يقل عن 60 إطارًا في الثانية.
طبقة التقييم: تقوم بجمع العيوب التي يكتشفها النموذج وتصنيفها حسب النوع والحجم والعدد، وتطابقها تلقائيًا مع معيار ISO 5817 (المقابل لمعيار GB/T 3323-2020) لتصنيف جودة اللحامات الشعاعية، لإخراج تصنيف الجودة من الدرجة الأولى إلى الرابعة وتقديم توصيات إعادة التصنيع.
أنواع لحامات الرافعة وخصائص العيوب
تنقسم الوصلات الملحومة في الهيكل المعدني للرافعة العلوية إلى ثلاثة أنواع رئيسية، وتختلف خصائص الإجهاد وأنواع العيوب الشائعة بشكل كبير بينها:
1. لحامات تناكبية للسكة: تُستخدم سكك رافعة قياسية QU70 أو QU80 أو QU100 (وفقًا لمعيار ISO 4301). تعتمد طرق اللحام بشكل أساسي على اللحام اليدوي بالقوس الكهربائي (SMAW) واللحام المحمي بالغاز (GMAW) بثاني أكسيد الكربون. الشكل الشائع لفتحة اللحام هو V أو U. تتحمل هذه اللحامات حمولة العجلة الديناميكية والقوى الجانبية الأفقية. العيوب الشائعة تشمل الشروخ الطولية، وعدم الانصهار (في الجذر)، والمسامية الكثيفة.
2. لحامات الزاوية للعارضة الرئيسية: هي لحامات القوة الرئيسية التي تربط لوح الويب بلوح الشفة للعارضة الرئيسية، وتكون عادةً لحامات زاوية مزدوجة (بارتفاع قدم من 6 إلى 12 مم)، وتتحمل إجهادات الانحناء والقص. نظرًا لتعدد طبقات اللحام وتقلب العوامل اليدوية، فإن عيوب عدم الانصهار في فتحة اللحام، وشوائب الخبث بين الطبقات، والشروخ العرضية شائعة نسبيًا.
3. لحامات العارضة الطرفية: هي لحامات مختلطة (تناكبية وزاوية) تربط ألواح العارضة الطرفية، وتتحمل عزم الدوران في الأطراف وإجهادات الوصلات. الشروخ في فوهة اللحام، التقوس، والمسامية المتسلسلة هي أنواع العيوب عالية التكرار في هذا النوع.
يلخص الجدول التالي الخصائص البصرية التفصيلية والمواقع النموذجية لـ 6 أنواع من العيوب بالإضافة إلى اللحام السليم التي يغطيها النظام:
| نوع العيب | الخصائص البصرية | الموقع النموذجي |
|---|---|---|
| شرخ طولي | خط رفيع داكن يمتد على طول خط اللحام، قد يتفرع. | سكة الرافعة، سطح خط اللحام |
| عدم انصهار | خط مستقيم داكن في جذر اللحام، لا يصل إلى السطح. | جذر اللحام التناكبي للسكة |
| مسامية | نقاط دائرية أو بيضاوية داكنة، قد تكون متفرقة أو متجمعة. | سطح اللحام أو داخله |
| شوائب الخبث | كتل أو خطوط غير منتظمة داكنة اللون داخل اللحام. | بين طبقات لحام الزاوية للعارضة الرئيسية |
| تقوس | انخفاض أو تقعر عند حافة خط اللحام. | حافة لحام العارضة الطرفية |
| شرخ عرضي | خط رفيع داكن عمودي على اتجاه اللحام. | سطح لحام الزاوية للعارضة الرئيسية |
| لحام سليم | سطح أملس وموحد، انتقال طبيعي مع المعدن الأساسي. | جميع أنواع الوصلات |
رافعة علوية أحادية العارضة بضمان الجودة
تصميم مدمج، تشغيل موثوق، وصيانة سهلة — الحل الأمثل لورش العمل وخطوط الإنتاج.
في بيئات الإنتاج الحديثة، تُعد كفاءة مناولة المواد وسلامتها من العوامل الحاسمة. صُممت الرافعة العلوية أحادية العارضة من كيلود لتلبية احتياجات التشغيل اليومي في المصانع وورش الصيانة ومحطات التجميع، حيث تجمع بين البنية المدمجة والقدرة العالية على التحمل، مما يجعلها خيارًا اقتصاديًا وعمليًا لتحسين سير العمل.
ثالثًا: نظام التقاط الصور والإضاءة المساعدة
تُعد خاصية الانعكاسية العالية لسطح خط اللحام (خاصة في المناطق المعالجة بالتبريد الفوري على السطح العلوي للسكة) من أبرز التحديات التي تواجه الفحص البصري. صُمم هذا النظام ليعتمد على حلول متعددة المستشعرات لمواجهة هذه التحديات:
التصوير التآزري بكاميرتين: يُستخدم كاميرتان صناعيتان ببعدين بؤريين مختلفين — كاميرا واسعة الزاوية بغالق شامل (بعد بؤري 25mm، مجال رؤية 400×300mm على مسافة 500mm) لتغطية الشكل العام لخط اللحام بالكامل، والكشف عن عيوب عدم الانصهار واسعة النطاق وشوائب الخبث؛ بينما كاميرا ماكرو (بعد بؤري 50mm، مجال رؤية 120×90mm على مسافة 300mm) مسؤولة عن التقاط الشروخ والمسامية الدقيقة. تعمل الكاميرتان بشكل متزامن عبر خط إطلاق الأجهزة، بدقة تصل إلى ±1μs.
إضاءة حلقية بنمط ضوئي هيكلي: يصل معدل انعكاس الأسطح المطلية بالكروم أو الطبقات الصلبة على سكة الرافعة إلى 60%~80%. تم استخدام مصفوفة LED حلقية بقطر Φ120mm (72 مصباح LED عالي السطوع، درجة حرارة لونية 5600K، مؤشر تجسيد اللون ≥90)، مع مرشح استقطاب أسطواني لتحويل الضوء المنعكس المرآوي إلى ضوء منتشر، مما يلغي مشكلة التعريض الزائد في المناطق عالية الانعكاس. أظهرت القياسات الفعلية انخفاض تباين التدرج الرمادي في منطقة الانعكاس على السطح العلوي للسكة بنسبة 75%، وارتفاع تباين العيوب إلى أكثر من 0.25.
المسح الضوئي بمستشعر محيط ليزري لتقييم العمق: يُستخدم مستشعر محيط ليزري (طول موجي 650nm، مستوى أمان Class 2M) للمسح على طول خط اللحام للحصول على المقطع العرضي لخط اللحام. من خلال تحليل بيانات النقاط ثلاثية الأبعاد، يمكن قياس تقوية اللحام (دقة ±0.05mm)، وعمق التقوس (دقة ±0.03mm)، وكمية الإزاحة الجانبية (دقة ±0.1mm) بدقة عالية، مما يساعد نموذج الذكاء الاصطناعي في تحديد درجة خطورة العيوب.
التصميم الوقائي والتكيفي: صُمم نظام الالتقاط بالكامل بهيكل بدرجة حماية IP67، ليتحمل بيئات الغبار العالي والزيوت وبخار الماء في مواقع تفتيش الرافعات العلوية. يتضمن النظام وظيفة إزالة الضباب التلقائية (نافذة زجاجية مُسخنة بتقنية PTC، تزيل الضباب الناتج عن فروق درجات الحرارة على العدسة خلال 10 ثوانٍ من التشغيل)، مما يضمن تصويرًا مستقرًا في درجات الحرارة المحيطة من 0 إلى 45 درجة مئوية.
رابعًا: تدريب النموذج ومجموعة البيانات
بناء مجموعة البيانات: تم جمع أكثر من 8,000 صورة عالية الدقة من مواقع لحام سكك الرافعات والعارضات الرئيسية في 12 شركة صناعية ثقيلة (تشمل اللحامات السليمة و6 أنواع من العيوب)، مع وضع علامات دقيقة بتنسيق COCO. يتراوح عدد العيوب في كل صورة من 1 إلى 8، بإجمالي أكثر من 35,000 عينة عيب. تم تقسيم مجموعة البيانات بنسبة 7:2:1 إلى مجموعات تدريب وتحقق واختبار.
استراتيجية تحسين البيانات: نظرًا لخصائص صور اللحام "الخلفية المعقدة، صغر حجم العيوب، والتباين الكبير بين الفئات"، تم اعتماد مجموعة التحسينات التالية:
- التحسين الهندسي: دوران عشوائي (±15°)، قلب أفقي، قص عشوائي (مع الحفاظ على نسبة العرض إلى الارتفاع)، لمحاكاة زوايا التصوير المختلفة
- التحسين الضوئي: ضبط عشوائي للسطوع والتباين (±20%)، ضوضاء غاوسية (σ≤0.05)، اهتزاز ألوان HLS
- التحسين الخاص: Mosaic (دمج 4 صور لتحسين اكتشاف الأهداف الصغيرة)، MixUp (خلط الصور لتحسين التعميم)، المسح العشوائي (محاكاة سيناريوهات التغطية والانسداد بالزيوت)
- التحسين الموجّه: تكبير العينات للعيوب نادرة الحدوث مثل الشروخ وعدم الانصهار، لتحقيق توازن في عدد عينات التدريب بين جميع أنواع العيوب
بنية نموذج YOLOv8s-weld: استنادًا إلى Ultralytics YOLOv8s، تم إجراء تحسينات متخصصة لمعالجة ثلاث مشكلات رئيسية في كشف عيوب اللحام:
- إضافة رأس كشف للأهداف الصغيرة (طبقة كشف P2، خريطة معالم 160×160)، باستخدام ميزات الاختزال بمعدل 4 مرات لتحسين معدل الاستدعاء للعيوب صغيرة الحجم (عرض الشرخ 0.05~0.3mm، قطر المسامية 0.5~3mm) بنسبة 12%
- إدخال الالتفاف المشوه DCNv4 ليحل محل وحدة C2f في الطبقة السادسة، مع مجال استقبال تكيفي لملاءمة أفضل لأشكال العيوب غير المنتظمة
- تحسين دالة خسارة انحدار الصندوق المحيط: استبدال CIoU بـ Shape-IoU، مما يحسن دقة الانحدار للعيوب ذات نسبة العرض إلى الارتفاع الكبيرة (الشروخ الطويلة، شوائب الخبث الشريطية) بنسبة 8%
إعدادات التدريب: دقة الإدخال 640×640، حجم الدفعة 32، 300 دورة تدريبية (epoch)، المحسن AdamW (معدل تعلم ابتدائي 0.001، تخفيف الوزن 5e-4)، جدولة معدل التعلم بالتبريد الجيبي. استغرق التدريب على بطاقة NVIDIA RTX 4090 (24GB) حوالي 8.5 ساعة. تم استخدام استراتيجية التوقف المبكر (patience=20 epoch)، وتقارب mAP لمجموعة التحقق عند الدورة 247.
خامسًا: أداء الكشف والامتثال للمعايير
تم تقييم النظام على مجموعة اختبار مستقلة (أكثر من 1,600 صورة)، ويوضح الجدول التالي أداء الكشف لأنواع العيوب المختلفة:
معدات الرفع الثقيلة للصناعات في الخليج
حلول متكاملة للرافعات العلوية والجسرية والكهربائية
في قطاع الصناعات الثقيلة والإنشاءات بدول مجلس التعاون الخليجي، تُعد معدات الرفع الموثوقة ركيزة أساسية لضمان استمرارية الإنتاج وسلامة العمليات. تقدم كيلود مجموعة متكاملة من الرافعات العلوية والجسرية المصممة خصيصاً للعمل في البيئات الصحراوية الحارة والرطبة، مع مراعاة أعلى معايير السلامة الدولية ومتطلبات التشغيل المحلية.
