大型儲(chǔ)罐安全檢測中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

張昱涵，趙永濤，關(guān)國偉，張雪

（中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

大型儲(chǔ)罐具有內(nèi)部管線繁雜、占地面積大等特點(diǎn)，所以，在大型儲(chǔ)罐安全檢測中，需運(yùn)用無接觸的三維激光掃描技術(shù)，精確獲取罐體內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、檢測指標(biāo)計(jì)算數(shù)據(jù)，從而在保證大型儲(chǔ)罐安全檢測效率的基礎(chǔ)上，解決傳統(tǒng)人工檢測存在的安全隱患。因此，本文大型儲(chǔ)罐安全檢測工作中，三維激光掃描儀器的具體應(yīng)用展開討論，旨在突出三維少教技術(shù)實(shí)踐優(yōu)勢，為儲(chǔ)罐安全檢測提供準(zhǔn)確的評估參數(shù)。

1 大型儲(chǔ)罐安全檢測相關(guān)概述

大型儲(chǔ)罐是我國化工原料、油氣資源存儲(chǔ)的基礎(chǔ)裝備，其安裝檢測效果直接影響著相關(guān)材料的運(yùn)輸與使用。具體來說，在大型儲(chǔ)罐服役期間，受材料、外部環(huán)境等因素的影響，儲(chǔ)罐壁板、罐頂會(huì)產(chǎn)生變形或沉降問題，使得儲(chǔ)罐無法安全運(yùn)行。三維激光掃描技術(shù)屬于現(xiàn)代高新技術(shù)，可快速測取大型儲(chǔ)罐的三維坐標(biāo)值，評估儲(chǔ)罐有無變形、沉降問題。比如，在儲(chǔ)罐沉降檢測中，三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用中能夠幫助檢測人員采集罐底剖面、失圓度、垂直剖面中的相關(guān)數(shù)據(jù)，生成儲(chǔ)罐沉降檢測報(bào)告。除此之外，三維激光掃描技術(shù)實(shí)踐中，大型儲(chǔ)罐安全檢測可以從人工檢測轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程檢測，有助于減少人為誤差，提高安全檢測工作效率。

2 三維激光掃描技術(shù)的檢測原理分析

三維激光掃描技術(shù)，同樣被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，興起于測繪領(lǐng)域，其在物品掃描中，可以快速獲取目標(biāo)物三維空間數(shù)據(jù)。

激光測距是三維激光掃描技術(shù)的基本原理，該技術(shù)實(shí)踐時(shí)可全面記錄大型儲(chǔ)罐三維模型中的立體、平面圖像中的數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀是大型儲(chǔ)罐安全檢測中三維激光掃描技術(shù)的主要載體，該儀器多由反射棱鏡、激光測距儀組成，具有掃描均勻、測量精度高、檢測靈活等特點(diǎn)。檢測人員在三維激光掃描儀使用中，測量大型儲(chǔ)罐垂直、水平方向角，以獲取掃描區(qū)域各測點(diǎn)的空間坐標(biāo)，從而根據(jù)坐標(biāo)值評估儲(chǔ)罐安全性能。

除此之外，相較于傳統(tǒng)安全檢測技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)在大型儲(chǔ)罐安全檢測中有著明顯技術(shù)優(yōu)勢：

其一，無接觸、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化。三維掃描技術(shù)作為高速測量技術(shù)，可無接觸測出大型儲(chǔ)罐坐標(biāo)數(shù)據(jù)，有助于避免罐體在安全檢測中產(chǎn)生接觸性損傷。再者，大型儲(chǔ)罐安全檢測過程中，三維掃描儀能夠自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，并生成數(shù)字化信號，為儲(chǔ)罐沉降、變形分析與處理奠定基礎(chǔ)。

其二，高速率。基于三維激光掃描技術(shù)，檢測人員可憑借該技術(shù)網(wǎng)格式、點(diǎn)陣式數(shù)據(jù)采集原理，使激光束根據(jù)大型儲(chǔ)罐距離，自動(dòng)聚焦，快速采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

其三，實(shí)時(shí)性。三維激光掃描獲取大型儲(chǔ)罐空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，無需外部光源，該儀器可自主完成信號發(fā)射工作，從而使大型儲(chǔ)罐安全檢測工作不受地域、時(shí)間限制。

3 大型儲(chǔ)罐安全檢測中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

大型儲(chǔ)罐安全檢測中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的基本方式主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，基于三維激光掃描技術(shù)原理，以及大型儲(chǔ)罐安全檢測流程、要求，建立大型儲(chǔ)罐安全檢測系統(tǒng)。另一方面，運(yùn)用三維激光掃描儀，輔助該類儲(chǔ)罐安全檢測工作，以提高大型儲(chǔ)罐安全檢測效率，保障檢測數(shù)據(jù)精確性。

3.1 建立大型儲(chǔ)罐安全檢測系統(tǒng)

在三維激光掃描技術(shù)支持下所建立的大型儲(chǔ)罐安全檢測系統(tǒng)，可由儲(chǔ)罐形變、可視化界面、安全檢測結(jié)果分析等版塊組成。該系統(tǒng)的建立可在儲(chǔ)罐區(qū)可視化平臺(tái)數(shù)據(jù)、三維場景、罐體各時(shí)期數(shù)據(jù)的同時(shí)與快速更新中，生成大型儲(chǔ)罐安全檢測數(shù)據(jù)。

首先，三維場景的可視化實(shí)現(xiàn)是利用場景管理器，在最短時(shí)間內(nèi)測定儲(chǔ)罐位置，并根據(jù)儲(chǔ)罐運(yùn)行實(shí)況增減檢測儲(chǔ)罐、快速更新儲(chǔ)罐區(qū)域內(nèi)三維場景。

其次，儲(chǔ)罐形變檢測版塊在具體設(shè)計(jì)中，分為形變分析、曲線擬合、切片提取等功能板塊。

其一，切片提取多用于儲(chǔ)罐任意面點(diǎn)數(shù)據(jù)的提取。在曲線擬合過程中，系統(tǒng)會(huì)預(yù)先對測點(diǎn)云切片展開排序，隨后，借助三次均勻的Bezier曲線擬合大型儲(chǔ)罐各截面曲線，具體原理如下：

其中Pi+k是為云切片控制頂點(diǎn)，n為曲線參數(shù)，且公式中的t取值時(shí)應(yīng)大于0、小于1。

其二，曲線擬合能夠生成罐體空間截面，為儲(chǔ)罐安全檢測結(jié)果分析提供參考依據(jù)。其三，形變分析子版塊是大型儲(chǔ)罐形變檢測模塊中的重要組成部分，可支撐儲(chǔ)罐壁垂直度、圈板傾斜度、罐頂沉降的有效分析。

最后，該系統(tǒng)在儲(chǔ)罐形變、可視化平臺(tái)等版塊中獲取大型儲(chǔ)罐檢測數(shù)據(jù)后，相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)傳輸至安全檢測結(jié)果分析版塊，并通過聯(lián)合相關(guān)變形、沉降數(shù)據(jù)，生成大型儲(chǔ)罐安全檢測結(jié)果。

3.2 靈活運(yùn)用三維激光掃描儀

三維激光掃描儀是三維激光掃描技術(shù)的有機(jī)載體，其在大型儲(chǔ)罐安全檢測中的運(yùn)用，主要體現(xiàn)在采集外業(yè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、安全檢測數(shù)據(jù)分析等流程中。

其一，采集外業(yè)數(shù)據(jù)。檢測人員需結(jié)合大型儲(chǔ)罐安全檢測方案，將三維激光掃描以布置在對應(yīng)區(qū)域，同時(shí)，在掃描儀擺放位置確定后利用標(biāo)靶將其固定，并開啟掃描儀，使其處于調(diào)試狀態(tài)。三維掃描儀整平、校正作業(yè)完成后，可設(shè)置儀器測量參數(shù)，掃描需檢測的大型儲(chǔ)罐。在此期間，為確保儀器掃描數(shù)據(jù)可靠性，檢測人員可在儀器操作界面單獨(dú)框選標(biāo)靶，隨后，在掃描結(jié)束后檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整性，若存在數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，需及時(shí)補(bǔ)點(diǎn)掃描。

其二，數(shù)據(jù)處理。經(jīng)外業(yè)作業(yè)采集大型儲(chǔ)罐安全檢測數(shù)據(jù)后，使用點(diǎn)云處理軟件，對數(shù)據(jù)展開預(yù)處理。一方面，檢測人員需及時(shí)排除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)。在測取大型儲(chǔ)罐原始數(shù)據(jù)時(shí)，罐體空間內(nèi)坐標(biāo)體系較多，安全檢測人員只有將噪聲點(diǎn)去除，才能保證檢測數(shù)據(jù)的可用性。另一方面，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作。其中，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將儲(chǔ)罐中的各坐標(biāo)匯總，以生成統(tǒng)一坐標(biāo)系，確保罐體空間信息的系統(tǒng)性。具體來說，檢測人員需基于處理軟件的識(shí)別作用，對各測點(diǎn)重疊區(qū)域、相同控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，在獲得中心坐標(biāo)后，應(yīng)以基準(zhǔn)點(diǎn)為渠道將相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)位置改變，使其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系內(nèi)。

除此之外，三維激光掃描儀在安全檢測中，會(huì)將罐體附件中無關(guān)點(diǎn)記錄，并且在重復(fù)掃描、激光入射角差異等因素影響下，數(shù)據(jù)量增加、數(shù)據(jù)預(yù)處理難度較大，檢測人員需在安全檢測結(jié)果分析中，提前去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的冗余數(shù)據(jù)、“飛點(diǎn)”。

其三，安全檢測數(shù)據(jù)分析。以大型儲(chǔ)罐安全檢測中的變形數(shù)據(jù)為例。儲(chǔ)罐變形后，三維掃描儀獲取的切片圓心會(huì)產(chǎn)生較大變換，各數(shù)據(jù)在切片擬合后，安全檢測人員可以根據(jù)圓心垂直線、直線夾角、圓心坐標(biāo)，計(jì)算罐體傾斜度，計(jì)算公式為：

其中，θi主要指某一切片的傾斜數(shù)值，xi、x0、yi、y0為切片圓心坐標(biāo)，△H為罐體圈板、切片的間距，計(jì)算出罐體傾斜度后，檢測人員可根據(jù)相關(guān)規(guī)定中傾斜度不得大于1度的標(biāo)準(zhǔn)，評估該指標(biāo)是否符合大型儲(chǔ)罐安全運(yùn)行要求。三維激光掃描儀在檢出罐頂沉降變形后，檢測人員可利用點(diǎn)云圖，明確異常位置，分析其變形總量，全面反饋大型儲(chǔ)罐安全檢測中的局部變形現(xiàn)象。

檢測大型儲(chǔ)罐基圓時(shí)，三維激光掃描儀能夠提取各圈板截面圓心坐標(biāo)，并利用相關(guān)軟件的平面切割功能，合理設(shè)置各層圈板內(nèi)切片厚度，保證擬合圓形坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性，同時(shí)可增加切割平面點(diǎn)數(shù)，為安全檢測結(jié)果計(jì)算提供依據(jù)。各參數(shù)布設(shè)完成后，檢測人員應(yīng)及時(shí)創(chuàng)建切割平面，提取基圓直徑中的坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算大型儲(chǔ)罐壁板凹凸度、罐體內(nèi)圈板半橢圓度等檢測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在大型儲(chǔ)罐安全檢測中的應(yīng)用，是利用該技術(shù)原理建立儲(chǔ)罐安全檢測系統(tǒng)，或利用三維激光掃描儀采集大型儲(chǔ)罐內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)匯總中，分析罐體傾斜度、變形、罐壁沉降等安全檢測的核心指標(biāo)及數(shù)據(jù)，而三維激光掃描技術(shù)在大型儲(chǔ)罐安全檢測中的實(shí)踐優(yōu)勢，主要在于該技術(shù)可減少儲(chǔ)罐安全檢測周期，提高檢測效率，保證儲(chǔ)罐安全檢測數(shù)據(jù)的精確性。