基于三維激光掃描技術的焦爐炭化室爐墻平整度檢測及應用

王雯，阮磊雷(馬鞍山測繪技術院有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

焦炭作為鋼鐵工業的重要原料之一，在國民經濟中發揮著重要作用。中國是傳統的焦炭生產和出口大國，焦炭是中國目前為數不多的常年排名世界第一且有重要影響力的資源型產品。焦炭的生產離不開焦爐，安全、穩定的焦爐是生產優質焦炭的重要保障，焦爐的安全性與穩定性涉及各個生產環節與部件。炭化室對焦炭生產起著重要作用。文章主要闡述利用三維激光掃描技術對不停產的焦爐炭化室爐墻的平整度進行檢測，探索在傳統檢測方法之外是否還存在著高效、快捷、全面且準確的焦爐炭化室爐墻平整度的檢測方法。

1 傳統檢測方法

對不停產的焦爐炭化室爐墻進行平整度檢測的傳統方法主要是利用高精度全站儀在距離炭化室門口10～20 m左右的地方架站。測量人員需穿戴耐溫服、耐溫手套，用防火棉板擋住炭化室門口，手持萬向測量桿依次測量炭化室底部坐標數據，待焦爐一側測量結束后，迅速搬動全站儀至焦爐另一側按同樣的方法測量該側碳化室底部坐標數據。此種測量方法的測量范圍僅限于炭化室室口底部，炭化室的內部中心數據無法獲取且作業時間較長。用單臺全站儀測量時往往需要花費30 min以上的時間進行來回遷站，同時測量人員離炭化室室口較近，高溫及粉塵煤氣大大降低了作業的安全性。此種測量方法對焦爐本身的傷害也較大，炭化室本身的作用是在隔絕空氣的條件下將煤加熱至1 000 ℃以上，再經過干燥、熱解等一系列環節制成焦炭，這一過程被稱為高溫煉焦。

全站儀的作業時間往往超過30 min，這會造成炭化室長時間處于空爐狀態，極易損害炭化室，甚至會導致炭化室爐墻開裂等危害焦爐安全運行的結果。實際作業中，生產方也不可能花費大量時間進行檢測作業，所以此種方法具有一定的局限性。

2 三維激光掃描技術檢測方法

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，主要指由激光發射器按一定周期發射激光脈沖，然后由接收器接收從物體表面反射回來的信號，通過計算得到目標物的空間坐標數據，利用傳動裝置完成對目標物坐標數據的全面采集。三維激光掃描儀主要由測距系統和測角系統構成，通過測距系統獲取掃描儀至待測點的距離，通過測角系統獲取掃描儀至待測點的水平角和垂直角。利用三角函數理論計算得到待測點的三維坐標如圖1所示。

圖1 利用三角函數理論計算得到待測點的三維坐標

設待測點的斜距為S，水平角為b，垂直角為a，那么待測點P的三維坐標計算公式如式(1)所示：

點云是利用掃描儀本身的垂直和水平馬達等驅動裝置所獲取的被測物體表面的三維坐標數據，包括色彩、強度等值[1]。炭化室爐墻具有一定的范圍，因此通過全站儀棱鏡測出的有限空間點難以全面準確地反映炭化室爐墻的變形情況。三維激光掃描儀具有在短時間內獲取海量空間點云的特點，將三維激光掃描技術應用于炭化室爐墻平整度檢測可更加全面地獲取炭化室爐墻的空間形態，為后續進行精確的分析計算打下基礎。

3 實例應用

文章闡述的實例所涉及的焦爐屬于年產80萬噸焦炭的2×63孔的搗固型焦爐，該焦爐于2006年建成并投入生產運行，經過十幾年的生產運行，焦爐移動機械的運行部位與炭化室結構發生了一定的變化，因此有必要對移動機械和焦爐炭化室結構做一次全面的檢測工作。因移動機械位于室外且環境條件較好，其檢測手段較為方便，故文章不再討論。文章主要探究在炭化室不停產、室溫高達1 200 ℃且爐門打開時間約為3～6 min的惡劣檢測環境下，如何高效、準確地檢測炭化室爐墻在日常生產過程中發生的變化。

3.1 測量前準備

3.1.1 控制測量

掃描儀本身在掃描過程中會自動建立儀器坐標系統，在無特殊要求時能夠滿足平整度檢測需求。但考慮到此次測量采用統一的坐標系統會方便后期計算，故在測量現場布置滿足要求的測量控制網，以現場焦爐中心線上的兩點為起始點，圍繞焦爐布設13個控制點，采用DJ1型全站儀進行四等導線測量，測回數設定為6測回，高程采用二等水準路線布設以獲得各待測點的坐標值。

3.1.2 標靶設定

當三維激光掃描儀在一個掃描站上不能測量物體的全部而需要在不同位置進行測量或者需要將掃描數據轉換到特定的工程坐標系中時，需要布設標靶來進行坐標系傳遞和轉換工作，換言之就是需要布設公共點。此公共點一般被稱為標靶。三維激光掃描儀的公共點往往有三種類型：一為球面標靶，二為平面標靶，三為公共特征點。本次測量為精密測量，球面標靶雖傳遞精度高但是布設麻煩，現場的大型機械移動頻繁，容易碰動標靶而不易被發現。另外公共特征點不適用于精密測量。故本次作業采用平面標靶(棋盤紙)作為三維激光掃描傳遞的公共點。

3.1.3 測站設置

此次作業所使用的焦爐炭化室室內高4.5 m、長16.0 m、寬0.5 m，炭化室底部距地面5 m左右，常規架站式三維激光掃描儀的激光器最高達2.0 m，三維激光掃描儀無法在有效范圍內發揮最大的作用，也無法掃測炭化室四周。因此科學地設置測站點顯得十分重要。

測量炭化室前最基本的操作是將炭化室爐門打開并進行推焦，這需要用到推焦車，推焦車以電機驅動，震動性較小，穩定性高。推焦車駕駛艙的周圈有工作平臺，其高度滿足架設三維激光掃描儀的要求。在推焦車完成推焦后，移動推焦車使三維激光掃描儀正好處于炭化室中心位置，待整體平穩后即可開始作業。故此次儀器擬擺設在推焦車駕駛艙的周圈平臺上。

3.2 點云數據預處理

野外采集的點云數據具有高冗余、誤差分布非線性和不完整等特點。為了保證采集的點云數據能高效地運用于后期平整度的數據計算，點云數據的預處理環節就顯得十分重要[2]。點云數據的預處理包括點云拼接、點云濾波、點云配準和特征提取這四個步驟，本次數據預處理采用了美國天寶公司的Trimble RealWorks軟件，該軟件具有點云影像可視化、點云編輯、點云拼接、影像數據點三維空間量測、空間三維建模、紋理分析和數據格式轉換等功能。

(1)點云拼接：本次測量采用標靶拼接，其原理為在參與拼接的兩站中尋找共同標靶進行拼接。進行標靶拼接之前需利用軟件自動或手動地提取標靶位置，軟件再根據兩站間相同的標靶位置自動拼接點云。軟件可自動計算兩站間點云的三維誤差，誤差一般在亞毫米級別。

(2)點云濾波：點云濾波是對點云去噪的過程。在野外進行掃描操作時會不可避免地因被測物體表面(材質、紋理等)，周邊環境(遮擋物、車輛和行人等)和儀器自身特性(CCD攝影機的分辨率、掃描設備的精度)的影響而產生一些噪點。這些噪點將影響特征點提取的精度。點云去噪的方法有兩種，一種是依托點云處理軟件自身的去噪功能進行去噪，另一種就是人工干預，直接將不需要的點云數據刪除。

(3)點云配準：點云配準是將點云自帶的坐標系配準至項目需要的絕對坐標系中。事先利用全站儀、RTK等采集棋盤紙中心位置坐標，在采集點云數據的同時對測站附近的棋盤紙進行掃測，根據測區大小均勻地采集任意測站附近的棋盤紙的坐標并保證坐標文件中的標靶點名稱與從點云數據中提取的標靶點名稱一致。利用點云處理軟件可完成點云數據和采集的棋盤紙坐標的配準過程。

(4)特征提取：特征提取是指提取用于爐墻平整度計算的特征點。一個焦爐的掃測工作少則幾十站，多達幾百站，數據占用的電腦存儲空間往往達到幾十個GB。如此龐大的數據如果全部納入計算，一則無法達到預期計算結果，二則占用很大的電腦運行空間，使計算速度大大降低。提取相應的特征點用于指定項目的運算大大提高了計算速度和結果精度。

3.3 平整度計算

3.3.1 平整度計算方法

基于預處理后獲得的點云數據，任意選取不共線三點求出初始平面方程，進而根據間接平差原理獲得炭化室爐墻的擬合平面方程。由于炭化室內部經歷了長年的燃燒，焦炭殘質勢必殘留于炭化室爐墻上，加之炭化室的溫度長年高達1 200 ℃，掃測過程中存在一定的粗差，會影響爐墻擬合的精度。利用Huber選權迭代法可減小粗差的影響，獲得較為精確的爐墻擬合平面，2014年李杰等已發表過相關論述，文章不再贅述。將擬合的平面作為爐墻平面，計算點云中各點到該爐墻平面的距離平均值即可得到爐墻平整度。爐墻擬合平面表達式如公式(2)所示：

基于點云數據(xi,yi,zi) (i=1,2,3,…，n)，通過最小二乘法獲得擬合平面,如公式(3)所示：

各點到爐墻擬合平面的距離為：

爐墻的平整度為：

式中：d為炭化室爐墻上的點到爐墻擬合平面的距離；m為炭化室爐墻上的點到爐墻擬合平面的點位中誤差，m越小說明爐墻越平整，反之炭化室爐墻凹凸明顯。

3.3.2 平整度計算

通過Trimble RealWorks軟件可基于最小二乘法對點云數據進行最優平面擬合。具體是利用Trimble RealWorks軟件的自由建模功能，在炭化室爐墻點云中選取三個點，該三點應盡量覆蓋整個爐墻且最好不共線，進而創建并獲得該爐墻的最優擬合平面。借助軟件的辦公室測量功能模塊可計算炭化室爐墻的點云到擬合平面的距離，并根據計算得到的距離值制作等值圖，如圖2所示。

以不同顏色表示不同的距離值，其中藍色區域的距離絕對值最大，為10 mm，品色區域的距離絕對值最小，為0 mm。如圖2所示炭化室爐墻的變化情況及變化區域十分清晰，可為后期進行炭化室爐墻維修提供參考。此種方法與之前學者提出的墻面平整度檢測方法得到平整情況分布和距離值基本相同，但此種方法從點云數據預處理到最終墻面平整度檢測都在一個軟件中完成，擺脫了墻面平整度檢測過程中需將不同階段的數據相互轉換的困擾。傳統的炭化室爐墻平整度檢測方法僅是使用全站儀在炭化室兩端采集坐標來反映炭化室變化情況，無法真實反映炭化室爐墻內部變形情況。三維激光掃描儀可完整采集炭化室爐墻各點的三維激光坐標數據，通過軟件分析計算得到爐墻墻面平整情況分布圖和各區域的數值，創造出了一種新的炭化室爐墻檢測方法。

圖2 點云到擬合平面的距離值等值圖

4 結語

三維激光掃描儀在需要采集大量數據進行計算的作業中具有明顯的優勢，學者之前提出的各種墻面平整度檢測方法無疑給后來學者提供了大量可資借鑒的經驗。炭化室爐墻平整度檢測是墻面平整度檢測的延伸，不同于普通的墻面平整度檢測方法，基于三維激光掃描技術的炭化室爐墻平整度檢測方法在點云數據的采集和成果質量的驗證上更為困難，尤其是需要在焦爐不停產的狀態下采集數據。雖然文章闡述的檢測方法能在焦爐炭化室不停產狀態下對炭化室爐墻進行平整度檢測，成果質量也有一定的保證，但如果作業時能采用兩臺三維激光掃描儀在炭化室兩側同時開展測量工作以相互檢測得到的炭化室爐墻平整度結果，不失為更佳。