基于三維掃描和全局坐標系的泥艙校準新方法

饒洪華

(大連中遠海運重工有限公司,遼寧 大連 116113)

0 引言

在非正式的貿易結算場合,對精確度要求不高的情況下,可以利用型線圖、結構圖、艙容圖等建模的方式來計算船舶液艙艙容[1],但若用于計算裝載高價值的石油、液化天然氣等液艙艙容就會出現很大的價值差異。如:某貨油艙體積為10萬 m3的油船,扣除系數分別取1%和2%會導致計算載油量相差1 000 m3,按照油價70美元/桶(440美元/m3)計算,由估算方法帶來的價值差異高達280萬元人民幣;某型13 000箱集裝箱船的燃料油艙(含重油、柴油、低硫油等)總容積大約13 000 m3,假設實際艙容與計算艙容存在1%的差異,加滿一次油會有幾十萬人民幣的價值差異。因此,保證艙容校準和計算的準確性具有十分重要的現實意義[2]。

目前艙容校準方法一般采用容量比較法或幾何測量法。容量比較法一般適用于300 m3以下的小型不規則液艙,精度較高,但是對于大容量艙,該方法需要大量時間。幾何測量法是通過儀器對液艙的幾何尺寸進行測量,并建立幾何模型計算艙容,但是用于不規則艙容積校準則精度稍差。本文以某型18 000 m3耙吸式挖泥船為例,分析該船泥艙的特點,并提出一種基于三維激光掃描技術的泥艙艙容校準方法和全局坐標系的遙測測深表(艙容校準表)新形式,以避免上述2種艙容校準和計算方式的不利影響。

1 艙容校準資質要求

根據建造規格書的要求,要對該粑吸式挖泥船燃料油艙(約2 300 m3)、泥艙(約18 000 m3)進行艙容校準測量。假設實際艙容與計算艙容存在1%的差異,泥艙相差180 m3,并不會影響挖泥船的營運或租賃計費等,但是出于該船功能上的特殊要求,對泥艙進行艙容校準是必要的。

因為艙容校準屬于計量器具校準,所以船廠一般將此事委托給第三方專業公司來做。本項目要求校準機構具備的資質包括以下4個方面:

(1)校準單位要有國家授權,即國家法定計量檢定機構計量授權證書,發證機關為國家市場監督管理總局。

(2)校準人員要有國家注冊計量師資質。

(3)主要校準設備要有檢驗證書。

(4)校準單位要有ISO/IEC 17025認證,即CNAS實驗室認可證書。此認證由合格評定國家認可委員會授權,目前全國僅兩家單位有授權資格。

2 艙容校準測量方法及設備

依據國家檢定規程《船舶液貨計量艙容量》(JJG 702—2005)的技術要求,艙容計量現場校準方法分為幾何測量法和容量比較法。此外,列舉了經緯儀和全站儀的測量原理,但尚未有三維激光掃描儀的使用方法。

本文使用的是Focus 3DX330三維激光掃描儀。該設備采用目前國內領先的空間坐標測量方法,所使用的激光掃描儀經法定計量技術機構出具校準證書,適用于單個艙的容量不大于100 000 m3大場景的空間信息獲取。該套系統對船艙進行360°整體掃描,根據三維點云數據建立被校準船艙的計算模型,再通過專業軟件進行后期處理,計算出各高度下容量、縱傾修正值、橫傾修正值。

作為一種新的艙容校準測量儀器和方法,與傳統的使用全站儀的方法相比,有以下幾個優點:

(1)工作效率高。以一個5 000 m3的船艙為例,三維掃描大約耗時10 min,而全站儀測量時間超過1 h,效率提高很多倍。

(2)準確度高。三維激光掃描儀在9 m距離內,絕對測距誤差小于0.5 mm,精確度遠高于全站儀。并且三維掃描是點云測量,即通過測量無數的點而形成測量面。根據分辨率不同,通常一個艙的數據量可達1 G甚至更大,而全站儀是通過測量各特征點的數據,信息量有限。測量點的數據越多,越接近船艙實際的空間狀態。因此在進行大空間、不規則艙的艙容校準時,三維掃描精確度大大提高。

(3)可以復現艙室空間。三維掃描后,可通過專業的后處理軟件直接呈現出測量現場的三維圖形,非常直觀。而全站儀只能通過現場數據結合軟件擬合出三維模型。

(4)不受船舶條件限制。在保證精度的同時,三維掃描測量對船舶狀態的要求降低。因為當掃描儀定位在船上或艙內時,無論船舶縱傾、橫傾及船外風浪的變化,船舶相對于三維掃描儀來說都是靜止的,測量時不受船舶浮態的影響;當船舶和掃描儀狀態達到同步時,還可以進行船外無接觸測量。而全站儀相對大地是水平的,要求船舶在船臺、旱塢或者浮船塢內才能保證精度,如:船舶浮在水上,則要求測量過程中船舶盡可能處于正浮狀態;當船舶浮態發生變化,其測量值就會偏離實際值。

(5)自動化程度高。三維掃描儀固定在某處并設置好參數后,可自動掃描艙內三維空間,不受外界因素干擾,并可通過后處理軟件處理掃描的信息。而全站儀測量時,測量的每一個點都需要進行人為干預,受人為和環境因素的干擾。

本文配套測量設備包括激光測距儀、鋼卷尺、直尺、測深尺、深度游標卡尺、溫度計及相關配套設備,主要用于輔助測量工作及特定結構的幾何尺寸、手動測深管等測量。

3 泥艙艙容校準特點

18 000 m3耙吸式挖泥船泥艙分為前、后2個泥艙,分別由2個和3個漏斗狀結構組成。常規的泥艙校準方式是在艙底平坦位置安放三維激光掃描儀,對所在測站視場范圍內的三維空間進行掃描測量。由于艙底部存在漏斗結構,因此需要分別在漏斗結構兩側的不同位置進行測量,通過在艙內設置公用測量點或測量公共區域,實現不同測站數據的整合,建立起被校準船艙的三維點云模型,進而計算相對應的容積數值[3]。其次是測量每個手動測深管或每個液位遙測傳感器相對于本艙的位置,編制針對每個測深管或者傳感器的手動測深表或者遙測測深表,以供實際測量使用。

該挖泥船前泥艙共安裝有4個手動測深小絞車和6個液位測量雷達,后泥艙裝有6個手動測深小絞車和9個液位測量雷達。常規做法是測量手動小絞車和液位雷達相對于本艙的位置,即相對坐標。根據建造規格書的要求,需測量基于全局坐標系原點的絕對坐標,即基于艉垂線、船中、船底板交點處(0,0,0)的坐標。一種方法是在縱向上使用前、后泥艙壁作參考基準,橫向上以左側或右側的泥艙圍板作參考基準,垂向以主甲板或者泥艙圍板的上緣作參考基準,再使用三維激光掃描泥艙、小絞車和液位雷達,就能算出泥艙范圍內任一點及小絞車、液位雷達基于全局坐標系原點(0,0,0)坐標。但是在實際建造中,精度公差不可避免,船體變形客觀存在,上述艙壁、圍板、甲板等本身就不準,實際位置跟理論位置有少量差別,不能作為參考基準。本項目以船上的全船定位參考點作測量基準,通過測出泥艙、小絞車、雷達對全船定位參考點的相對坐標,換算出基于全局坐標系原點(0,0,0)的坐標。

全船定位參考點是本船的另一個特殊位置信息。為了給船上的測量導航程序提供船舶的位置信息,在全船主甲板以上不同位置設計了23個點,包括主甲板、艏樓甲板、羅經甲板、上層建筑后壁、煙囪側面等無遮擋的位置,根據設計圖紙,分段建造階段在每個點上焊接一塊小標示板,不涂油漆,利于分辨。考慮到建造存在誤差,需要校準這些定位參考點的坐標。當船臺大合龍完成后且船舶尚未下水時,在船舶全局坐標系原點位置(0,0,0)放置一個靶球,并在船臺附近及船上多個位置來測量這23個定位參考點相對于靶球的坐標,即可得到這23個點基于全局坐標系原點(0,0,0)的實際坐標。

經現場勘察,假設按照常規校準方式,三維掃描儀放在漏斗底部,那么只能觀察到這23個全船定位參考點中的1個,且距離三維掃描儀過遠,不利于瞄準定位及精確測量。本項目通過安裝臨時輔助定位靶球和多點測量換算的方法解決了這個難題。

測量前,分別在泥艙的甲板橫梁、左右縱壁、前后艙壁等位置安裝12個臨時輔助定位靶球。當三維掃描儀在艙底測量時,可以同時測量到艙容信息、手動小絞車、液位雷達和部分輔助定位靶球。艙內測量完成后,再把三維掃描儀挪到泥艙的甲板橫梁上,進行二次測量,此時可以同時測量到附近的某個全船定位參考點及大部分輔助定位靶球。這些在兩次測量中被重復測到的輔助定位靶球可以作為位置換算的中介。已知某個全船定位參考點的實際坐標,計算出某個輔助定位靶球的坐標,最終整個泥艙和手動小絞車、液位雷達的基于全局坐標系原點(0,0,0)的坐標都可以被計算出來。測量示意圖見圖1。

圖1 本項目泥艙艙容校準示意圖

4 泥艙校準報告新形式

常規的測深表(手動或遙測)僅僅是針對某一個測深管或者傳感器的。如果某個艙有多個測深管或者傳感器,則每一個測深管或者傳感器分別都有一組對應它本身的測深表。但本船自動化程度非常高,且挖泥船是特殊工程船舶,其測深表跟常規形式也不一樣。船方要求同時使用所有的液位測量雷達,且只使用同一個遙測表。為滿足要求,本文在前、后泥艙各假設一個虛擬的點來代替各艙實際的液位測量雷達,作為遙測測深表的計算起點,這樣每個泥艙僅有一個遙測表。虛擬點示意見圖2。

圖2 泥艙遙測表計量基準點(虛擬點)示意圖

先假設此虛擬點在泥艙頂部的中間,可以確定此虛擬點的坐標,而每個雷達的坐標之前都已經測量過,那么每個雷達跟虛擬點的位置就是固定且已知的。泥艙的多個液位測量雷達分布在泥艙的前后左右不同位置,同時使用所有雷達或者至少有2～3個雷達在使用時,就可以根據多個雷達之間的相對位置計算出泥艙內實際液位的高度、縱傾、橫傾等信息,再換算成虛擬點處的液位高度,查遙測測深表就可以算出泥艙內的液體裝載信息。這種以虛擬點為計量基準點的方式,通過船上泥艙液位監測系統的后臺自動運算,可以實時監控泥艙裝載量。

5 結論

(1)從船舶交付后營運現狀來看,本校準方法及遙測測深表形式,能夠準確并高度自動化地測量泥艙艙容,滿足船舶主要功能的需求。

(2)艙容校準方法需要根據具體工作方式、環境等外因對傳統方法作出適當的調整和改進。三維激光掃描技術可以很好地應用于類似于泥艙等復雜液艙的艙容校準。

(3)由于泥艙中的泥泵排量非常大,傳統人工使用手動小絞車的測量方式不適用于泥艙的測量,可以使用基于全局坐標系的液位監測系統來完成對泥艙液位變化的實時監控。

(4)液位測量時使用多個雷達共同測量,不僅能統一測量標準,保證使用同一個測深表,同時還可以增加監測工作時的容錯率,保證即使只有少量幾個雷達正常工作也可以準確完成泥艙裝載測量。