徐海豐 李曉鵬 劉祥彪 李 偉 商 海 馬新安
(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院;2.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;3.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)
立式儲(chǔ)罐是我國(guó)重要的石化能源儲(chǔ)存設(shè)備,在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,由于受自身材質(zhì)、介質(zhì)重量及外界環(huán)境等因素的影響,造成其基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降、罐壁發(fā)生不同程度的幾何變形,給儲(chǔ)罐安全帶來(lái)巨大的隱患[1]。因此,從國(guó)家層面和石油天 然 氣 行 業(yè) 分 別 推 出 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn)[2]和 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn)[3,4]來(lái)規(guī)范立式儲(chǔ)罐在建造和使用過(guò)程中的幾何變形檢測(cè)。目前工程上的檢測(cè)方法有全站儀法[5]、光學(xué)參比線法[6]、爬壁機(jī)器人技術(shù)[7]、三維激光掃描技術(shù)[8]等,雖然具有較高的精度,但是機(jī)動(dòng)性差、效率低,同時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)高、數(shù)據(jù)計(jì)算量大等問(wèn)題,不便于日常巡庫(kù)檢測(cè)。
隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟,利用相機(jī)采集的圖片數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造三維模型逐漸成為可能[9]。董帥等利用三維數(shù)字圖像相關(guān)法(3D-DIC)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜口腔印模的三維重構(gòu)[10],張貴陽(yáng)等通過(guò)優(yōu)化被測(cè)物體與多相機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的位置和姿勢(shì)參數(shù),進(jìn)一步提高了三維變形全場(chǎng)測(cè)量的精度[11]。儲(chǔ)罐變形檢測(cè)方面,陶金等首次基于雙目立體成像原理搭建了儲(chǔ)罐形變檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)與三維激光掃描儀測(cè)量對(duì)比,驗(yàn)證了雙目成像系統(tǒng)在儲(chǔ)罐變形檢測(cè)中的可行性[12]。然而雙目成像無(wú)法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐全域檢測(cè),盡管可以通過(guò)相機(jī)滑軌對(duì)圖像進(jìn)行拼接,但無(wú)法避免引入定位誤差,降低檢測(cè)精度。為此,筆者基于多相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)搭建儲(chǔ)罐全域變形檢測(cè)系統(tǒng),并在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)儲(chǔ)罐模型進(jìn)行基礎(chǔ)沉降檢測(cè)、傾斜度和橢圓度的測(cè)量,最后通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,進(jìn)行誤差分析,為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐全域、全自動(dòng)、在線檢測(cè)提供新的方法和思路。
為了實(shí)現(xiàn)全域三維建模和測(cè)量,SOLAV D等提出了多相機(jī)的MultiDIC算法[13],該算法解決了相機(jī)對(duì)之間的定位矯正和三維圖像拼接的問(wèn)題。目 前,MultiDIC算 法 已 成 功 應(yīng) 用 于 材 料 力 學(xué)[14,15]和生物力學(xué)[16,17]等領(lǐng)域。
雙目相機(jī)3D-DIC是實(shí)現(xiàn)MultiDIC的基礎(chǔ),而3D-DIC首先由LOU P F等[18]提出,其基本原理[19~21](圖1)是將雙目立體視覺(jué)原理[22~25](圖2)與數(shù)字圖像相關(guān)匹配技術(shù)相結(jié)合。通過(guò)立體相機(jī)對(duì)從不同角度查看關(guān)注區(qū)域(Region of Interest,ROI),拍攝參考配置和當(dāng)前所需配置的一系列圖像,還原被測(cè)物表面各點(diǎn)變形前后的三維空間坐標(biāo),進(jìn)而得到物體表面形貌及三維變形信息。已有研究工作者對(duì)3D-DIC測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估[26~29],結(jié)果表明該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)體表面的位移和應(yīng)變高精度的非接觸測(cè)量。

圖1 3D-DIC原理圖

圖2 雙目視覺(jué)原理圖
相機(jī)成像通常采用針孔相機(jī)模型,通過(guò)對(duì)4個(gè)坐標(biāo)系的變換,可將世界坐標(biāo)系中一點(diǎn)P(x,y,z)映射為像素坐標(biāo)系上一點(diǎn)I(xp,yp),即:
其中,Rij(i,j=1,2,3)與Tx,Ty,Tz分別表示變換的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量;Cx,Cy分別表示像素坐標(biāo)系下的光心橫縱坐標(biāo);fx,fy分別表示橫縱方向的每毫米焦距所對(duì)應(yīng)的像素。
可整理為:
其中,Lj(j=1,2,…,11)為相機(jī)隱參數(shù)(Direct Linear Transformation,DLT)。
通過(guò)建立像素點(diǎn)坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的直接線性關(guān)系,用最小二乘法計(jì)算出相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)的過(guò)程,也就是相機(jī)標(biāo)定的過(guò)程,標(biāo)定所得參數(shù)可為后續(xù)的三維重建提供必要條件。需要注意的是,這里采用的相機(jī)模型是一個(gè)理想化的無(wú)畸變模型,在使用高失真或低質(zhì)量鏡頭時(shí),該模型的精度難以得到保證,因此常常需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行畸變矯正。
由式(2)可知,在標(biāo)定完成后,僅憑像素坐標(biāo)系上一點(diǎn)依然無(wú)法求解該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo),但若知道該點(diǎn)在另一像素坐標(biāo)系上的對(duì)應(yīng)關(guān)系,則可以建立約束進(jìn)而確定該點(diǎn)的位置,這也是雙目立體視覺(jué)的基本原理。
筆者采用MultiDIC開源算法對(duì)多相機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行全域融合。MultiDIC核心的數(shù)字圖像相關(guān)的搜索匹配算法采用經(jīng)典的DIC開源代碼Ncoor[30]。MultiDIC算法的工作流程如圖3所示:第0步,通過(guò)棋盤格標(biāo)定獲得相機(jī)的畸變參數(shù) (非必須步驟,已進(jìn)行相機(jī)畸變標(biāo)定的可以跳過(guò)此步);第1步,固定相機(jī)對(duì)三維標(biāo)定物拍照,計(jì)算得到相機(jī)的DLT參數(shù);第2步,使用Ncoor工具包計(jì)算每個(gè)相機(jī)拍到ROI的位移和應(yīng)變;第3步,通過(guò)第2步的計(jì)算結(jié)果與第1步的相機(jī)DLT參數(shù)和第0步的相機(jī)畸變參數(shù)相結(jié)合,對(duì)每組相機(jī)對(duì)的圖像重構(gòu)三維點(diǎn)云,結(jié)合表面融合算法得到被測(cè)物體整體三維云圖;第4步,結(jié)合第3步的三維云圖計(jì)算被測(cè)物體整體的位移和應(yīng)變并將結(jié)果可視化。

圖3 MultiDIC算法流程
存儲(chǔ)石油化工產(chǎn)品的立式儲(chǔ)罐,由于存儲(chǔ)介質(zhì)的易燃易爆有毒等危險(xiǎn)屬性,儲(chǔ)罐的運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程都受到嚴(yán)格管控。因此,在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下搭建多相機(jī)全域儲(chǔ)罐變形檢測(cè)系統(tǒng)。
儲(chǔ)罐變形檢測(cè)系統(tǒng)包括儲(chǔ)罐模型、多相機(jī)陣列、燈光照明以及固定支架,如圖4所示。


圖4 多相機(jī)全域儲(chǔ)罐變形檢測(cè)系統(tǒng)
2.1.1 儲(chǔ)罐模型
筆者共準(zhǔn)備了3臺(tái)儲(chǔ)罐模型,如圖5所示。圖5a為圓筒標(biāo)定罐(φ360 mm×400 mm),用于相機(jī)的立體標(biāo)定,確定相機(jī)在三維空間中的位置。圖5b為均布散斑的鋼制圓筒罐(φ360 mm×400 mm),與標(biāo)定罐一樣,均為標(biāo)準(zhǔn)圓筒,用于儲(chǔ)罐沉降和傾斜度等剛性位移的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。圖5c為塑料板焊接的儲(chǔ)罐模型(φ370 mm×260 mm),由多塊PE塑料板材焊接而成。由于采用手工熱熔焊接,罐體并非標(biāo)準(zhǔn)圓筒,存在一定的橢圓度。而采用塑料材質(zhì),在加入一定高度的水之后罐體會(huì)容易產(chǎn)生變形。因此該塑料儲(chǔ)罐模型用于不同液位的橢圓度測(cè)試。為使儲(chǔ)罐具備足夠的特征信息,對(duì)儲(chǔ)罐表面進(jìn)行啞光處理,并利用散斑印章法與馬克筆標(biāo)記法在儲(chǔ)罐罐壁上制作隨機(jī)散斑。

圖5 3種儲(chǔ)罐模型
2.1.2 工業(yè)相機(jī)
文中所選用的相機(jī)來(lái)自杰瑞微通電子科技公司所生產(chǎn)的USB工業(yè)相機(jī) (HF899),焦距為2.8 mm,視場(chǎng)角為90°,分辨率為1920×1080。采用8個(gè)相機(jī)等間距環(huán)繞布置,相機(jī)之間夾角為45°,分布位置如圖4a所示。
2.1.3 燈源及支架
支架選用角鋼材料,橫向角鋼分別位于平臺(tái)下部和中部,下部橫向角鋼用于搭載攝像頭,中部橫向角鋼用于固定燈帶。燈帶采用長(zhǎng)為7 m的LED燈帶,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定光源,解決環(huán)境光干擾,確保圖像的穩(wěn)定性。
2.2.1 單相機(jī)畸變矯正
由于相機(jī)存在畸變且無(wú)法忽略,因此每個(gè)相機(jī)都需要用棋盤格進(jìn)行畸變矯正[31]。棋盤格中的每個(gè)格子為20 mm×20 mm正方形,格子陣列10×7。標(biāo)定時(shí)固定相機(jī)位置,以不同方向、不同傾角、不同距離移動(dòng)標(biāo)定板,拍攝25張標(biāo)定照片。圖6為1號(hào)相機(jī)進(jìn)行棋盤標(biāo)定時(shí)所獲取的照片。經(jīng)由MATLAB標(biāo)定工具箱的角點(diǎn)提取,通過(guò)單應(yīng)矩陣計(jì)算出相機(jī)內(nèi)參與畸變參數(shù)。8個(gè)相機(jī)分別進(jìn)行這一步驟,最終得到各個(gè)相機(jī)的畸變參數(shù)用于后續(xù)畸變矯正。

圖6 相機(jī)標(biāo)定
2.2.2 多相機(jī)立體標(biāo)定
為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的全域檢測(cè),采用圓柱標(biāo)定罐(圖5a)對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行立體標(biāo)定[32],從而在同一個(gè)三維坐標(biāo)系中識(shí)別8個(gè)相機(jī)的坐標(biāo)和姿態(tài)。圓柱標(biāo)定罐的罐壁均勻排布控制點(diǎn)矩陣,控制點(diǎn)矩陣為26行111列,點(diǎn)陣間距為10 mm。
將標(biāo)定罐置于檢測(cè)系統(tǒng)中央,調(diào)整標(biāo)定罐位置與相機(jī)位置,使標(biāo)定罐位于各相機(jī)視場(chǎng)角范圍之內(nèi),如圖7a所示。進(jìn)行圖像采集后,利用標(biāo)定程序捕捉控制點(diǎn)位置(圖7b),求解出各相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和DLT參數(shù),最后根據(jù)控制點(diǎn)捕捉統(tǒng)計(jì)誤差(圖7c)來(lái)確定系統(tǒng)是否滿足檢測(cè)精度要求。


圖7 立體標(biāo)定過(guò)程
根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3,4],儲(chǔ)罐變形檢測(cè)主要包括基礎(chǔ)沉降檢測(cè),儲(chǔ)罐傾斜度和橢圓度檢測(cè)。因此,分別設(shè)計(jì)3個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證多相機(jī)全域儲(chǔ)罐變形檢測(cè)系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。
儲(chǔ)罐在使用過(guò)程中,由于物料介質(zhì)的循環(huán)輸入、輸出,造成基礎(chǔ)在垂直方向上產(chǎn)生沉降。針對(duì)此,設(shè)計(jì)了儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降實(shí)驗(yàn)方案。首先,將均布散斑的標(biāo)準(zhǔn)鋼制圓筒罐放置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中央,并在圓筒罐下方放置兩塊10 mm厚的標(biāo)準(zhǔn)試塊作為其基礎(chǔ),如圖8a所示。調(diào)用python-opencv自編程序控制8臺(tái)相機(jī)進(jìn)行散斑圖像批量采集,經(jīng)MATLAB平臺(tái)的MultiDIC程序?qū)Χ嘞鄼C(jī)照片進(jìn)行計(jì)算和分析,獲得圓筒罐的初始三維云點(diǎn)圖,如圖8b所示。然后,依次去掉兩個(gè)試塊,并對(duì)圓筒罐進(jìn)行拍攝和MultiDIC 計(jì)算,分別獲得沉降10 mm 和20 mm儲(chǔ)罐沉降位移云圖(圖8c、d)。提取圖8c、d中的位移云圖數(shù)據(jù),分別計(jì)算各點(diǎn)位移平均值,得到第1次沉降量為9.84 mm,第2次沉降量為19.61 mm。由此計(jì)算得到兩次基礎(chǔ)沉降測(cè)量的相對(duì)誤差分別為1.60%和1.95%。由此可見,多相機(jī)全域檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)罐垂直方向位移的檢測(cè)具有較高精度。

圖8 儲(chǔ)罐沉降檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生傾斜時(shí),罐壁一側(cè)受力情況發(fā)生變化,導(dǎo)致罐壁承壓不均勻,加速儲(chǔ)罐變形,從而引起重大的安全事故和財(cái)產(chǎn)損失。因此,儲(chǔ)罐傾斜度測(cè)量是儲(chǔ)罐年度檢查的重要內(nèi)容之一。圖9a為儲(chǔ)罐傾斜度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),其中虛線AB為底圓的直徑。在B點(diǎn)下方放置20 mm厚度的墊塊,通過(guò)鋼尺測(cè)量抬升高度BC為21 mm。此時(shí),罐體發(fā)生傾斜,罐底圓心O和罐頂圓心O′連線OO′與z軸線的夾角α即為傾斜度,如圖9b所示。

圖9 儲(chǔ)罐傾斜度測(cè)量實(shí)驗(yàn)
圖9b中的α也可通過(guò)B點(diǎn)抬升高度與直徑AB比值的反三角函數(shù)來(lái)計(jì)算(圖9c):
根據(jù)式(3),求得α=3.33°。
為了方便跟蹤B點(diǎn)位移,將B點(diǎn)設(shè)置為標(biāo)記點(diǎn),經(jīng)過(guò)MultiDIC計(jì)算,得到儲(chǔ)罐傾斜前和傾斜后的位移 云 圖 (圖10)。由 圖 可 以 看 出,B 點(diǎn) 坐 標(biāo) 由(190.70,17.08,39.74)變 為(184.90,16.68,60.39),其中x,y的坐標(biāo)也發(fā)生微小變化,可能在調(diào)整罐體傾斜度時(shí)發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)造成。z軸坐標(biāo)則由39.74 mm增加到60.39 mm,增加了20.65 mm。根據(jù)式(3),求得α=3.27°,與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差僅1.83%。

圖10 儲(chǔ)罐傾斜實(shí)驗(yàn)位移云圖
鋼制立式儲(chǔ)罐一般由多層環(huán)形鋼板焊接而成,其整體形變受徑向約束,在焊縫處往往留存有一定的焊接殘余應(yīng)力。在生產(chǎn)過(guò)程中隨著物料循環(huán)進(jìn)出,罐壁應(yīng)力重新分配,導(dǎo)致其逐漸變化為近似橢圓形的容器,通過(guò)分析儲(chǔ)罐橢圓度可以掌握其徑向變形程度。橢圓度e的公式為:
式中 a——儲(chǔ)罐長(zhǎng)軸;
b——儲(chǔ)罐短軸;
d0——儲(chǔ)罐公稱直徑。
隨著罐內(nèi)液位的增加,其罐壁承受壓力隨之會(huì)增加,儲(chǔ)罐的橢圓度也將發(fā)生變化。因此,分別進(jìn)行0%、45%和90%液位下的橢圓度測(cè)試。為了保證儲(chǔ)罐存在一定橢圓度,選用圖5c所示的塑料板焊接儲(chǔ)罐模型。將儲(chǔ)罐模型放置在相機(jī)陣列中央,如圖4b所示,然后分別針對(duì)不同液位下的儲(chǔ)罐模型進(jìn)行拍照,經(jīng)MultiDIC計(jì)算,分別獲得0%、45%和90%液位下的三維位移云圖(俯視)如圖11所示。


圖11 不同液位下的儲(chǔ)罐模型位移云圖(俯視)
通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐點(diǎn)陣坐標(biāo)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算,獲取儲(chǔ)罐模型不同液位下的長(zhǎng)軸與短軸數(shù)值,并根據(jù)式(4)計(jì)算其橢圓度,結(jié)果列于表1。由表1可知,隨著液位增加,長(zhǎng)軸不斷縮短,短軸不斷加長(zhǎng),其橢圓度不斷降低。這表明,隨著液位增加儲(chǔ)罐模型更趨于標(biāo)準(zhǔn)的圓。
對(duì)不同液位下的儲(chǔ)罐模型位移云圖數(shù)據(jù)進(jìn)行拉格朗日應(yīng)變計(jì)算,獲得不同液位下的應(yīng)變?cè)茍D,如圖12所示。由圖可知,罐壁承受內(nèi)壓的情況下,應(yīng)變主要集中在焊縫處,這是因?yàn)楹缚p為不連續(xù)結(jié)構(gòu),不管是材質(zhì)還是厚度都與母板不同,容易造成應(yīng)力集中。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)環(huán)、縱焊縫交接處的應(yīng)變集中區(qū)域要明顯高于其他位置。

圖12 不同液位下儲(chǔ)罐模型的應(yīng)變?cè)茍D
為了驗(yàn)證儲(chǔ)罐橢圓度的測(cè)量精度,同時(shí)采用高精度加長(zhǎng)爪游標(biāo)卡尺(量程0~500 mm,爪長(zhǎng)200 mm)對(duì)儲(chǔ)罐模型的長(zhǎng)軸與短軸進(jìn)行多次測(cè)量,求取平均值,并根據(jù)式(4)計(jì)算儲(chǔ)罐橢圓度,列于表2中。將不同液位下多相機(jī)測(cè)量?jī)?chǔ)罐橢圓度和游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)?chǔ)罐橢圓度繪于圖13進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者的計(jì)算結(jié)果非常接近,最大相對(duì)誤差為4.92%,測(cè)量精度在工程可接受范圍之內(nèi)。

表2 橢圓度實(shí)測(cè)值(長(zhǎng)爪游標(biāo)卡尺測(cè)量值)

圖13 儲(chǔ)罐橢圓度對(duì)比圖
由于多相機(jī)拍照和MultiDIC計(jì)算過(guò)程都是通過(guò)計(jì)算機(jī)編程自動(dòng)完成,該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐在線幾何變形檢測(cè),對(duì)于大型、易燃、易爆、有毒介質(zhì)的儲(chǔ)罐幾何變形檢測(cè)尤為重要。該系統(tǒng)不僅能節(jié)省勞動(dòng)成本,同時(shí)也可以避免檢測(cè)人員和設(shè)備進(jìn)入罐區(qū)施工而帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。與現(xiàn)有的全站儀法和三維激光掃描法相比,該檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐變形狀況,尤其是進(jìn)出料過(guò)程不同液位所造成的罐壁變形和基礎(chǔ)沉降,及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn),保障儲(chǔ)罐安全運(yùn)行。
4.1 多相機(jī)全域儲(chǔ)罐變形檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)罐模型進(jìn)行360°全域三維重建,利用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)算法能夠?qū)崟r(shí)追蹤儲(chǔ)罐表面點(diǎn)陣的實(shí)際位移,對(duì)儲(chǔ)罐的整體分析有很好的參考價(jià)值。
4.2 在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,儲(chǔ)罐模型垂直位移相關(guān)的基礎(chǔ)沉降檢測(cè)誤差為1.95%,旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)的傾斜度檢測(cè)誤差為1.83%,幾何尺寸相關(guān)的橢圓度檢測(cè)誤差為4.92%。該系統(tǒng)針對(duì)儲(chǔ)罐變形檢測(cè)誤差均控制在5%范圍內(nèi)。
4.3 該系統(tǒng)能夠計(jì)算并顯示不同液位(或工況)下罐壁應(yīng)變分布,發(fā)現(xiàn)罐壁焊縫存在應(yīng)變集中現(xiàn)象,環(huán)、縱焊縫交接處尤為嚴(yán)重。罐壁全域應(yīng)變測(cè)量有助于實(shí)現(xiàn)罐壁的應(yīng)力分析,對(duì)儲(chǔ)罐的安全監(jiān)測(cè)具有重要意義。
4.4 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐的全域、全自動(dòng)、非接觸、在線變形檢測(cè),在節(jié)省勞動(dòng)成本的同時(shí)可以避免檢測(cè)人員和設(shè)備進(jìn)入罐區(qū)施工而帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于大型、易燃、易爆、有毒介質(zhì)的儲(chǔ)罐變形檢測(cè)尤為重要。