三維掃描技術(shù)在海洋結(jié)構(gòu)管線施工中的應(yīng)用研究

吳辰，朱沫，黃明，曾孔

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518054）

當(dāng)前海洋平臺服役年限逐年增加，油田生產(chǎn)設(shè)施工藝進(jìn)步顯著，為滿足油田生產(chǎn)需求，大量海上生產(chǎn)設(shè)施和陸地終端結(jié)構(gòu)、管線需要進(jìn)行改造或更換。平臺改造前，傳統(tǒng)方式主要采用人工手段進(jìn)行測繪，即通過人工測量的方式獲取結(jié)構(gòu)管線信息，后期進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。這種測量和設(shè)計(jì)方式工作量大、耗時(shí)長且精度難以保證，影響工程質(zhì)量、效率。三維激光掃描技術(shù)（Three-Dimensional Laser Scan Technology）以高速激光獲取復(fù)雜物體的幾何圖形信息，每秒可以獲取數(shù)萬點(diǎn)數(shù)據(jù)，采集效率、精度以及自動化程度更高。以某典型海上平臺新增井槽項(xiàng)目為例，基于高精度三維激光掃描技術(shù)及逆向三維點(diǎn)云建模技術(shù)開展海上平臺結(jié)構(gòu)管線數(shù)字化應(yīng)用研究，提高海上施工作業(yè)效率和精準(zhǔn)度，降低施工工作量和投資成本，為其他海上設(shè)施結(jié)構(gòu)管線改造提供應(yīng)用參考。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

該技術(shù)應(yīng)用激光掃描的方式獲取物體空間外形和輪廓信息，依托三維激光掃描儀快速、大范圍的優(yōu)勢獲取物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)景三維建模。三維激光掃描儀能夠快速對空間內(nèi)的點(diǎn)信息進(jìn)行采集和處理，應(yīng)用具有一定分辨率的空間點(diǎn)所組成的點(diǎn)云圖來表達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)物體表面采樣結(jié)果。

根據(jù)測距方式，掃描儀分為三角式、相位式、脈沖式等3 種。其中前兩者測量范圍小(0.5 ～100m)，后者測量范圍大(1 ～6000m)，因此脈沖式多用于工程領(lǐng)域測繪研究和實(shí)踐。激光脈沖被投射到被測量物體后，接收器接收物體的反射脈沖，記錄脈沖往返時(shí)間差，由此得到測量距離。與此同時(shí)，基于內(nèi)置角度測量系統(tǒng)掃描點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)值，此外還會記錄物體反射強(qiáng)度值。脈沖式三維激光測量點(diǎn)云坐標(biāo)見圖1 所示，其中α 為激光束在坐標(biāo)系中的水平角、β 為垂直角、S 為激光束、P 為物體表面在坐標(biāo)系中的點(diǎn)。應(yīng)用該方法得到高品質(zhì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，便于后續(xù)三維建模。

圖1 點(diǎn)云坐標(biāo)原理圖

與傳統(tǒng)的現(xiàn)場測繪方式相比，三維激光掃描技術(shù)獲取信息速度快、精度高，降低了人力、時(shí)間成本的消耗；數(shù)據(jù)客觀、全面，具有較好的可編輯性，數(shù)據(jù)處理方式靈活多樣，兼容CAD、PDMS、Geomagic、E3D 等軟件，兼容性強(qiáng)；能夠高精度地獲取現(xiàn)場設(shè)備三維模型，為施工方案的編制提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，避免二次測量；基于非接觸測量方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、危險(xiǎn)區(qū)域的測量工作，適用范圍更廣。

2 三維掃描技術(shù)在海洋結(jié)構(gòu)管線施工中的應(yīng)用

以南海某海上石油平臺新增井槽項(xiàng)目為例，開展三維掃描技術(shù)在海洋結(jié)構(gòu)管線施工過程中的應(yīng)用實(shí)踐。目標(biāo)油田根據(jù)生產(chǎn)動態(tài)落實(shí)探明地質(zhì)儲量，并新增多個(gè)潛力井位，開發(fā)方案設(shè)計(jì)增加6 個(gè)井槽，并對平臺現(xiàn)有生產(chǎn)水、原油、開排、閉排、消防水等系統(tǒng)管線進(jìn)行改造。海上平臺管線走向和密集度比較復(fù)雜，常規(guī)測量工作難度大。

2.1 現(xiàn)場掃描

因海上平臺設(shè)備、管線結(jié)構(gòu)密集，如果不能選擇合適的站點(diǎn)，點(diǎn)云模型效果較差，甚至出現(xiàn)部分站點(diǎn)無法拼接的問題。在現(xiàn)場勘查過程中，根據(jù)平臺內(nèi)管線結(jié)構(gòu)密集程度，設(shè)計(jì)站點(diǎn)掃描方案，通過選擇合適的布站位置和布站數(shù)，確保獲取全面的點(diǎn)云信息，滿足點(diǎn)云模型構(gòu)建的需求。對于管線密集區(qū)重點(diǎn)掃描，結(jié)合現(xiàn)場情況制定站點(diǎn)布設(shè)方案。目標(biāo)平臺共有4 層甲板、1 棟生活樓，基于3 ～5m 布設(shè)站點(diǎn)的原則，共布設(shè)站點(diǎn)310 站。

根據(jù)站點(diǎn)編號對掃描靶標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行編號，旨在便于后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接以及坐標(biāo)校正。通常來說，儀器掃描獲取的初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)為儀器自定義坐標(biāo)系，基于公共點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)系。在現(xiàn)場掃描過程中，根據(jù)現(xiàn)場復(fù)雜程度采取差異化的測量方法，對于管線走向清晰、視野相對開闊的區(qū)域，可適當(dāng)放大不同測站間的距離，相鄰測站間應(yīng)用連接球進(jìn)行拼接。測站密度相對大的區(qū)域，直接測量并通過公共平面將不同測站間的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。掃描過程中，盡量從不同的視野方向獲取完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提升內(nèi)業(yè)處理的準(zhǔn)確性。

本文選用FARO FOCUS S150 三維掃描儀開展現(xiàn)場掃描，其水平掃描范圍為360°，垂直掃描范圍為300°，掃描距離為150m。三維掃描儀精度極高，現(xiàn)場細(xì)微振動引起的誤差可能造成后期拼接失敗，為此作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量避免掃描現(xiàn)場出現(xiàn)振動、晃動等問題，規(guī)避大風(fēng)天氣作業(yè)，保證掃描數(shù)據(jù)的精度，圖2 為123 號站點(diǎn)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

表1 研究區(qū)站點(diǎn)布設(shè)方案

圖2 123 號站點(diǎn)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描儀作業(yè)過程中每一掃描站點(diǎn)單獨(dú)得到一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要對多個(gè)點(diǎn)云進(jìn)行拼接，得到初步的點(diǎn)云模型，所謂三維點(diǎn)云模型是一定范圍內(nèi)采集的所有點(diǎn)數(shù)據(jù)的集合。點(diǎn)云處理中包括點(diǎn)云提取、點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)統(tǒng)一等。

為保證點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)的完整性，將外業(yè)測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行全部提取。使用SCENE 軟件識別相同信息的點(diǎn)云，進(jìn)行自動對齊、拼接處理，保證每個(gè)點(diǎn)云之間有較好的相關(guān)性，對于不能自動拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，人工對齊后再次嘗試拼接。拼接時(shí)注意是否存在站點(diǎn)遺漏或者自動拼接錯(cuò)誤等問題。掃描布站比較集中的地方可能出現(xiàn)自動拼接錯(cuò)誤，需要人工檢查調(diào)整。一般來說，基于平面的無目標(biāo)拼接方式能夠?qū)崿F(xiàn)拼接目的，如果出現(xiàn)未配準(zhǔn)的測站，應(yīng)基于點(diǎn)云配準(zhǔn)工具，人工進(jìn)行配準(zhǔn)。如果部分區(qū)域點(diǎn)云模型效果不好，可以增加布站或者將部分站點(diǎn)重新掃描，再次補(bǔ)充拼接。點(diǎn)云拼接完成后，得到初版的點(diǎn)云模型。初版點(diǎn)云模型中可能存在誤掃描的人、工具等無用信息，需要人工選取刪除，提升點(diǎn)云模型觀察和使用效果，降低計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理量，提高工作效率。完成拼接、噪點(diǎn)去除、無關(guān)信息刪除并進(jìn)行平滑處理。利用坐標(biāo)校正工具將坐標(biāo)軸對齊，保證不同兼容軟件均可打開點(diǎn)云模型，并按照所需坐標(biāo)軸進(jìn)行操作。完成上述處理后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查修正，復(fù)雜區(qū)域需進(jìn)行外業(yè)調(diào)查，保證管線數(shù)據(jù)的完整性。目標(biāo)項(xiàng)目拼接處理完成的三維模型見圖3 所示。

圖3 拼接處理后的點(diǎn)云模型

2.3 三維建模

經(jīng)提取處理后的管線點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬建模，本研究基于Geomagic 進(jìn)行三維建模。Geomagic 軟件集成點(diǎn)云、三角網(wǎng)格以及CAD 建模于同一用戶界面，可以選擇采樣、降噪、簡化等自動化工具編輯數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換到多邊形網(wǎng)格中。Geomagic 軟件直觀的實(shí)體建模工具可以簡化網(wǎng)格創(chuàng)建實(shí)體幾何圖形的過程，一鍵即可提取曲線、曲面和實(shí)體。創(chuàng)建實(shí)體模型后，比較實(shí)體模型及其三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，找出二者之間的偏差區(qū)域，并能快速簡單地導(dǎo)出CAD 文件格式。Geomagic 軟件的三維數(shù)據(jù)處理能力能夠大幅提高逆向工程、生產(chǎn)型制造、原型開發(fā)、概念建模的處理效率。

本研究建模處理步驟如下：（1）處理點(diǎn)云模型使其坐標(biāo)軸與Geomagic 坐標(biāo)軸對齊；（2）開展片面化、降噪處理，細(xì)化點(diǎn)云模型；（3）智能識別點(diǎn)云模型中的點(diǎn)集，建立對應(yīng)尺寸的草圖；（4）對草圖進(jìn)行拉伸、壓縮等處理，完成管線、結(jié)構(gòu)件等部件的三維實(shí)體建模。圖4 為平臺某12 寸玻璃鋼管線，管線標(biāo)高為3.35m，圖中2 三通分別為12 吋*8 吋、12 吋*10 吋，水平夾角為45°。若使用傳統(tǒng)方式測量該段管，需要搭設(shè)腳手架，2 三通定位難度大，測量困難。基于三維掃描與Geomagic 相結(jié)合的掃描方式，僅需在現(xiàn)場布4 個(gè)站點(diǎn)，20min 即能完成全部測量工作，應(yīng)用Geomagic 進(jìn)行簡單的操作即可復(fù)原該段管線。

圖4 基于Geomagic 的某管線三維建模圖

將處理后的點(diǎn)云導(dǎo)入Geomagic 進(jìn)行三維逆向建模，將包含原有的設(shè)備、結(jié)構(gòu)、管線的三維掃描模型以及新增工程詳細(xì)設(shè)計(jì)模型放置在同一空間內(nèi)，得到圖5 所示的工程設(shè)計(jì)模型。

圖5 三維掃描模型融合工程詳細(xì)設(shè)計(jì)模型

2.4 應(yīng)用效果

基于三維激光掃描以及點(diǎn)云建模技術(shù)，對某平臺設(shè)備、管線等進(jìn)行數(shù)字化建模，能夠直觀的檢查碰撞干涉問題（見表2）。基于上述調(diào)查成果，通過直觀的三維模型優(yōu)化施工方案，合理布置管道走向和安裝方式，精準(zhǔn)布置材料倒運(yùn)路線，全局規(guī)劃施工進(jìn)程。較傳統(tǒng)測量方法相比，此項(xiàng)測量、建模方法有效提高了數(shù)據(jù)的測量速度和精度，縮短了海上作業(yè)工期，避免了返工問題，提升了作業(yè)效果和施工質(zhì)量，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保證了海上施工的安全性。

表2 目標(biāo)項(xiàng)目管線碰撞干涉情況

3 結(jié)語

以海上某平臺井槽擴(kuò)建項(xiàng)目為例，開展了三維激光掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模研究，實(shí)現(xiàn)了從測量、建模、設(shè)計(jì)的無縫連接，為海上平臺結(jié)構(gòu)管線施工改裝項(xiàng)目的順利進(jìn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在本文方法的基礎(chǔ)上深入挖掘，可探索更多的應(yīng)用場景，將該技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化工廠的搭建，在記錄設(shè)備、材料、材質(zhì)等靜態(tài)信息的同時(shí)模擬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。此外，融合數(shù)字孿生仿真技術(shù)拓展業(yè)務(wù)范圍，構(gòu)建完整的工程智能化、自動化建設(shè)服務(wù)體系，推動行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。