三維激光掃描技術在煉化企業數字化工廠中的應用

摘要：三維激光掃描技術憑借其掃描速度快、非接觸、高效率和高精度等優勢，在數字化工廠三維建模中展現出巨大潛力。與傳統基于3ds MAX、CAD、BIM等軟件的建模方式相比，三維激光掃描技術在數據采集、三維建模、數據維護等方面投入的人力物力更少，效率更高、現場還原度更高。文章以三維激光掃描技術在某煉化企業的應用為例，總結出應用三維激光掃描技術在煉化企業數字化工廠三維建模的方法、流程以及遵循的原則。

關鍵詞：三維激光掃描技術；數字化工廠；煉化企業；三維建模

中圖分類號：TP311" "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）08-0101-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著經濟社會發展，國內煉化企業的規模越來越大，以某煉化儀一體化企業為例，該企業擁有各類生產及輔助裝置60余套，這些裝置分布在不足8平方千米的區域內。區域內地上地下分布著大量裝置、建構筑物、橋架、罐區、工藝與原料管線、各類上下水線、電纜等，其中僅地下管線長度就從幾千米到上百千米不等，總體呈現地面設備錯綜復雜，地下管線縱橫交錯的特點，使得企業在生產運營、安全環保、設備管理等方面面臨很大壓力[1]。

隨著工業化和數字化的發展，國內各煉化企業建立了大量信息管理系統用于企業的日常管理，如MES、DCS、ERP、HSE等，這些系統極大地提高了煉化企業業務運行和管理效率，然而在跨系統協同、數據一致性、信息可視化以及資產管理方面仍面臨挑戰。因此需要一個平臺，利用虛擬現實技術對企業各類資產的真實現狀進行三維呈現，通過將企業現有各類系統進行集成，為企業的規劃設計、生產運行、設備管理、安全環保等各項業務的高效運行提供技術支撐。

數字化工廠技術正是這樣一種平臺，它應用了三維建模技術、仿真技術、虛擬現實技術、軟件的重組與集成等技術并與現實工廠運轉模式結合，構建數字虛擬工廠，具有直觀、準確、集成、協調等特點[2]，為煉化企業的生產運營管理提供了新的方式，系統通過三維模型對現場各類實物的真實呈現，實現了生產、設備、安全環保等信息與實物的關聯、集成和顯示，較大程度減輕了技術管理人員的工作，提高了企業管理效率[2-3]。

其中，三維建模技術作為數字化工廠技術的關鍵技術之一，是數字化工廠技術的基礎。三維模型質量的好壞直接反映了虛擬工廠與物理工廠的一致程度，直接決定了應急響應方案的可靠性和培訓的真實性，以及管理業務的直觀性、準確性、智能性和協同性[4]。本文將從數字化工廠三維建模技術、三維激光掃描技術以及三維激光掃描技術在煉化企業三維建模中的應用等3個方面進行介紹。

1 數字化工廠三維建模技術

1.1 三維建模方法簡介

三維建模通俗來說就是利用虛擬三維空間信息技術建設三維模型空間[5]。數字化工廠三維建模方法主要有以下幾種。

第一種方法是通過3ds MAX、CAD、BIM等建模軟件對廠區現場實物進行三維建模，其工作內容包括收集實物現場實景的圖像資料（如照片、視頻等） 來獲取實物內外部結構特征，再經軟件建模、紋理貼圖、模型優化等步驟，制作各類實物的三維模型[6]。第二種方法是工程級建模，即把工程設計階段隨設計圖紙一起建立三維Pamp;ID模型，通過接口或者轉換工具直接導入數字化工廠平臺的建模方法[7]。第三種方法是借助三維激光掃描技術獲取點云數據進行實體三維重建[5]。

1.2 三種建模方法的適用場景和分析

數字化工廠的三維建模一般分為正向建模和逆向建模兩種方式。對于已運行多年的煉化企業，由于年代久遠，存在設計時數字化程度不高、圖紙缺失等問題，難以進行正向建模，一般采取逆向建模的方式，即第一種或者第三種方法。新建的煉化企業一般采用正向建模，即將工程設計中建立的三維模型進行格式轉換應滿足數字化工廠建設需要。三種建模方法的適用場景、建模方式和優缺點如表1所示。

2 三維激光掃描技術概述

2.1 技術原理

三維激光掃描技術又被稱為實景復制法[9]。它突破了傳統的單點測量方法，實現了測量數據由點到三維的重大轉變。通過對不同站點的高速激光掃描，可以大范圍快速獲取測量目標完整、全面的三維空間信息[9-13]。

一套完整的三維激光掃描系統通常由三維激光掃描儀、掃描儀旋轉平臺、軟件平臺、電源及其他設備構成。市場上三維掃描儀主要有兩種類型：脈沖式和相位式。前者掃描時激光器發出單點激光并記錄回波信號，通過記錄激光的飛行時間來計算激光器與目標之間的距離。后者發射出一束不間斷的整數波長的激光，通過計算從目標返回的激光波的相位差，來計算激光器至目標的距離[14]。

當掃描系統對目標進行掃描時，掃描儀（如圖2） 分別在水平、垂直兩個方向上有分散的部件用來測量目標的特定部分。調制的激光光束由系統的A處發射遇到高速旋轉的光學棱鏡D時，在棱鏡表面發生反射并以特定角ξ（B） 發射到目標表面后，掃描儀會瞬間接收反射回的激光信號。當掃描儀完成一個ξ—剖面測量后，其上部的C會繞著垂直方向以較小角度進行旋轉并開始下一個剖面測量的初始化。經過重復ξ—剖面掃描測量后連接多個剖面獲得一個掃描塊。通常，要獲得某目標完整的表面信息需要多次掃描作業[15]。要實現目標不同位置的若干掃描塊的高精度合并，則要求不同掃描塊在交接處有共同的部分[16]。

掃描過程中，每個掃描站點都會獲取大量點云數據，其中點云中每個點在掃描坐標系中以極坐標的形式來描述其位置信息。掃描前需要布置控制點，一般用全站儀或者GPS進行控制點定位并獲取其大地坐標信息，這樣可以把獲取的極坐標下的點云數據轉換成大地坐標[16]。

2.2 特點

三維激光掃描技術的出現減少了外業人員的勞動強度，縮小了野外作業的工作周期，明顯提高自動化程度，具有掃描速度快、非接觸性、高效率、高精度、主動性工作、數字化自動化等特點[14]。

1） 掃描速度快。

三維激光掃描儀掃描速度通?？蛇_到百萬點每秒，能夠短時間內獲取目標的三維信息?？梢钥焖佾@取大規模煉化裝置的三維數據，縮短建模周期。

2） 非接觸性。

三維掃描儀發射的激光束在測量目標時自動反射，可以安全地對高溫、高壓、易燃易爆等危險區域進行掃描，保障作業人員安全。

3） 高效率。

相比傳統建模方法存在的人力物力成本高、建模效率低等問題，三維激光掃描技術自動化程度高，可以減少外業工作量，提高建模效率。

4） 高精度。

三維激光掃描能夠以高精度的方式獲取目標表面特征，可以獲取毫米級的點云數據，滿足煉化企業對模型精度的要求。

5） 主動性工作。

三維激光掃描儀可以自動發射測量信號，并且不受光照條件限制，可以全天候作業，提高作業效率。

6） 數字化自動化。

系統掃描獲取的數據具有全數字特征，便于自動化顯示與輸出，可以直接用于數字化建模，方便數據的管理和應用。

3 三維激光掃描技術在煉化企業三維建模中的應用流程

應用三維激光掃描技術進行煉化企業的三維數據獲取，主要涉及三維激光掃描、點云處理及三維建模等3個方面內容。

3.1 三維激光掃描

1） 掃描作業流程。

利用三維掃描技術對煉化企業的裝置、設備、管廊等實體目標進行掃描，其工作內容包括站點布設，標靶布設，掃描整體控制等。通過現場作業和總結經驗，我們總結出了在煉化企業開展三維激光掃描作業的一般技術流程，如圖3。

2） 站點布設原則。

開展掃描作業前要對工作區域進行現場勘察，對掃描目標、范圍、路線和站點布設進行規劃?？辈爝^程中重點收集掃描目標的位置、大小、形態和屬性等信息，作業人員對上述信息進行綜合分析研判，確定掃描站點布設的位置和數量。

當掃描目標較大時，一般采用分區設置多個測站的方式開展作業，然后對掃描目標進行兩側或對建模應對的點云進行拼接。為保證拼接的準確和效率，應使相鄰站掃描目標之間具有一定的重疊度。通過實驗驗證發現，當目標物體形狀較為復雜時，重疊度保證在10％以上[17]。多測站三維激光掃描數據獲取如圖4。

3） 標靶布設原則。

標靶在掃描作業中起的主要作用是作為點云拼接中的連接點和坐標轉換中的控制點[18]。

點云拼接時受掃描儀掃描角度、測站位置等因素的影響。如果直接基于相鄰站共同特征點進行拼接，拼接精度一般在10 mm左右，這樣的精度會直接影響物體的量測和建模的可靠性。為解決拼接精度問題，利用掃描儀可識別的標靶作為相鄰點云的公用控制點。標靶布置要在水平和垂直兩個方向均衡，站與站之間一般用4個標靶，這樣可將拼接精度提高到5 mm以內，好的拼接精度可以達到1～2 mm。

4） 掃描整體控制。

測距為中遠距離的三維激光掃描儀，測量精度一般在5 mm左右。當對煉化裝置等大場景開展掃描作業時，經常會由于誤差的累積，使精度達不到要求。因此，在掃描目標是較大場景如工廠或者大型鋼結構，且需要高精度時，如果要提高三維激光掃描的整體精度，常常需要聯合常規測量手段，如使用全站儀/GPS控制整體精度[19]。

3.2 點云數據處理

三維激光掃描作業獲取掃描對象的點云數據后，需要對點云數據進行拼接處理，經過處理的點云數據再導入建模軟件中進行三維建模。點云數據處理流程如圖5。

1） 數據預處理。

受物體表面粗糙程度、環境遮擋以及儀器誤差等影響，點云數據有大量多余信息，在對點云進行拼接前，要對點云數據進行數據預處理。預處理包括去噪、濾波、降采樣等。經過預處理可以有效去除數據中離群點，減少點云數據量，降低計算復雜度。

2） 數據配準。

對大型復雜測量場景或者目標的掃描是以分區設置多個測站的方式完成的。每一站掃描完成后獲得的點云都是獨立坐標系下的點云，測站作為該獨立坐標系的坐標原點。為了方便所有測站的點云數據進行拼接建模，需要將所有測站點云數據進行數據配準，使之在相同的坐標系下。因此在掃描作業要以全站儀導線的形式進行控制測量，通過精確測量標靶中心位置的坐標，利用建模軟件將標靶的坐標信息導入工作空間中，再進行點云數據的坐標配準，從而完成各測站的坐標系的統一[13]。

3） 數據融合。

完成配準后的點云數據，有時存在部分點飄逸的現象，會對后續工作帶來不便。解決此類現象首先要對存在飄逸現象的點云數據進行分割和篩選，其次識別和判定重疊區域，通過軟件對重疊區域和完整點云進行融合。對于非重疊區域，則通過聚類進行分割，篩選出所需數據，最后完成融合[4]。

4） 數據檢查。

數據檢查主要是對點云數據的完整性和質量進行檢查，確保經上述步驟處理后的數據不存在明顯空洞、錯層，以及其他影響三維建模的因素。

3.3 三維建模

以管廊掃描數據三維建模為例，簡要介紹一下點云數據三維建模流程。點云數據三維建模包括導入數據、創建目標模型、參數建模、模型導出等。

1） 導入數據。導入數據前要建立存儲數據庫，將掃描數據按照測站號進行導入，最后打開模型空間進入模型空間視圖界面，對點云數據進行瀏覽和查看，如圖6。

2） 創建目標模型。在對目標進行建模時，可以截取部分點云，拷貝圍柵到新的模型空間，方便建模。在對管線等目標建模時，使用軟件中的擬合功能對不同測站的同一管線進行點云擬合自動生成管線，如圖7。

3） 對于管廊基礎等可以通過設置參數進行建模。對彎頭等目標的建模可以通過選擇兩根直管后，選擇管線彎頭連接生成彎頭，如圖8。

4） 將建好的管廊模型選擇合適的格式輸出。

4 結論

本文介紹了三維激光掃描技術在煉化企業數字化工廠三維建模中的應用。針對煉化企業空間實體對象高度集中、布局復雜的特點，提出了一套基于三維激光掃描技術的適用于煉化企業數字化工廠三維建模的方法，詳細闡述了運用該技術進行三維建模的技術流程，明確了掃描站點布設、標靶設置、掃描精度控制、點云數據處理和三維建模等步驟的工作內容和遵循的原則。

三維激光掃描技術作為近些年興起的一種逆向建模方法，相比基于3ds MAX、CAD、BIM等建模軟件對實體建模的方法，具有人力物力投入較少、建模效率高、現場還原度高等優點，今后會在煉化企業數字化工廠三維建模中得到廣泛應用。

參考文獻：

[1] 董超.淺析三維數字化工廠技術在煉油化工企業中的應用[J].中國管理信息化，2021，24（13）：128-130.

[2] 孫浩.三維數字化工廠在石化企業的建設及應用[J].信息系統工程，2021（1）：18-19.

[3] 江鴻章，論國柱，李剛.石化行業3D智能工廠建設技術探討[J].科技與創新，2015（12）：63-64.

[4] 李海濤，趙小平.三維數字化工廠技術在中石油煉化企業中的應用[J].中國信息界，2012（9）：44-47.

[5] 賴建民，卜鵬飛.三維激光掃描技術在建筑物三維建?？梢暬械膽锰骄縖J].科技創新與應用，2024，14（1）：193-196.

[6] 肖長偉，年立輝，曲國鵬，等.基于三維GIS的數字化工廠管理系統設計與開發[J].智能城市，2022，8（2）：4-6.

[7] 許建玉，王鵬.數字化工廠三維建模方法研究[J].信息系統工程，2016（10）：17.

[8] 杜佳濤，王鳳艷，王明常，等.基于多源數據融合的數字工廠三維模型重建與可視化[J].測繪通報，2024（2）：95-99.

[9] 周楓，朱丹.建筑測繪中三維激光掃描技術的應用研究[J/OL].城市建設理論研究（電子版），2023（22）：95-97.

[10] TURNER A K.2D，2.5D，3D以及4D之間的差異[J].測繪通報，1998（22）：44-45.

[11] 史文中，吳立新，李清泉，等.三維空間信息系統模型與算法[M].北京：電子工業出版社，2007：21-36.

[12] 李濱.徠卡三維激光掃描系統在文物保護領域的應用[J].測繪通報，2008（6）：72-73.

[13] 金柏創.三維激光掃描儀在紹興柯巖摩崖石刻云骨上的應用[J].東方博物.2015，4（30）：119-123.

[14] 戴升山，李田鳳.地面三維激光掃描技術的發展與應用前景[J].現代測繪，2009，32（4）：11-12，15.

[15] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢：武漢大學，2005.

[16] 雷高.深孔一次擴井爆破技術的研究與應用[D].沈陽：東北大學，2014.

[17] 劉旭春，丁延輝.三維激光掃描技術在古建筑保護中的應用[J].測繪工程，2006，15（1）：48-49.

[18] 胡國金.三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂變形中應用研究[D].紹興：紹興文理學院，2023.

[19] 孫德鴻，蔣濤，周謙益，等.三維激光掃描技術在工業三維GIS方面的應用[J].測繪通報，2011（8）：90-91.

【通聯編輯：梁書】