三維激光掃描技術(shù)在管道維搶修作業(yè)中的應(yīng)用
利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)開發(fā)了計(jì)算軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、篩選、計(jì)算和結(jié)果展示，解決了人工測量計(jì)算精度差、效率低的問題，為焊口組對提供了更多的信息，實(shí)現(xiàn)了管道換管維搶修作業(yè)測量計(jì)算自動化、數(shù)字化。
關(guān)鍵詞： 管道；維搶修；三維激光掃描；測量；精度
1 三維激光掃描測量
三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，即通過對物體空間外形和輪廓進(jìn)行激光掃描，快速、大范圍采集得到物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（即空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)），并利用相關(guān)軟件建立物體的實(shí)景三維模型[4]。采用激光測量，以主動非接觸方式快速獲取目標(biāo)表面的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，反映目標(biāo)實(shí)時(shí)現(xiàn)狀；數(shù)據(jù)量大，點(diǎn)位精度高[5]。用faro高速三維激光掃描儀掃描換管作業(yè)兩端管口，基于相位偏移技術(shù)，掃描儀持續(xù)向外投射不同波長的紅外光，接觸到對象后反射回到掃描儀，通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準(zhǔn)確判斷掃描儀到對象的距離。使用角度編碼器測量faro激光掃描儀的鏡像旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，計(jì)算各點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)。用掃描儀scene軟件過濾處理兩端管口的三維空間數(shù)據(jù)模型見圖?1。
2 下料作業(yè)
計(jì)算軟件自動提取分析三維激光掃描數(shù)據(jù)，并計(jì)算得出最終的下料尺寸及相關(guān)數(shù)據(jù)，管工據(jù)此精確完成下料作業(yè)。
2.1 計(jì)算流程
計(jì)算流程見圖?2，計(jì)算步驟包括：①現(xiàn)場激光掃描管道，獲取管道及管口點(diǎn)云數(shù)據(jù)；②利用scene軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波、剪裁；③計(jì)算軟件對預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，特征識別，優(yōu)化擬合；④獲取管道及管口下料參數(shù)數(shù)據(jù)。
2.2 計(jì)算軟件
大口徑管道直管段更換作業(yè)計(jì)算過程示意見圖?3，定義兩個(gè)端面分別為上游端面（u）和下游端面（d），從端面的點(diǎn)起，按順時(shí)針方向?qū)A周等分為12份，對應(yīng)的點(diǎn)位分別為u1、u2、u3…u12和d1、d2、d3…d12。 軟件自動計(jì)算各位置的距離和偏移量，以表1形式展示。三維坐標(biāo)軸上的各個(gè)偏移分量計(jì)算結(jié)果如表?2示例。
計(jì)算結(jié)果主要包括四個(gè)方面。
（1）“三維模擬圖展示區(qū)”直觀展示了上游端面、下游端面、預(yù)置新管段以及新管段上下游端面錯(cuò)位等。
（2）“數(shù)據(jù)展示區(qū)”分別詳細(xì)列出了新管預(yù)置需要的各組數(shù)據(jù)，包括新管預(yù)制下料尺寸，在線管道上下游端面各點(diǎn)的直線距離，分別按照最長基礎(chǔ)長度和最短基礎(chǔ)長度計(jì)算的預(yù)置管上游端面△量和下游端面△量，在線管上下游端面各點(diǎn)在各坐標(biāo)方位的偏移量，作業(yè)管工根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以直接在新管段上完成切割線標(biāo)記。
（3）“端面橢圓參數(shù)”展示在線管道上下游端面長軸、短軸以及差值和各自方位，以及上下游端面在各12點(diǎn)方位的直徑，作業(yè)管工可利用這些信息完成管口矯正，提高焊口組對效率。
（4）“端面平面度及傾斜”提供了在線管道上下游端面各自的點(diǎn)和點(diǎn)值、其方位以及平均值，還提供了平面的y軸、z軸傾斜角度和平面的斜口角度。這些參數(shù)可以為管工判斷是否需要再次修正在線管道端面提供依據(jù)，也可以為判斷下管組對的方位提供依據(jù)。
3 案例驗(yàn)證
3.1 模擬換管作業(yè)
模擬換管作業(yè)管道規(guī)格：管徑1?016?mm、壁厚18?mm、材質(zhì)x70鋼；管道端面情況：一端為標(biāo)準(zhǔn)的30°坡口端面、鈍邊1～2?mm，另一端為無坡口的平直面；管道兩端面間距約2?m。
3.2 三維激光掃描儀
三維激光掃描儀自帶坐標(biāo)系且只需一次掃描，現(xiàn)場無需找水平、找垂直，三角支架固定，安裝快速簡便，小巧輕便（4.2?kg），單人即可完成操作；配置了觸控面板，快速完成掃描參數(shù)設(shè)置，按下開始按鈕啟動掃描，旋轉(zhuǎn)一圈即完成掃描，采集的所有數(shù)據(jù)經(jīng)處理后儲存到存儲卡中；無需借助環(huán)境照明，對夜間維搶修施工作業(yè)尤其重要。
3.3 測試現(xiàn)場應(yīng)用
現(xiàn)場掃描耗時(shí)2分30秒，掃描完成后，scene軟件對數(shù)據(jù)預(yù)處理，用時(shí)6分30秒。計(jì)算軟件讀取掃描數(shù)據(jù)后，一鍵完成分析、提取、計(jì)算、建模和展示，自動采點(diǎn)測量建模和數(shù)據(jù)處理用時(shí)2分鐘，計(jì)算結(jié)果見圖?4。完成以上各步驟總時(shí)長為14分鐘，相比人工測量計(jì)算縮短了大量時(shí)間。
4?計(jì)算結(jié)果
隨后組織經(jīng)驗(yàn)豐富的管工、焊工和技術(shù)員人工實(shí)測，測量結(jié)果對比見表?3?？梢钥闯?，三維激光掃描自動采集測量計(jì)算與人工測量差值為﹢0.0??022?m～﹣0.0?005?m，差值為0.0?027?m，數(shù)據(jù)吻合度較高。
4 結(jié)論
（1）利用三維激光掃描技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了換管維搶修作業(yè)測量計(jì)算自動化、數(shù)字化，提高了效率和精度。
（2）三維激光掃描儀測量精度±1?mm以內(nèi)，與人工測量差值為﹢0.0 022?m～﹣0.0?005?m，差值為0.0?027?m，滿足現(xiàn)場作業(yè)測量計(jì)算要求，可替代人工測量，避免計(jì)算誤差以及對人員技能的依賴。
（3）計(jì)算軟件目前只開放了直管段建模，需開發(fā)大口徑管道更換彎管、站內(nèi)復(fù)雜管網(wǎng)的更換模型，以適應(yīng)更復(fù)雜的管道維搶修作業(yè)工況。