三維激光掃描技術在石化企業(yè)的應用

蘭州石化公司研究院地理信息研究所 王 瑜 劉西濤 王照星

北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 薛 勇

則泰三維技術應用專欄

三維激光掃描技術在石化企業(yè)的應用

蘭州石化公司研究院地理信息研究所 王 瑜 劉西濤 王照星

北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 薛 勇

一、概 述

三維激光掃描技術是20世紀90年代中期開始出現(xiàn)的一項高新技術，它通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據，大量地采集空間點位信息，快速獲得被測對象表面每個采樣點的空間立體坐標。

與傳統(tǒng)測量技術的單點獲取方式不同，三維激光掃描儀是從水平到垂直的全自動高精度步進式掃描測量系統(tǒng)，通過不同站點的連續(xù)掃描，可以得到完整、全面的三維空間信息。這些信息不僅包含測量點的(X，Y，Z)坐標信息，還包括RGB顏色信息，同時還有物體反射率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實再現(xiàn)的感覺，是一般測量手段無法做到的。

二、三維激光掃描技術原理與特點

三維激光掃描技術，是從復雜實體或實景中重建目標的三維數(shù)據及模型。它通過激光掃描測量的方法，對目標的整體或局部進行高精度測量，以獲取目標的線、面、體、空間等三維數(shù)據，而被測對象的采樣點(離散點)集合，稱之為“距離影像”或“點云”。

三維激光掃描技術的主要特點有:

1)掃描速度快。三維激光掃描儀可以在短時間內獲取空間目標的三維信息，目前徠卡的HDS6200三維激光掃描儀掃描速度已達到1 016 727點/s。

2)精度高。三維激光掃描能以高精度的方式獲取目標的表面特征，測距精度可達到±3 mm@ 50 m，如果進行單點重復掃描甚至可以達到±1.4 mm @50 m。

3)非接觸測量。測量過程不用搭建腳手架，就可以很好地保護被測對象，并且可以實現(xiàn)對危險目標、不可達目標的測量。

4)直接生成三維空間結果。結果數(shù)據直觀，進行空間三維坐標測量的同時，就可獲取目標表面的激光強度信號和真彩色信息，并可以直接在點云上獲取三維坐標、距離、方位角等，且可應用于其他三維設計軟件。

目前三維激光掃描儀包含兩種類型的產品:脈沖式與相位式。脈沖式掃描儀在掃描時由激光器發(fā)射出單點的激光，掃描儀記錄激光的回波信號，并通過計算激光的飛行時間，來計算目標點與掃描儀之間的距離。相位式掃描儀是發(fā)射出一束不間斷的整數(shù)波長的激光，通過計算從物體反射回來的激光波的相位差，來計算和記錄目標物體與掃描儀之間的距離。

三、石化企業(yè)三維數(shù)據采集特點

利用三維激光掃描技術進行石化企業(yè)的三維數(shù)據獲取，主要涉及三維激光掃描、點云拼接及三維模型建立等3個方面的技術研究與應用。石化企業(yè)具有現(xiàn)場占地面積大、裝置高、設備管線排布復雜等諸多特點，采用傳統(tǒng)方法進行這樣的大場景掃描時，往往會造成較大的累積誤差，因此建議使用掃描儀加控制網的方法來解決此類難題。即在掃描區(qū)域內布設3個或3個以上的標靶，通過全站儀取得這些標靶的坐標，然后通過控制網將所有的單站掃描結果拼接在一起，最終形成完整的掃描場景。

四、三維激光掃描技術在石化企業(yè)的應用

石化企業(yè)中的設備錯綜復雜，管道縱橫交錯，要管理的對象在空間上密集排列，通過二維符號或線條的描述方式已顯得束手無策，而通過三維激光掃描技術可以快速、準確、便捷地獲取石化裝置的實物(設備、管網、框架)的三維空間信息，在石化企業(yè)具有廣闊的應用前景。

1.裝置設備管理

在石油化工企業(yè)中，高聳的煉塔是加工化工原料、提煉各種產品的主要設備，是企業(yè)生產工作的靈魂。利用三維激光采集技術，可實現(xiàn)對石化企業(yè)各種設備空間信息(X，Y，Z)和屬性信息(基本參數(shù)、運行參數(shù)、檢維修參數(shù)等)的GIS動態(tài)管理，直觀地顯示現(xiàn)場場景、真實的空間和屬性數(shù)據，使管理人員既能直觀地觀察現(xiàn)場情況，又可以掌握各類屬性信息，如圖1所示。

圖1 石化裝置三維模型

(1)為操作員提供了裝置現(xiàn)場環(huán)境的空間視覺真實感受

目前操作員崗位學習僅局限在書本、圖紙資料、現(xiàn)場培訓，而增加了設備裝置的三維立體圖學習和應用后，通過實物的三維空視圖可以更加直觀、方便、快捷地了解掌握裝置的工藝流程，從而提高了操作員崗位培訓的實效性。

(2)為設備工程師提供了設備管理、更新維護的新思路

目前設備工程師對設備的管理和更新維護局限在圖紙資料、平面操作圖及現(xiàn)場查詢，而增加了設備裝置的三維立體圖的應用后，能使設備工程師更有效地、更精確地使用和維護設備。利用裝置三維立體圖，設備工程師能夠在計算機中靈活查詢管線、反應塔、閥門、儀器設備的形狀、數(shù)量、尺寸及分布，直至每一個彎頭的走向，并可以在計算機中完成管線、彎頭、儀器設備的更換與設計，避免了更換、設計中容易忽略的要素，使其尺寸、形狀更符合要求，大大地減小了勞動強度。

(3)為安全管理員展示了一幅數(shù)字化工廠安全管理圖

利用三維立體裝置圖可以全面掌握、瀏覽安全防護設備的安放點，一旦確定危險源或事故隱患發(fā)生險情，能夠顯示危險源和事故隱患點周邊環(huán)境，實時顯示撤離通道、消防通道、救援通道等信息，從而及時、快速、全面地掌握設備裝置的各種安全因素，提高安全管理水平。

2.管網系統(tǒng)管理

石化企業(yè)的管道與市政管線或其他行業(yè)廠區(qū)管線相比，具有以下特點。

1)管線種類繁多，特性各異。石化的物料管道按照用途可分為蒸汽、氦氣、氨氣、汽油、重油、火炬氣、乙烯等70余種，有的還有伴熱管和覆蓋層。

2)管線多在地面以上的周邊架設了各類支撐結構。石化企業(yè)的物料管道一般都在空中架設，離地面5 m以上，沿線必須由管架、弦、橫梁、斜撐等共同伴隨支撐。

3)管線重疊覆蓋、纏繞交錯，空間關系復雜。支撐管道的管架一般分成2～5層，在管架上架設的管道也是分層的，在某一個層次上，不同類型的管道并列排布，從俯視的角度來看，管道的平面圖是重疊的。很多管道并不是始終處在一層，而是上下轉折，在層間起伏，有的管道中途轉向，從而形成管道復雜的纏繞。

目前國內的石化企業(yè)，對這些管架和各類線路的管理手段還停留在紙質的圖紙和資料中，傳統(tǒng)的管理方式已完全不能滿足企業(yè)發(fā)展的需要，應充分利用三維激光掃描技術獲取平面上重疊、高程不同的管道信息，體現(xiàn)管道在管架上的實際情況，為管網的精細化管理提供技術支持。

五、結束語

目前三維激光掃描技術在國內石化企業(yè)的應用尚處于起步階段。對于石化科技工作者來說需要進一步深入挖掘和探索適用于石化企業(yè)的三維地理信息技術方法，以帶動相應市場需求的快速發(fā)展。

(本專欄由則泰集團和本刊編輯部共同主辦)