基于三維激光掃描技術(shù)的大型升船裝置船廂姿態(tài)分析

潘志遠，周新聰，李 然，范世東

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000)

升船裝置是一種用于升降船舶的大型機械,具有量程大、運轉(zhuǎn)速度較快等特點[1]。本次研究對象為一個通航規(guī)模較大的垂直升船裝置，盡管已經(jīng)配備了比較完善的運行控制系統(tǒng)，獲取了相關(guān)設(shè)備的日常運行數(shù)據(jù)，但是沒有采集船廂的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)。船廂是升船裝置核心部分，它能夠在升船裝置運行時，作為承載船舶的工具上下運動。如何準確且及時地獲取船廂姿態(tài)信息，對提高船廂維護保障的針對性、時效性具有十分重要的意義[2]，有必要對升船裝置船廂進行姿態(tài)檢測和分析。

三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對大量空間點云數(shù)據(jù)的采集，它的優(yōu)勢是采集方式靈活、速度快、誤差小、密度高、且具有可測量性，采集的點云數(shù)據(jù)包括反射強度信息和物體顏色信息等[3]。該技術(shù)可以實現(xiàn)迅速且無接觸地對復雜結(jié)構(gòu)的高精度掃描[4]，可以應用于大型結(jié)構(gòu)的表面數(shù)據(jù)測量[5]。本次研究工作采用Trimble SX10三維激光掃描儀對升船裝置船廂的關(guān)鍵部位進行姿態(tài)檢測，能夠高效地獲取高質(zhì)量的船廂結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)，配合Trimble Realworks軟件，能夠快速獲得船廂姿態(tài)分析結(jié)果。

1 升船裝置的運行原理

本次研究對象是一個大型全平衡式垂直升船裝置[6]，最大可以滿足2 000 噸級船舶的通行要求，船廂的實際水域尺寸為80 000×15 000×3 000，上、下閘首落差80 m。升船裝置包括塔柱、船廂、平衡裝置調(diào)節(jié)機構(gòu)和齒輪齒條驅(qū)動機構(gòu)等[7]。當升船裝置正常運行時，升船裝置的平衡裝置能夠完全平衡船廂結(jié)構(gòu)、設(shè)備、船舶和水的總質(zhì)量。該升船裝置可以裝載船舶進行上升和下降運轉(zhuǎn)。上升運轉(zhuǎn)方式為：船廂在底部位置停留時，連通底部工作門和對應的間隙密封裝置，等待水進入之后，打開底部船廂門和對應的臥倒門，船舶駛進船廂；在船舶停穩(wěn)、升船裝置調(diào)試完成后，關(guān)上底部船廂門和對應的臥倒門，等待水排出后，啟動間隙密封機構(gòu)和縱導向機構(gòu)，鎖定裝置進入對接鎖定狀態(tài)；開啟驅(qū)動機構(gòu)，船廂在前2 m的高度內(nèi)保持0.01 m/s2的加速度向上運行，之后維持0.2 m/s的速度繼續(xù)上升，在此期間，鎖定裝置在驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)使下會一直工作；當船廂上升到與頂部?？课恢孟嗑? m時，變成加速度為0.01 m/s2的減速狀態(tài)，直到船廂停留在上游位置；松開鎖定裝置，連通頂部工作門和對應的間隙密封裝置，等待水進入之后，打開頂部船廂門和對應的臥倒門，船舶駛?cè)胪獠克?。下降運轉(zhuǎn)方式與上升類似[7]。

升船裝置的船廂內(nèi)部構(gòu)造復雜，且與塔柱有相互力的作用[8]。誤載水深、溫度、風力等因素可能導致船廂姿態(tài)，進而影響船廂與塔柱的配合[9]。為了避免長時間運行過程中因船廂姿態(tài)變化導致的問題，需要進行姿態(tài)檢測，統(tǒng)計有關(guān)數(shù)據(jù)，分析不同工作狀態(tài)下，船廂姿態(tài)變化規(guī)律，為長期觀察研究升船裝置船廂狀態(tài)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。鑒于此，有必要開展升船裝置船廂姿態(tài)分析研究。

2 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描是通過大范圍的激光發(fā)射和回傳而實現(xiàn)的，一段高質(zhì)量的激光從掃描儀的發(fā)射裝置出發(fā)，接觸到待測目標物表面后反射回來，掃描儀可以記錄激光信號傳播的時間，從而準確計算出發(fā)射器和物體的距離S[10]。

三維激光掃描儀的空間坐標系是根據(jù)儀器自動生成的，三維坐標系統(tǒng)原理見圖1，整個掃描系統(tǒng)由發(fā)射器和物體的距離S、2個方向的測角和測量輔助機構(gòu)等構(gòu)成。三維空間坐標系的原點就是裝置內(nèi)激光射出的起點，Z軸正方向是垂直于地面向上的方向，X軸和Y軸位于同一個水平面，其中Y軸正方向是激光發(fā)射方向，X軸正方向是垂直于YOZ平面向右的方向。掃描儀的反射鏡可以測量P點所在位置的橫向測角α和縱向測角θ，間接算出P點的X、Y、Z這3個軸距，掃描點P三維空間坐標表達式為：

Trimble SX10三維激光掃描儀具有高效率、高速度、高像素、高精度、非接觸測量等優(yōu)點，可以精準地測得目標對象表面的點云數(shù)據(jù)，測量誤差不超過2 mm，每秒能掃描26 600個點，最遠能測量到600 m以外的物體數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)都可讀取坐標位置、真實色彩和反射率等有關(guān)內(nèi)容，滿足要求。

圖1 三維坐標系統(tǒng)原理圖

3 技術(shù)路線

Trimble SX10三維激光掃描儀在升船裝置船廂姿態(tài)測量中，主要包含：檢測方案與控制網(wǎng)設(shè)計、工點掃描、點云數(shù)據(jù)處理與分析[11]等內(nèi)容。

3.1 檢測方案與控制網(wǎng)設(shè)計

為了方便項目快速順利完成，應該在測量數(shù)據(jù)之前規(guī)劃好具體方案。方案設(shè)計時，要勘查測量現(xiàn)場，了解測量目標的實際狀態(tài)，確定掃描對象的具體范圍和空間分布[12]。經(jīng)過現(xiàn)場考察，確定采集數(shù)據(jù)部位為船廂下底面橫梁。選定測量時間為11月份，天氣晴朗，光線條件良好，室外氣溫約為15 ℃，風力為微風。由于測量是在船廂正常運行條件下進行，因此船廂誤載水深為±0.1 m。本次研究設(shè)計的測量工況為不同的船廂所處位置和船廂載重，船廂位置包括下游和上游2個?？课恢茫瑤d重包括空載和裝載船舶2個狀態(tài)。采集數(shù)據(jù)控制網(wǎng)的設(shè)計滿足被測對象的精度和分辨率需求。選擇自由設(shè)站法，設(shè)站時，需確保任意1個站點掃描數(shù)據(jù)能夠連接2個已知站點，以空間交會的方式設(shè)站，且掃描儀和船廂需處于相對靜止狀態(tài)。

SX10掃描儀有粗略、標準、精細3種掃描密度可供選擇。為了不干擾升船裝置日常工作，需要控制掃描測量時間，掃描范圍設(shè)置為船廂下底面橫梁，其它結(jié)構(gòu)不進行掃描。當船廂靜止?？坑谙掠挝恢脮r，在船廂底部平臺設(shè)站，由于設(shè)站位置與測量對象距離較近，單個設(shè)站只能部分測量船廂底部結(jié)構(gòu)，因此選擇對稱設(shè)多個站掃描測量，選用標準掃描密度。當船廂靜止?？坑谏嫌挝恢脮r，也是在船廂底部平臺設(shè)站，由于設(shè)站位置與測量對象距離較遠，選擇在平臺正中間設(shè)一個站掃描測量，選用精細掃描密度。

3.2 工點掃描

在工點掃描過程中，要確保采集到完整且精度滿足要求的點云數(shù)據(jù)，以便處理和分析數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)之前，要完成相應的準備事項，比如：儀器檢查調(diào)試、人員溝通、后勤服務等。采集數(shù)據(jù)的步驟如下：在合適的位置架設(shè)儀器，把需要的配件與儀器相連，之后進行儀器的對中和調(diào)平。由于本次架設(shè)儀器的地面較為平整，因此儀器安置很方便。按照自由設(shè)站法設(shè)立測量站點。通過小型平板電腦控制掃描儀，框定采集數(shù)據(jù)的范圍，選擇基本參數(shù)。確保參數(shù)設(shè)置正確，開始數(shù)據(jù)采集工作。在每個站點的數(shù)據(jù)采集完成后，及時查看已采集數(shù)據(jù)的密度和影像質(zhì)量，確保測量結(jié)果滿足要求。如果有測量數(shù)據(jù)不完整的部位，可對相應的點云稀疏部分進行高密度掃描。檢查數(shù)據(jù)無誤后，即可換站，重復前面的操作。

3.3 點云數(shù)據(jù)處理與分析

在船廂數(shù)據(jù)掃描完成后，將數(shù)據(jù)導入Trimble Realworks軟件中，對點云數(shù)據(jù)進行拼接、分類、噪點剔除、融合、著色和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)切割，可以得到升船裝置船廂下底面的掃描點云模型。運用三維檢測技術(shù)，輸入處理后的結(jié)構(gòu)點云模型，對船廂橫梁表面進行變形檢測，獲取橫梁不同位置的變形數(shù)據(jù)和坐標值，進而分析不同狀態(tài)下升船裝置的姿態(tài)。

4 船廂姿態(tài)分析

船廂下底面橫梁是船廂的承重梁，分析橫梁的姿態(tài)，即可得到船廂的姿態(tài)。船廂底部范圍大、結(jié)構(gòu)復雜，升船裝置運行期間，船廂的停靠位置和是否裝載船舶可能會導致船廂受力的改變以及船廂姿態(tài)的變化。下面分析不同停靠位置和船廂是否裝載船舶2個因素，對船廂姿態(tài)的影響。

當船廂?？吭谙掠挝恢每蛰d時，采集并處理船廂下底面的點云數(shù)據(jù)。船廂下底面有2個橫梁和2個縱梁，橫梁與縱梁相互垂直，提取下底面2個橫梁的點云數(shù)據(jù)進行分析。在面對船廂下游閘門方向，閘門右側(cè)為橫梁A，左側(cè)為橫梁B；在船廂下底面內(nèi)，縱梁平行于2個船廂閘門，縱梁C靠近下游閘門，縱梁D靠近上游閘門。2個縱梁把橫梁分為3個部分，縱梁C左邊為橫梁左部，縱梁D右邊為橫梁右部，縱梁C和D中間為橫梁中部。選取一個靠近船廂橫梁的水平面為基準面，基準面所在高度為0，獲取橫梁A和B各個部位到基準面的距離，正值表示高于基準面，負值表示低于基準面。船廂橫梁表面變形值在3 mm以內(nèi)，船舶停在下游位置空載時，橫梁各部分到水平基準面距離見表1，左部左側(cè)為船廂下游閘門位置，右部右側(cè)為上游閘門位置，左部右側(cè)和中部左側(cè)分別為縱梁C的左右兩側(cè)，中部右側(cè)和右部左側(cè)分別為縱梁D的左右兩側(cè)，中部最高處為整個橫梁最高點。

表1 船廂停在下游位置空載時，橫梁各部分到水平基準面距離 m

由表1知，在平行于橫梁方向，船廂下底面2個橫梁都呈現(xiàn)向上拱起狀態(tài)，橫梁左右端高度相同，橫梁A最大撓度值為90 mm，橫梁B最大撓度值為100 mm，且橫梁B的整體高度比橫梁A高80 mm左右。在垂直于橫梁方向，橫梁A和B都呈現(xiàn)向內(nèi)側(cè)傾斜的狀態(tài)，即靠近中心線那一側(cè)比靠近船廂邊緣那一側(cè)低20 mm。通過分析得知，船廂的姿態(tài)為：船廂上、下游閘門兩端高度相同；在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)比右側(cè)高80 mm。

當船廂?？吭谙掠挝恢茫已b載1 000噸級船舶時，橫梁各部分到水平基準面距離見表2。由于船舶?？吭谄虼瑤掠伍l門位置，則船廂的姿態(tài)為：船廂下游閘門位置比上游低10 mm，在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)比右側(cè)高80 mm。

當船廂?？吭谏嫌挝恢每蛰d時，橫梁各部分到水平基準面距離見表3，船廂的姿態(tài)為：船廂下游閘門位置比上游高40 mm；在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)和右側(cè)高度相同。當船廂?？吭谏嫌挝恢?，且裝載1 000噸級船舶時，橫梁各部分到水平基準面距離見表4，船廂的姿態(tài)為：船廂下游閘門位置比上游高30 mm；在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)和右側(cè)高度相同。

表2 船廂停在下游位置載船時，橫梁各部分到水平基準面距離 m

表3 船廂停在上游位置空載時，橫梁各部分到水平基準面距離 m

表4 船廂停在上游位置載船時，橫梁各部分到水平基準面距離 m

對比表1和表2，表3和表4的數(shù)據(jù)可知：當船廂位于下游或者上游?？课恢脮r，船舶?？吭谄虼瑤掠伍l門位置，會導致船廂的姿態(tài)改變，即船廂下游閘門位置與上游位置的高度差下降；在面對船廂下游閘門的方向，左、右側(cè)高度差不改變。對比表1和表3的數(shù)據(jù)可知，當船廂空載時，船廂位于下游停靠位置和上游?？课恢玫淖藨B(tài)有較大不同。當船廂位于下游?？课恢脮r，上下游閘門兩端高度相同，在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)比右側(cè)高；而當船廂位于上游停靠位置時，下游閘門位置比上游高，在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)和右側(cè)幾乎等高。

5 結(jié)束語

1)本次研究運用三維激光掃描技術(shù)，測量升船裝置的船廂在不同狀態(tài)下的姿態(tài)。測量儀器的精度滿足測量要求，可獲取船廂結(jié)構(gòu)的實際點云數(shù)據(jù)。經(jīng)分析得到船廂姿態(tài)結(jié)果是準確可靠的，為后續(xù)升船裝置船廂的維護保障研究提供數(shù)據(jù)支持。

2)船廂下底面橫梁呈現(xiàn)中間凸起兩側(cè)凹陷的拱形，且表面是凹凸不平的，表面變形值在3 mm以內(nèi)。當船廂位于下游?？课恢们铱蛰d時，2個橫梁的最大撓度值分別為90 mm和100 mm。船廂的姿態(tài)是：上下游閘門兩端高度相同，在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)比右側(cè)高80 mm。

3)船廂?？课恢玫牟煌褪欠裱b載船舶，都會導致船廂姿態(tài)的改變。