基于激光掃描技術(shù)的大型船舶艙容量計(jì)量技術(shù)研究

金榮品 胡敏捷 李志月 蘇雪龍

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

1 引 言

對(duì)于大型船舶計(jì)量艙，傳統(tǒng)的容量計(jì)量方法是幾何測(cè)量法，通過(guò)全站儀等工具在船艙內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)完成后建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行擬合計(jì)算。大型艙室尺寸較大，內(nèi)部大型構(gòu)件遮擋較多，傳統(tǒng)的測(cè)量方法不僅存在采樣點(diǎn)密度不足等問(wèn)題，而且不能快速獲取特征點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，造成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。近年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)也日趨完善，精度明顯提高，這為解決大型船艙容量計(jì)量提供了新的途徑[1]。基于激光掃描技術(shù)的大型船艙容量計(jì)量應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)[2]，快速采集船艙點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、修補(bǔ)等處理，快速高精度的重建船艙三維模型，對(duì)艙室構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)建模，解決大型船艙的快速容量計(jì)量問(wèn)題。本文以泰州新世紀(jì)船廠建造的158000噸油輪的右六艙室為例，介紹三維激光掃描技術(shù)在大型船舶艙容量計(jì)量中的應(yīng)用，如圖2所示。

圖1 158000噸油輪右六艙室Fig.1 Right sixth tank of 158000 DWT tanker

2 容量計(jì)量

經(jīng)過(guò)調(diào)研與資料收集，選擇FARO地面三維激光掃描儀作為測(cè)量?jī)x器。制定了詳細(xì)的實(shí)施方案，具體操作步驟包括現(xiàn)場(chǎng)空間數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、空間數(shù)據(jù)空洞修補(bǔ)、構(gòu)件精細(xì)建模、三維重建及容量計(jì)算。

2.1 空間數(shù)據(jù)采集

由于船艙內(nèi)部存在復(fù)雜形狀的大尺寸構(gòu)件，遮擋嚴(yán)重，為了達(dá)到對(duì)船艙的精確測(cè)量，需在船艙內(nèi)部進(jìn)行多測(cè)站掃描測(cè)量，以獲取艙室的全面三維數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘探，采用布設(shè)靶標(biāo)球方式掃描的精度較高，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，同時(shí)為后期數(shù)據(jù)處理提供便捷。實(shí)際工作中，針對(duì)船艙和靶標(biāo)，需采用不同的分辨率進(jìn)行掃描，首先以低分辨率進(jìn)行整體掃描，然后選擇欲采集區(qū)域，按照正常分辨率掃描該區(qū)域，最后專門針對(duì)靶標(biāo)以最高分辨率掃描，以提高后期點(diǎn)云配準(zhǔn)精度，一站掃描結(jié)束后分別保存區(qū)域點(diǎn)云文件和靶標(biāo)的點(diǎn)云文件[3]。如圖2所示，艙室內(nèi)有上中下3層工作平臺(tái)，在船艙艙底共設(shè)2站進(jìn)行掃描，采集得到點(diǎn)云點(diǎn)數(shù)分別為4258萬(wàn)點(diǎn)和4268萬(wàn)點(diǎn)。

圖2 艙室初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.2 Initial point cloud data of tank

2.2 空間數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵過(guò)程之一，通過(guò)某種變換將兩組有重復(fù)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊并轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下[4]。由于現(xiàn)場(chǎng)采集使用了靶標(biāo)球，提取靶標(biāo)球的靶心作為同名點(diǎn)，根據(jù)配準(zhǔn)算法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)變換至同一坐標(biāo)系[5]。圖3為數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的結(jié)果。

圖3 點(diǎn)云配準(zhǔn)結(jié)果Fig.3 Point cloud registration results

2.3 空間數(shù)據(jù)空洞修補(bǔ)

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能夠完全覆蓋船艙表面數(shù)據(jù)的情況，產(chǎn)生數(shù)據(jù)空洞。為了獲取完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須采用一套算法修補(bǔ)數(shù)據(jù)空洞，重新構(gòu)建船艙整體形狀[6,7]。針對(duì)該問(wèn)題，主要采用基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)局部曲面擬合內(nèi)插來(lái)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空洞修補(bǔ)，以便于后期建模處理。

2.4 構(gòu)件精細(xì)建模

艙室內(nèi)部存在大量構(gòu)件，在進(jìn)行容量計(jì)算中需要對(duì)復(fù)雜構(gòu)件體積進(jìn)行扣除。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜艙內(nèi)構(gòu)件的精細(xì)建模，首先分析艙內(nèi)構(gòu)件模型類型，建立標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型庫(kù)，設(shè)計(jì)模型的參數(shù)形式，然后通過(guò)識(shí)別點(diǎn)云數(shù)據(jù)并提取對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)，最后由模型庫(kù)中的相應(yīng)模型結(jié)合提取的特征參數(shù)重建構(gòu)件模型。首先，借助復(fù)雜艙構(gòu)件三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)船艙內(nèi)構(gòu)件的種類進(jìn)行歸納，主要包括如下構(gòu)件：艙壁縱骨、甲板縱骨、垂直扶強(qiáng)材、直肋板、底部漸變肋板、橫梁、水平桁、縱桁、欄桿扶手、豎直扶手架、傾斜爬梯、工作平臺(tái)、管道、管道支架和加強(qiáng)肘板，共計(jì)15種內(nèi)部構(gòu)件，并建立構(gòu)件庫(kù)。然后通過(guò)調(diào)用構(gòu)件庫(kù)內(nèi)模型依次進(jìn)行分區(qū)、分層、分對(duì)象搭建模型，最終構(gòu)件模型如下：

圖4 船艙構(gòu)件模型Fig.4 Model of tank construction

2.5 三維重建及容量計(jì)算

經(jīng)過(guò)補(bǔ)洞等處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠較好地表現(xiàn)艙室的表面形狀，對(duì)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建可以達(dá)到良好的可視化效果并滿足后期容量計(jì)算要求?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過(guò)Delaunay三角剖分區(qū)域生長(zhǎng)網(wǎng)格，四邊形區(qū)域劃分，轉(zhuǎn)化生成NURBS曲面等三個(gè)步驟得到精細(xì)三維模型[8]。

艙室的實(shí)體模型由艙室內(nèi)壁以及內(nèi)部各種構(gòu)件組成，因此容量的計(jì)算方法是計(jì)算船艙型容積，再計(jì)算各種構(gòu)件體積，船艙凈容積即型容積減去構(gòu)件體積。經(jīng)過(guò)分析，采取基于三角剖分、三棱錐累加的方法計(jì)算容積，即先對(duì)艙室邊界曲面進(jìn)行三角剖分，通過(guò)曲面上三個(gè)頂點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)相連構(gòu)成三棱錐，由三棱錐體積的累加得到艙室的體積。對(duì)于船艙內(nèi)部的構(gòu)件，由于構(gòu)件均具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸和結(jié)構(gòu)，且通過(guò)構(gòu)件庫(kù)的設(shè)計(jì)，船艙內(nèi)的構(gòu)件都經(jīng)過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)，因此構(gòu)件整體體積的計(jì)算可以通過(guò)構(gòu)件庫(kù)的參數(shù)對(duì)每個(gè)構(gòu)件體積進(jìn)行計(jì)算，然后累加所有構(gòu)件體積得到整體體積。最終可獲得船艙的凈容積。

3 測(cè)量不確定度分析

3.1 測(cè)量模型

由任意封閉三角格網(wǎng)模型體積計(jì)算方法，加入點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度、模型創(chuàng)建精度、液深測(cè)量精度的各不確定度分量，建立以下體積測(cè)量模型：

(1)

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度引入的測(cè)量不確定度分析

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指經(jīng)多站點(diǎn)云配準(zhǔn)等處理完成后用于點(diǎn)云分割及后續(xù)實(shí)驗(yàn)，因此其不確定性來(lái)源主要有三維激光掃描儀的點(diǎn)位誤差和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)誤差。

3.2.1三維激光掃描儀的點(diǎn)位誤差

(2)

3.2.2數(shù)據(jù)配準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量

(3)

3.2.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度引入的不確定度

由以上結(jié)果計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度引入的不確定度分量為

(4)

u(dD)=1.63mm

三角面片面積總和S為26094.72m2，點(diǎn)之?dāng)?shù)據(jù)精度靈敏系數(shù)cΔdD為

(5)

cΔdD=8698.24m2

則點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度引入的不確定度為

u(ΔdD)=cΔdDu(dD)

(6)

u(ΔdD)=14.178m3

3.3 模型創(chuàng)建精度引入的測(cè)量不確定度分析

根據(jù)模型創(chuàng)建精度檢查結(jié)果，面片模型與基礎(chǔ)參照點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)際偏差為0.84mm，模型構(gòu)建精度引入的不確定度分量為

u(dM)=0.84mm

(7)

三維模型創(chuàng)建精度靈敏系數(shù)cΔdM為

(8)

cΔdM=8698.24m2

則模型構(gòu)建精度引入的不確定度為

u(ΔdM)=cΔdMu(dM)

(9)

u(ΔdM)=7.306m3

3.4 擴(kuò)展不確定度

綜上所述，已知體積計(jì)算模型計(jì)算各個(gè)不確定度分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度值和相應(yīng)的靈敏系數(shù)，各不確定度分量之間彼此獨(dú)立不相關(guān)，因此，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(10)

uc(V)=15.95m3

取置信概率為95%，體積誤差服從正態(tài)分布，則包含因子k=2，計(jì)算其擴(kuò)展不確定度為

U95=k·uc(V)

(11)

U95=31.9m3

總?cè)莘eV取13479.332m3，相對(duì)擴(kuò)展不確定度

(12)

Ur95=2.4‰

4 測(cè)量不確定度驗(yàn)證

通過(guò)自主開發(fā)的三維激光掃描法容量計(jì)算軟件，計(jì)算船艙型容積為13645.600m3，各類構(gòu)件總體積為166.268m3，船艙凈容積為13479.332m3,相對(duì)擴(kuò)展不確定度2.4‰。為驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用比對(duì)法來(lái)進(jìn)行直觀、定量的對(duì)比分析。使用幾何測(cè)量法獲得的同一船艙容量作為對(duì)比數(shù)據(jù)，比較正浮狀態(tài)下同一水平面高度的容積值，并計(jì)算其相對(duì)偏差，結(jié)果如表1所示。

表1 艙容計(jì)算對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of tank capacity calculation液位高度H(m)幾何測(cè)量法容量ya(m3)激光掃描法容量yb(m3)yb-ya(m3)n-1nub(m3)1.00392.617393.5830.9662.00825.629827.5871.9583.001291.8681295.3043.4364.001791.3321795.173.8385.002324.0232319.4514.5726.002889.9402883.676.2707.003487.0153479.9937.0228.004117.0654109.5697.49611.3

續(xù)表1液位高度H(m)幾何測(cè)量法容量ya(m3)激光掃描法容量yb(m3)yb-ya(m3)n-1nub(m3)9.004771.4304763.2358.19510.005449.3005440.6078.69311.006142.8816133.8838.99812.006852.7606843.6719.08913.007569.8967566.4753.42114.008289.2608294.0774.81715.009014.3969023.2568.86016.009730.6949739.1788.48417.0010458.75010468.5069.75618.0011181.81011191.6919.88119.0011903.87011913.2489.378滿艙13488.25613479.3328.92411.3

經(jīng)分析，基于激光掃描技術(shù)的結(jié)果與幾何測(cè)量法的結(jié)果較為接近，滿足精度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于激光掃描技術(shù)的大型船舶計(jì)量艙容量校準(zhǔn)技術(shù)研究具有作業(yè)自動(dòng)化、智能化、高效率、非接觸、適應(yīng)面廣等特點(diǎn)和綜合優(yōu)勢(shì)，可以快速準(zhǔn)確地采集船艙的海量三維坐標(biāo)，并據(jù)此進(jìn)行高密度的擬合計(jì)算，得到船艙模型及容量結(jié)果。在提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量速度的同時(shí)，降低了測(cè)量人員與儀器存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)采集的密度也大幅提高，減小了擬合誤差，使大型船艙容量計(jì)算更加準(zhǔn)確。