三維激光掃描儀在風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒形變監(jiān)測中的應(yīng)用

黃晶晶

（甘肅省地質(zhì)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050）

習(xí)近平總書記提出“綠水青山，就是金山銀山”的理念，讓人們更加認(rèn)識到保護(hù)人類居住環(huán)境的重要性。風(fēng)能作為一種清潔能源，大力發(fā)展既能獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又不會對環(huán)境造成污染，于國于民都是一件好事。甘肅風(fēng)力資源豐富，隨著國家支持力度的增強(qiáng)，越來越多的風(fēng)力發(fā)電廠建設(shè)運(yùn)行，投入運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)也逐漸增多，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行安全、運(yùn)行效率等問題也慢慢凸顯出來，從而受到了多方關(guān)注。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐部分，為整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長期循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響下，可能會使風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒傾斜、彎曲、變形，從而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組異常運(yùn)行甚至發(fā)生倒塌事故。為了避免發(fā)生風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒傾斜的事故，需要及時(shí)掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的外部形變情況。為防止此類事故的發(fā)生，風(fēng)力發(fā)電廠會定期組織安排人員對風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒進(jìn)行監(jiān)測。風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒一般高度均在50m 以上，塔筒材料一般為合金鋼，但是一旦風(fēng)機(jī)塔筒吊裝完成，想在風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒外側(cè)做測量標(biāo)志，利用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段監(jiān)測其形變、彎曲等情況，工作難度相當(dāng)大。利用三維激光掃描技術(shù)檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的異常形變是目前較為先進(jìn)、高效的測量技術(shù)，它具有非接觸、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化等特點(diǎn)，可以很好的補(bǔ)充傳統(tǒng)測量監(jiān)測方面的不足，極大的縮短了外業(yè)作業(yè)時(shí)間，減小返工的可能性，有效解決了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒形變監(jiān)測中存在的時(shí)效性、精確性、安全性等問題。

文章數(shù)據(jù)來自地面型Riegl VZ-2000 三維激光掃描儀采集的某發(fā)電廠風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該風(fēng)力發(fā)電廠塔筒高度高于65m，海拔高度在1200m～1350m 之間，常年氣溫處在-20°～28°之間。處理軟件為武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司提供的HD_3LS_SCENE 等系列軟件以及美國MathWorks出品的matlab 軟件。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電廠的地形、環(huán)境以及考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的形狀、位置等情況，本次監(jiān)測在風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒附近布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，掃描視場角保持在360°/100 以上，兩次獨(dú)立測站掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也不能互不影響。本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為該廠A 區(qū)1#風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒數(shù)據(jù)。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、去噪點(diǎn)及切片處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、去噪點(diǎn)及切片處理過程主要利用武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司提供的HD_3LS_SCENE、HDPt Vector 軟件。

所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、去噪點(diǎn)后，將建立的塔筒模型從最底部整數(shù)位置開始每間隔4m 高度裁出一個(gè)厚度為0.05m，由點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成的圓環(huán)形切片。如圖1，圖2 所示。

圖1 總點(diǎn)云數(shù)據(jù)及去噪點(diǎn)后數(shù)據(jù)對比

圖2 去噪后和切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)俯視圖

2.2 利用matlab 軟件編程提取切片圓心坐標(biāo)

三維激光掃描儀在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)點(diǎn)都有其在該獨(dú)立坐標(biāo)系中的固定坐標(biāo)(X，Y)，通過在近似同一高度H（0.05m 范圍內(nèi)）的所有點(diǎn)數(shù)據(jù)（X1,Y1），（X2,Y2），…（Xn,Yn）坐標(biāo)進(jìn)行擬合，求出圓心坐標(biāo)（x,y）。同一高程切片數(shù)據(jù)都應(yīng)滿足方程

對同一高度H（0.05m 范圍內(nèi)）的所有點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行最小二乘擬合計(jì)算：

當(dāng)取得最小值時(shí)的（x,y），即為高度H 上切片圓圓心坐標(biāo)。

依據(jù)此編程語言可在Matlab 軟件中很輕松的計(jì)算出每個(gè)切片圓心坐標(biāo)(xi，yi)。表1 為風(fēng)力發(fā)電廠A 區(qū)1#風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒切片圓心坐標(biāo)及傾斜率計(jì)算記錄表：

表1 A 區(qū)1# 風(fēng)機(jī)塔筒切片圓心坐標(biāo)及傾斜率計(jì)算結(jié)果

由此表，也可以做出X-H 曲線圖來反應(yīng)縱向傾斜分量的變化趨勢,Y-H 曲線圖來反應(yīng)橫向傾斜分量的變化趨勢,D-H 曲線圖來反應(yīng)傾斜量隨著高度變化的趨勢。這三種曲線圖可以很直觀的分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒是否發(fā)生彎曲，以及可能發(fā)生彎曲的部位和程度。

2.3 計(jì)算風(fēng)機(jī)塔筒傾斜率

以風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒最底部圓環(huán)圓心坐標(biāo)（x1，y1)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒頂部圓環(huán)圓心坐標(biāo)（xn，yn)平行距離除以兩切片間塔筒高度H 為傾斜率i。

由表1 計(jì)算的結(jié)果可以看出，A 區(qū)1# 風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒傾斜率在0.3681‰～1.9801‰之間。

根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒高度在60m≤H≤80m，傾斜率低于5‰時(shí)，則表示該風(fēng)機(jī)形變在可控范圍內(nèi)，由此可以判斷，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫時(shí)無安全隱患。

3 結(jié)論

為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全、正常運(yùn)行，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒進(jìn)行長期的形變監(jiān)測工作是風(fēng)力發(fā)電廠后期維護(hù)工作中的一項(xiàng)基本需求。由于傳統(tǒng)的測量方法一般是以觀測監(jiān)測點(diǎn)的位移和高程差值變化來判斷，無法直觀詳盡的反映風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)的形變趨勢。三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)采集中，明顯比全站儀、RTK 占據(jù)優(yōu)勢，大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析對風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒監(jiān)測結(jié)果會更準(zhǔn)確，更全面。采用相應(yīng)軟件也可以清晰直觀的表達(dá)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的形變、傾斜情況。對于業(yè)主方而言，在人力、物力、財(cái)力上也得到了很好的節(jié)約。