三維激光掃描技術(shù)在船體建造中的應(yīng)用分析

單兵兵 劉洪飛 方字彬

江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司 上海 201913

引言

由于目前我國(guó)的自然水系發(fā)達(dá)，湖泊、江河、海洋資源眾多，擁有1.8萬(wàn)多公里沿海海岸線及12.3萬(wàn)公里遍布全國(guó)各地的航行路線，古往今來(lái)我國(guó)的造船業(yè)都十分發(fā)達(dá)，是一個(gè)世界知名的船舶業(yè)生產(chǎn)大國(guó)。現(xiàn)在，憑借先進(jìn)的工程信息技術(shù)如在三維激光掃描等技術(shù)手段的幫助下，我國(guó)船舶工程行業(yè)的發(fā)展水平已經(jīng)呈現(xiàn)出了一種水漲船高的態(tài)勢(shì)。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)，顧名思義就是采用三維激光對(duì)物體進(jìn)行掃描和檢測(cè)的掃描方式，從而獲得被檢測(cè)的物體三維數(shù)據(jù)。它們的主要組成部分是三維激光掃描儀和一些相關(guān)電腦軟件。激光掃描儀主要指的是一種利用激光掃描儀器對(duì)檢測(cè)到的物體進(jìn)行三維測(cè)量的一種工作原理，通過(guò)主動(dòng)地向其他檢測(cè)到的激光并同時(shí)收到激光檢測(cè)物體在整個(gè)表面所產(chǎn)生的三維反射信號(hào)，以便對(duì)其他檢測(cè)到的物體進(jìn)行測(cè)量，記錄和分析計(jì)算被檢測(cè)到的物體在密集點(diǎn)位置上的三維坐標(biāo)、反射頻率和它們形狀紋理等參數(shù)，可快速地重新復(fù)建一個(gè)從輸入到檢測(cè)一個(gè)物體的三維模型和不同的線、面、體形狀的信息[1]。

1.2 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的工程測(cè)繪，三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地在三維空間內(nèi)描寫(xiě)設(shè)施物體位置、形狀，在信息完整性、精度、操作效率等各個(gè)方面都比傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)更加明顯。它的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

1.2.1 非接觸式測(cè)量。測(cè)量為非接觸式，不影響測(cè)量區(qū)域的正常工作。

1.2.2 詳細(xì)測(cè)量。僅需幾分鐘就可以有針對(duì)性地為復(fù)雜的環(huán)境和幾何結(jié)構(gòu)物提供一個(gè)詳細(xì)的三維影像。

1.2.3 自動(dòng)整合。可以直接集成各種高精度的傳感器（GPS、羅盤(pán)、高度計(jì)、傾角儀、多軸補(bǔ)償器等），自動(dòng)模擬和復(fù)制所有的掃描數(shù)據(jù)庫(kù)，并形成完整的三維實(shí)體模型。

1.2.4 便攜性。部分廠商掃描儀重量?jī)H有5kg，容易攜帶，可在不借用外部設(shè)備的條件下工作。

2 船體建造的三維數(shù)據(jù)采集

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，深刻改變了我們中國(guó)傳統(tǒng)的制造業(yè)，從產(chǎn)品的組織構(gòu)思到日常的維護(hù)保養(yǎng)等環(huán)節(jié)，每一項(xiàng)技術(shù)在生產(chǎn)操作的整個(gè)過(guò)程中必須用信息化、數(shù)字化形式完成。由于現(xiàn)代化船舶的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)精度的技術(shù)要求很高，品種多批量小，在其生產(chǎn)建造和工藝流程中的變動(dòng)量大，配套裝備多，對(duì)于現(xiàn)代化的船舶產(chǎn)品制造柔性化、快速反饋等技術(shù)要求很高，因此，迫切需要用一種更加數(shù)字化的技術(shù)手段來(lái)替代傳統(tǒng)船舶的制造、保養(yǎng)和維護(hù)管理模式。

2.1 初步設(shè)計(jì)

對(duì)于新型輪船的設(shè)計(jì)而言，船體的設(shè)計(jì)常常采用對(duì)母型輪船進(jìn)行改裝的一種新穎設(shè)計(jì)形式。母型輪改造設(shè)計(jì)中雖然有時(shí)候還會(huì)需要一些詳細(xì)的關(guān)于母型輪改造的數(shù)據(jù)提供我們參照，但往往都會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)丟失，尤其最重要的就是在母型輪改造船型線上出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)丟失，那就必須經(jīng)過(guò)三維測(cè)量之后才能夠準(zhǔn)確得到，而三維測(cè)量可以給我們提供一個(gè)相應(yīng)的解決方案。

2.2 建造過(guò)程精度控制

船體在其建造的過(guò)程中，因?yàn)槭艿礁鞣N自然客觀條件的影響，結(jié)構(gòu)件、分段、總部及其主尺寸等在設(shè)計(jì)圖紙的公稱(chēng)尺寸之間都存在著較大的偏差，通過(guò)這種測(cè)量方法我們就可以準(zhǔn)確地獲取到一個(gè)船體的總部形態(tài)特點(diǎn)，同時(shí)還能夠?qū)⑺行枰獪y(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，計(jì)算出船體三維拼裝的精度和誤差，得出其用于建造真實(shí)的材料，進(jìn)而控制并且指導(dǎo)施工流程，減少了船體三維的拼裝誤差，能夠顯著地提高它的建造技術(shù)水平與質(zhì)量[2]。

2.3 完工存檔

船體建造順利地完成，除了依靠基礎(chǔ)性原理等已經(jīng)完工的資料外，為了便于監(jiān)管，整理準(zhǔn)確的三維模型和數(shù)據(jù)也是今后普遍需要的。

3 三維掃描技術(shù)在船體建造的應(yīng)用

3.1 船體測(cè)量應(yīng)用

相較于全站儀船體立體的檢測(cè)，通過(guò)三維激光掃描測(cè)量，便于精度管理點(diǎn)的全覆蓋測(cè)量，檢測(cè)人員不需要專(zhuān)人放置標(biāo)靶，也無(wú)須登高作業(yè)，可以安全、快速地整合測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)比較設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)和3D掃描數(shù)據(jù)，可以利用目視化管理加速對(duì)船體分段的精度管理工作。

3.2 船體OTS（one-time-setting）應(yīng)用

不用確定標(biāo)靶的位置，直接進(jìn)行任意測(cè)量即可，使得測(cè)量時(shí)間及分析時(shí)間實(shí)現(xiàn)最小化。使用全站儀測(cè)量時(shí)不會(huì)漏掉測(cè)量點(diǎn)，因?yàn)椴坎牡暮穸榷家呀?jīng)進(jìn)行了標(biāo)識(shí)，所以不用考慮理論性的位置。

3.3 船體變形應(yīng)用

通過(guò)主板的變形引起的扁平度尺寸變化，可以通過(guò)顏色輕易地確認(rèn)，也可以輕易得到變形量修改信息，并快速進(jìn)行修改分段比較薄的情況，在放置時(shí)產(chǎn)生了變形的情況，可以確認(rèn)下沉量，這樣在放置時(shí)就可以準(zhǔn)備對(duì)應(yīng)方法和強(qiáng)化基準(zhǔn)。

3.4 工程監(jiān)理

船體的建造特別是改裝工程項(xiàng)目，一般都會(huì)采用復(fù)雜的船體設(shè)計(jì)和施工過(guò)程，而由于大部分海工建筑物項(xiàng)目的材料費(fèi)和人力資源的成本極其昂貴，在施工期間還必須根據(jù)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)相互匹配的實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視：在整個(gè)項(xiàng)目正式啟動(dòng)之前，對(duì)整個(gè)施工過(guò)程都是進(jìn)行了測(cè)繪和記錄；項(xiàng)目施工作業(yè)完成后，對(duì)整個(gè)過(guò)程再一次進(jìn)行了掃描施工和建模操作，快速分析了設(shè)計(jì)過(guò)程中的偏差及物量狀態(tài)；該工程在施工全部完成后，存檔的文件可以供用于后期的工程變更[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是一套成本少、投入風(fēng)險(xiǎn)小、效果好的創(chuàng)新型測(cè)量方法，能夠被廣泛應(yīng)用于船體的各個(gè)制造周期。隨著我國(guó)船舶行業(yè)的進(jìn)步和飛速發(fā)展，建造、升級(jí)、改裝、維護(hù)維修以及測(cè)量監(jiān)控等工作日趨多樣化和快捷，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)將有助于大幅度地降低風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率，減少生產(chǎn)成本，提升企業(yè)整體的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。