匹配測量在海工鋼結(jié)構(gòu)精度控制中的應用

荊 鵬，孫云虎，劉榮坤，楊現(xiàn)陽，葛仁磊，王永偉

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266555）

0 引言

精度控制作為海工鋼結(jié)構(gòu)建造過程中的重要一環(huán)，對鋼結(jié)構(gòu)建造的質(zhì)量和效率有顯著影響。隨著數(shù)字化和智能化的提升，目前國內(nèi)外海工鋼結(jié)構(gòu)建造過程中的精度控制通常采用全站儀作為測量設備。在采用全站儀測量過程中，受結(jié)構(gòu)物自身結(jié)構(gòu)和周圍空間的限制，經(jīng)常會遇到控制點被遮擋、空間不通視的情況，導致部分控制點無法測量。例如，在導管架、上部模塊或液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）模塊的結(jié)構(gòu)片預制完成之后，通常會在結(jié)構(gòu)片的對接口或其他重要結(jié)構(gòu)尺寸控制項周圍布置一系列控制點，用于實現(xiàn)總裝過程中對結(jié)構(gòu)片的定位。但是，在對總裝的尺寸進行檢驗時，受高空限制、腳手架遮擋、周邊其他結(jié)構(gòu)物遮擋和儀器架設空間限制等因素的影響，部分控制點無法觀測到。傳統(tǒng)的解決方法是采用轉(zhuǎn)站測量的方式，根據(jù)控制點的位置，選取不同的觀測位置，多次設站進行測量。例如：朱志杰等在測量船體外板點位時，通過轉(zhuǎn)移測站位置獲取全部的點位信息；王永明在船舶制造現(xiàn)場的測量中提出了基于全站儀自由設站法的數(shù)據(jù)采集方案。此類方法的缺點是布置轉(zhuǎn)站點和多次設站測量需耗費大量的時間，尤其是在進行總裝集成定位或焊前檢驗時，會占用較多的吊機資源。

本文提出一種基于空間匹配技術(shù)的精度控制方法，減少環(huán)境因素對測量的影響，避免在進行總裝集成測量時多次轉(zhuǎn)站。通過合理地布置一些間接點，在進行總裝集成測量時架設1 個站點就可將所有控制點全部采集，大大提高工作效率。以某項目中的塔架結(jié)構(gòu)集成測量為例，介紹空間匹配技術(shù)在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)精度控制中的應用過程。

1 匹配測量技術(shù)

1.1 匹配測量的概念

匹配測量技術(shù)的原理是采用最小二乘法，基于歐拉旋轉(zhuǎn)理論，對實測點集進行平移和旋轉(zhuǎn)，使作業(yè)中的實測點集與設計點集實現(xiàn)最優(yōu)匹配，目標為所有實測點與設計點的距離平方和最小。本文應用的空間匹配不存在真正意義上的設計點集，而是將在建造階段測量的點集作為實測點集，將在集成階段測量的點集作為設計點集。通過將間接點作為中間媒介，對2 組點集進行最佳匹配，從而獲得目標點在集成階段的空間坐標。

采用的數(shù)學表達式為

式（1）中：S為實測點與設計點的距離平方和；p=（x，y，z）為設計點坐標；p′=（x′，y′，z′）為實測點坐標。

空間匹配測量技術(shù)的應用范圍較廣，例如在船體分段建造的精度分析和攝影測量的數(shù)據(jù)處理中都有應用。

1.2 常用匹配軟件介紹

目前國內(nèi)常用的精度管理軟件有海徠公司的DACS 軟件和韓國SAMIN公司的ECO-System軟件。本文以DACS軟件為例，介紹空間匹配的處理方法。DACS軟件共分為分段測量及現(xiàn)場分析手簿軟件（IPAD測量子系統(tǒng)）、三維分段精度管理軟件（OFFICE精度分析子系統(tǒng)）和三維模擬搭載軟件（SIMULATION模擬搭載子系統(tǒng)）等3 部分。通常利用OFFICE精度分析子系統(tǒng)中的匹配功能實現(xiàn)間接點的匹配。

2 空間匹配測量技術(shù)的應用方法

海工鋼結(jié)構(gòu)建造通常分為建造階段和集成階段。為控制鋼結(jié)構(gòu)的建造精度，在建造階段，需在鋼結(jié)構(gòu)的幾何中心和對接口邊緣等關鍵部位布置一系列控制點，通過使用全站儀測量控制點的空間位置，對其相對位置關系進行分析，并將所得結(jié)果與理論模型計算結(jié)果相對比，得出鋼結(jié)構(gòu)的建造精度。選取的控制點既要具有代表性，能反映出結(jié)構(gòu)物的關鍵尺寸，又要便于現(xiàn)場觀測。但是，在實際應用中兩者經(jīng)常無法兼顧，為提高測量效率，需在結(jié)構(gòu)物上布置間接點，并采用匹配測量的方法對觀測數(shù)據(jù)進行處理。

2.1 間接點的布置原則

間接點的布置是匹配測量的關鍵，具有以下原則和要求：

1）間接點的布置位置不能距離控制目標太遠，且應布置在強結(jié)構(gòu)上。若布置的距離較遠或布置在易變形的結(jié)構(gòu)上，吊裝結(jié)構(gòu)變形會導致匹配精度下降；同時，匹配前后2 次測量的溫度發(fā)生變化會導致間接點與目標點的空間距離產(chǎn)生差異。以本文中的塔架結(jié)構(gòu)為例，控制目標是塔架頂層甲板的中心，因此將間接點布置在頂層甲板上部和下部的立柱上，在立柱上比較靠近甲板的位置。

2）間接點布置的范圍應盡量分散，并將控制目標包含在內(nèi)。為更準確地反映控制目標與間接點的空間位置關系，在布置間接點時應避免將間接點集中布置在某一局部區(qū)域，且不能分布在同一直線上。

3）為有效實現(xiàn)空間匹配，間接點的數(shù)量不少于3 個。

4）布置間接點的目的是解決原有控制點在總裝或集成階段不易觀測的問題，因此在滿足上述幾個條件的基礎上，應根據(jù)場地的實際條件，將間接點布置在總裝或集成階段最易觀測的位置。

2.2 應用方法

本文以某海工塔架項目的集成定位為例，介紹匹配測量方法的具體應用方法。

該海工塔架項目是一個由四腿支撐的塔樓式結(jié)構(gòu)，包含底部的塔架腿、中部的主甲板和上部的塔樓等3 個分段（見圖1）。項目分為陸地建造和船體集成2個階段。在建造階段，3 個分段先分別建造，再總裝成一個整體。陸地建造階段結(jié)束之后，將塔架整體吊裝至船體主甲板上與船體集成。

圖1 塔架項目工藝流程圖

在塔架與船體集成過程中，項目要求檢驗塔架的整體垂直度，公差要求為±7.5 mm。為控制塔架的整體垂直度，以上部塔樓的頂層甲板的中心點作為控制目標，需在頂層甲板上布置控制點。塔架的上部塔樓是一個由4 根立柱、數(shù)層甲板平臺和頂部軌道梁構(gòu)成的結(jié)構(gòu)（見圖2）。頂層甲板四周由工字鋼與立柱連接形成走道，甲板中間為中空結(jié)構(gòu)。由于甲板中心沒有實際結(jié)構(gòu)物，無法對中心點進行標記，將控制點設置在周圍四根工字鋼的中點上，4 個中點的連線的交點即為目標中心點。

圖2 上部塔樓結(jié)構(gòu)圖

由于在建造塔架過程中，在其周圍搭設了大量腳手架，且受船體甲板面積的限制，在對塔架進行集成定位測量時沒有合適的位置架設全站儀一次性測完全部測量點。若采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)站測量的方法，觀測完成4 個控制點至少需在船體主甲板上的不同位置使用全站儀設站4 次進行測量，需耗費大量的時間，尤其是在進行集成定位和焊前檢驗時，會占用較多的吊機或浮吊船的作業(yè)時間。因此，采用布置間接點和匹配測量的方法對塔架的垂直度進行測量。

2.2.1 建造階段的應用

在塔架建造總裝完成之后，在塔架上部塔樓的頂層甲板附近立柱的同一側(cè)面布置3 個間接點（如圖2 所示）。使用全站儀同時測量3 個間接點和工字鋼上的4 個原控制點。這一過程需轉(zhuǎn)站2 ～3 次才能完成對全部點的觀測，所有觀測點需保存至同一作業(yè)中。此時，3 個間接點與4 個原控制點的空間相對位置關系得以確認。在內(nèi)業(yè)處理階段，使用CAD軟件將4 個原控制點相連，交點即為塔架頂層甲板的目標中心點。將3 個間接點和目標中心點保存為文件A（見圖3a）。此時，目標中心點和3 個間接點處在同一坐標系中，其空間位置關系得以確認，通過測量3 個間接點的三維坐標即可求得目標中心點的三維坐標。

2.2.2 集成階段的應用

塔架集成的目標是使其中心與船體中心線和FR100 肋位線的交點對齊。圖4 為塔架集成測量示意，在塔架集成之前，在船體主甲板FR100 肋位線的左右舷各布置1 個基準點（M 點和N 點），在船體主甲板中心線上布置1 個基準點（P點）。在CAD軟件中將3 個基準點置于同一水平面上，從P點向M點與N點的連線作垂線，交點Q即為塔架集成的理論目標位置，也是塔架整體垂直度的參考基準。

塔架集成至船體甲板上之后，將全站儀架設在船體主甲板的合適位置處，同時測量位于船體中心線和肋位線上的3 個基準點和塔架頂層甲板附近的3 個間接點。如圖4 所示，由于間接點位于立柱外側(cè)的同一側(cè)面，只需架設1 個站點就可將所有間接點測完。測量完成之后，將3 個間接點和3 個基準點保存至同一文件中。在內(nèi)業(yè)處理階段，使用CAD軟件將3 個基準點置于同一水平面上，從船體中心線上的P 點向2 個肋位線上的M點與N點的連線作垂線，得到交點Q。將3 個間接點和M點、P點、Q點等3 個基準點保存為文件B，如圖3b所示。

圖3 測量點圖

圖4 塔架集成測量示意

2.2.3 數(shù)據(jù)處理分析

對于數(shù)據(jù)處理階段的匹配，主要根據(jù)最小二乘法原理，將文件A和文件B中的3 個間接點作為公共點，使用歐拉旋轉(zhuǎn)，對不同坐標系下的2 組數(shù)據(jù)進行平移和旋轉(zhuǎn)，使匹配之后所有實測點與設計點的距離平方和最小，從而得到實測數(shù)據(jù)與設計模型的最優(yōu)匹配。在本文所述案例中，以建造階段測得的文件A 作為實測點，以集成階段測得的文件B作為設計點進行匹配。

使用DACS軟件中的OFFICE 精度分析子系統(tǒng)新建一個工程，按以下步驟對數(shù)據(jù)進行處理分析：

1）將文件A 導入DACS-OFFICE 軟件中，按順序標記命名實測點1 ～4，其中，1 ～3 為間接點，4 為目標中心點；

2）將文件B導入DACS-OFFICE軟件的上述同一工程中，按順序標記命名設計點1 ～6，其中，1 ～3 為間接點，與實測點1 ～3 一一對應，4 ～6 為船體基準點；

3）采用多點自動匹配功能，使實測點與設計點自動匹配，匹配結(jié)果見圖5；

圖5 匹配結(jié)果示意圖

4）用設計點4 ～6 重新定義坐標系，在新坐標系下查看實測點4 的坐標值，分析塔架的整體垂直度。

3 匹配測量與直接測量的精度對比

為確認空間匹配之后目標點的測量精度與直接測量的精度是否有較大差異，進行對比試驗研究。以塔架項目為例，在塔架集成焊接完成之后，使用全站儀一站測量所有間接點和船體基準點，并使用DACS-OFFICE軟件進行多點自動匹配，3 個間接點的匹配精度見表1。從表1 中可看出，所有間接點的匹配誤差都小于1 mm，說明在集成吊裝過程中，間接點之間的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大的形變，完全能滿足項目的精度要求。

表1 間接點匹配精度誤差

此外，使用全站儀，通過轉(zhuǎn)站測量的方式分別架設4 個站點，對塔架頂層甲板的4 個原控制點和船體基準點進行直接測量，通過CAD軟件進行計算處理，最終得出目標中心點的坐標值。通過匹配測量和直接測量得到的目標中心點的坐標值對比見表2。

表2 目標中心點坐標值測量結(jié)果對比

從表2 中可看出，匹配測量與直接測量的精度差異為0.5 mm，說明不僅在集成吊裝過程中間接點與目標中心點之間的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生較大的形變，而且這種空間匹配測量的結(jié)果與直接測量的結(jié)果不存在顯著差異，完全能滿足各類海工項目的精度控制要求，滿足API RP 2A和EEMUA158等國際常用海洋鋼結(jié)構(gòu)建造規(guī)范的精度要求。

4 結(jié)語

通過應用間接點布置和匹配測量技術(shù)，將集成階段多次轉(zhuǎn)站測量的過程轉(zhuǎn)移至建造階段，可有效縮短集成階段的測量時間，節(jié)省吊機資源，尤其是對于高成本的浮吊吊裝而言，每天可為項目節(jié)約數(shù)十萬元的成本。

該工程應用的重點和難點體現(xiàn)在：

1）匹配測量本質(zhì)上是2 個空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程共有7 個轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別是3 個平移參數(shù)（Δx、Δy、Δz）、3 個旋轉(zhuǎn)參數(shù)（εx、εy、εz）和1 個尺度參數(shù)k，采用最小二乘法求解這7 個參數(shù)至少需要3 個重合點。因此，間接點的數(shù)量至少要有3 個，間接點的數(shù)量越多，多余觀測就越多，測量結(jié)果的精度就越高。

2）受匹配軟件算法的限制，在處理數(shù)據(jù)時，首先需手動選取至少3 對實測點和設計點進行人工初始配對，然后通過算法自動精確匹配。因此，2 次觀測的間接點應按相同的順序編號，防止手動配對時出現(xiàn)錯誤。

本文以某塔架結(jié)構(gòu)的集成測量為例，對匹配測量技術(shù)在精度控制中的應用進行了介紹，該技術(shù)在海工其他鋼結(jié)構(gòu)的建造精度控制中同樣適用。例如深水導管架的裙裝套筒的總裝精度控制、上部組塊或LNG 模塊中的設備定位測量等，都可采用匹配測量的方法進行精度控制。