3D掃描技術(shù)在船舶改裝上的應(yīng)用與前景

摘" " 要：3D掃描技術(shù)可大大縮短船舶改裝項目施工周期，降低設(shè)計修改率，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。本文主要介紹了3D掃描技術(shù)的基本原理和工作流程，并通過作者自身參與船舶改裝項目的研究和實踐，對比了3D掃描技術(shù)在SPD和E3D上的應(yīng)用情況，展望了其在船舶改裝中的潛力，以及其能為未來船舶改裝行業(yè)帶來的巨大發(fā)展機遇。

關(guān)鍵詞：3D掃描技術(shù)；建模；E3D；SPD；點云

中圖分類號：U671.99 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Application and Prospect of 3D Scanning Technology in Ship Conversion

SHU Hongwen，" ZHAO Dongsheng

（ Yiu Lian Dockyards （Shekou） Ltd.，" Shenzhen 518000，" China ）

Abstract： 3D scanning technology can greatly shorten the construction period of ship modification project， reduce the design modification rate， and improve the production efficiency and economic benefits. This paper mainly introduces the basic principle and workflow of 3D scanning technology. Through the research and practice of the author's own participation in the ship modification project， the application of 3D scanning technology in SPD and E3D is compared， and its potential in ship modification is prospected. It can bring great development opportunities for the future ship modification industry.

Key words： 3D scanning technology;" modeling;" E3D;" SPD;" point cloud

1" " 引言

隨著世界海洋經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和原油價格的回升，新造船舶的訂單量也在慢慢增加，由于材料及人力成本的增長，使得船舶改裝項目越來越受到船方青睞，如VLCC改裝FSO或FPSO，LPG雙燃料改裝、LNG/FLNG改裝、加裝脫硫系統(tǒng)或壓載水系統(tǒng)等[1]。

船舶改裝項目是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及工種多，專業(yè)廣，技術(shù)密集，改裝過程中各工種交叉作業(yè)，設(shè)計工作復(fù)雜、內(nèi)容繁瑣。傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往需要大量的現(xiàn)場測量、勘查和手工繪圖，效率低下且容易出現(xiàn)誤差。因此，有必要探索一種更高效、準確的設(shè)計方法，以滿足船舶改裝項目的要求。

2" " 3D掃描技術(shù)

3D掃描技術(shù)是一項實景復(fù)制技術(shù)，通過使用專業(yè)的儀器對海上平臺、大型船舶等各種工程對象進行激光掃描復(fù)制。通過3D掃描，所獲得的數(shù)據(jù)以“點云”的形式呈現(xiàn)，然后，利用這些點云數(shù)據(jù)還原工程模型，以此減少在單點數(shù)據(jù)合成三維數(shù)據(jù)時可能產(chǎn)生的誤差。因此，3D掃描技術(shù)可以為船舶改裝船項目提供一種有效的數(shù)據(jù)采集方法。

2.1" "3D激光掃描儀

3D激光掃描儀是用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的主要工具，它能夠全角度捕捉站點的實景三維圖像，并具有高精度的測量能力。例如，F(xiàn)ARO Focus 3D是一款用于測量的三維激光掃描儀，它可以采集多個站點的三維數(shù)據(jù)，并通過配套的SCENE軟件進行點云融合處理，如圖1所示。

2.2" "數(shù)據(jù)獲取與測量

在船上尋找合適的位置進行站點掃描，掃描完成后會生成點云數(shù)據(jù)文件。由于掃描過程受限于單個站點的視角，往往很難獲得完整的點云信息，可能會有一些區(qū)域的點云未被記錄到。因此，增加站點可以獲得更多的視角，從而增加新的點云數(shù)據(jù)。同時，設(shè)備放置位置和選擇第一個測量點非常重要，首選船中位置，并確保掃描儀的正面屏幕與船體中軸線平行。這樣，在拼接點云時，所有掃描的點都以第一個點為基準，從而在調(diào)整模型坐標時相對簡單許多。

2.3" "數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用SCENE數(shù)據(jù)處理軟件可對點云進行拼接、去噪和抽稀，以減少噪點和冗余數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。拼接的目的是將各站點的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系下，去噪是為了刪除一些噪聲點?？紤]到點云數(shù)量巨大，在不影響瀏覽和建模質(zhì)量的前提下，可以對點云數(shù)據(jù)進行抽稀處理。最后，根據(jù)不同的建模軟件需要，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為所需的格式，如圖3所示。

3" " "建模流程

目前友聯(lián)船廠（蛇口）有限公司在用的三維建模軟件有滬東SPD和AVEVA公司的AM。通過三維激光掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理完成以后，針對不同的建模軟件，與3D掃描技術(shù)相結(jié)合的方式方法也不盡相同，但最終皆可根據(jù)掃描的模型達到改裝設(shè)計的目的。建模流程如圖4所示。

3.1" "3D掃描技術(shù)在SPD上的應(yīng)用

SPD是上海東欣軟件基于OpenGL圖形庫進行開發(fā)的造船以及海洋工程CAD三維設(shè)計軟件，SPD軟件不能導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)，需將預(yù)處理好的三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到NK軟件中，接著做點云融合、調(diào)整點云方向和坐標等，然后進行實體重建，由于實體重建工作量較大，通常在進行實體重建之前，設(shè)計者會確定好設(shè)備位置、管路和電纜大致走向，以此為指導(dǎo)，進行局部區(qū)域的實體重建，實體重建完成以后可導(dǎo)出dxf背景文件，通過SPD接口轉(zhuǎn)換將此文件導(dǎo)入SPD工程項目中作為項目背景，此時進入SPD軟件可加載此背景文件（類似于船體背景），以便于完成改裝設(shè)計工作。

3D掃描應(yīng)用在SPD軟件主要是針對局部改造、部分新加設(shè)備、設(shè)備換新、小型改造項目等，需要對原船船體、管線、舾裝件等進行實景重建，然后導(dǎo)入三維模型中當做原船背景，管線的設(shè)計可參照原船背景模型進行修改，達到百分百出圖，降低圖紙的修改率，對于小型改造船項目來說具有非常重要的作用。主要缺點是實體重建工作量較大，通常只能實現(xiàn)局部實體的重建工作，同時每個區(qū)域在導(dǎo)入SPD時會出現(xiàn)坐標誤差，并且無法修復(fù)，對建模工作有一定的影響。并且對實體重建部分的管線和舾裝件無法實現(xiàn)修改和出圖等，只能依靠現(xiàn)場自放樣以靠模的形式修改，對改裝項目來說，不能完全實現(xiàn)整個改造項目的設(shè)計和出圖等工作。

3.2" "3D掃描技術(shù)在AM上的應(yīng)用

E3D是AVEVA公司基于AM開發(fā)的一款功能強大的三維建模軟件。相比于AM，E3D最突出的優(yōu)勢在于其能夠利用激光掃描進行數(shù)據(jù)處理，自動生成背景模型，進而達到船舶改裝設(shè)計的目的。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)背景建模不同，E3D直接使用激光掃描數(shù)據(jù)作為背景，因此在船舶改裝項目的設(shè)計方面具有獨特的優(yōu)勢。這種方法也減少了大量現(xiàn)場勘察和測量等工作。同時，E3D與AM可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫共享，大大降低建庫工作，提高了設(shè)計效率[2]。

但是，E3D需要借助配套的FLM軟件進行轉(zhuǎn)換和定位掃描數(shù)據(jù)，它能夠?qū)呙鑳x獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成E3D可識別的數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際船坐標系調(diào)整和定位點云數(shù)據(jù)。然后，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為ifd格式文件，并使用Publish功能對文件進行處理和發(fā)布。最后，將ifd文件導(dǎo)入E3D工程項目中做建模背景，以此來完成改裝設(shè)計工作。

隨后，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到E3D軟件中，點云數(shù)可以作為改裝船項目建模背景。利用這個建模背景，可以進行干涉檢查、空間測量等操作。此外，還可以進行逆向建模，即根據(jù)點云數(shù)據(jù)還原原始模型。這樣可以更加準確地進行建模設(shè)計出圖工作，如圖7所示。

通過將3D掃描點云數(shù)據(jù)與E3D及AM軟件相結(jié)合，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而降低了對E3D軟件的使用要求，增強了其通用性。并且通過軟件的二次開發(fā)，還實現(xiàn)了快速、準確、高效地提取管路焊點等功能。同時也減少了大量現(xiàn)場測量工作，縮短了生產(chǎn)設(shè)計時間，減輕設(shè)計者的工作負擔。這不僅提高了設(shè)計的準確性和生產(chǎn)效率，還可降低修改率，可以說，這為改裝船的設(shè)計提升提供了可靠的支持。

4" " E3D與SPD軟件對比

E3D與SPD軟件都有應(yīng)用到改裝項目中，可以說各有千秋，綜合來看，E3D更具備其3D掃描技術(shù)與其相結(jié)合使用上的功能，針對項目的使用情況，做出對比如下。

根據(jù)對比情況綜合看，E3D軟件可操作性和可延展性更強，同時需要與AM軟件交互使用，上手簡單，不需要大量的實體重建（逆向建模）工作，但E3D與點云數(shù)據(jù)結(jié)合較差，坐標定位不準確，點云在模型中不清楚等均影響設(shè)計工作，E3D軟件需要進一步優(yōu)化和升級。而SPD軟件需要利用NK軟件實體重建工作，然后再導(dǎo)入到SPD做背景進行三維建模， SPD本身沒有針對點云數(shù)據(jù)的接口，更適用于小型改裝項目，但也需要提高實體重建（逆向建模）的準確度和三維坐標的精確度。

5" " 前景

3D掃描技術(shù)在改裝項目中得到了較好的應(yīng)用，它能夠在最短時間內(nèi)捕獲大量數(shù)據(jù)，是準確構(gòu)建三維模型的最高效方法，設(shè)計者可以將主要的時間和精力放在系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備布置和施工圖紙上，保證項目按期完成，未來前景廣闊。但以下幾點也是未來3D掃描技術(shù)與三維建模軟件的重要發(fā)展方向。

5.1" "提高3D掃描數(shù)據(jù)坐標定位準確性

3D掃描數(shù)據(jù)坐標定位還有很大的提升空間。目前掃描數(shù)據(jù)是依靠肉眼手動定位，需要重復(fù)操作多次修正，盡管如此還是存在偏差，希望可以開發(fā)出利用軟件自動對掃描數(shù)據(jù)進行坐標校對調(diào)整，提高數(shù)據(jù)準確性；或者可以直接在三維軟件中進行坐標的多次定位和調(diào)整，使得掃描的每個部分數(shù)據(jù)定位都是準確的，這樣設(shè)計者在此基礎(chǔ)上建模才是準確的，目前蛇口友聯(lián)船廠也在探索其他軟件的類似功能。

5.2" "提高點云背景在生產(chǎn)設(shè)計中的清晰度

在三維建模的模式下，點云背景清晰度太過模糊，越是放大，就越不清晰，設(shè)計者只能通過某個站點在照片模式下估算所處建模環(huán)境周圍的結(jié)構(gòu)等，從而避開原船結(jié)構(gòu)和舾裝件，由于依靠肉眼觀察，給建模工作帶來了一定的誤差，給改裝設(shè)計工作帶來一定的困難。

5.3" "點云數(shù)據(jù)可做圖紙背景

E3D一般不需要進行逆向建模，直接根據(jù)點云建模出圖后，所下發(fā)圖紙沒有結(jié)構(gòu)背景，對于現(xiàn)場施工有一定的影響，若點云數(shù)據(jù)可作為圖紙背景，無疑是將點云和模型相結(jié)合的最佳狀態(tài)，也是未來的發(fā)展方向。

5.4" "可以識別點云數(shù)據(jù)加支架、提開孔信息

目前E3D無法在點云數(shù)據(jù)下加支架和提開孔信息，希望未來加支架和提開孔可以直接與點云數(shù)據(jù)互通，為建模提供更加便利條件。

5.5" "點云背景可與模型一同導(dǎo)出，方便瀏覽

雖然可以在點云背景下進行建模，但卻無法將二者同時導(dǎo)出為模型文件，不便于整體瀏覽模型，同時也不方便檢查和審閱。

5.6" "高效的異地協(xié)同辦公

承接大型改裝項目，涉及的改造部分較多，內(nèi)容復(fù)雜，專業(yè)性較強的部分，可以選擇讓兄弟單位參與，這就用到了異地協(xié)同辦公，目前E3D和SPD還無法實現(xiàn)，但也在研究和開發(fā)中，5G時代的到來，必定會加速實現(xiàn)此功能。

6" " 結(jié)論

3D掃描技術(shù)在船舶改裝項目上具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，蛇口友聯(lián)船廠已經(jīng)成功將3D掃描技術(shù)應(yīng)用于LPG雙燃料、FPSO、BWTS以及脫硫改造項目中。與傳統(tǒng)的船舶改造設(shè)計相比，該技術(shù)可以有效減少現(xiàn)場測量工作，提高設(shè)計和改造效率，同時還可以提供更精確、可靠的數(shù)據(jù)支持。

但該技術(shù)也存在諸多不足之處，（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

如：點云圖像不清晰、掃描數(shù)據(jù)坐標定位偏差較大、點云融合精度差、加管支架困難、實體重建功能不完善、傳輸和存儲數(shù)據(jù)量大不利于日常工作和協(xié)同作業(yè)等缺點和不足，隨著技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和進步，相信3D掃描技術(shù)將在改造船領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為船舶工業(yè)帶來巨大的發(fā)展機遇，為船舶行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展保駕護航。

參考文獻

[1]趙東升.淺談改造船管系設(shè)計與施工[J].廣東造船， 2018， 37（5）：57-60.

[2]王功凱.激光掃描數(shù)據(jù)在FSO改造設(shè)計中的應(yīng)用[J].廣東造船， 2021，"40（3）：21-24.