萬青霖，王志超，段碧清，羅 建，李 翯

（中海油信息科技有限公司 北京分公司，北京100029）

經過三十多年的發(fā)展，中國海洋石工業(yè)體系已經基本建成，海洋石油的開發(fā)工程模式也有了明確的劃分，一般分為“全海式開發(fā)”和“半海半陸式開發(fā)”兩種[1]。為了實現“半海半陸式開發(fā)”模式，多年來在沿海各地陸續(xù)建造了多個原油處理廠，海上開采的原油經海底管線輸入陸地終端，經過油水分離加工處理后儲存，再定期進行原油外輸。陸地終端作為建設數字油田的一個重要組成部分，是實現海洋油氣田全生命周期資產完整性管理的必備環(huán)節(jié)，也是未來實現海上油氣田網絡化管理、可視化管理、自動化管理乃至智能化管理的重要技術基礎。

由于海上油氣田一般采用滾動式開發(fā)的節(jié)奏，陸地終端必然要根據油氣田的開發(fā)進程進行必要的改建甚至擴建。對于投產時間將近二十年的陸地終端而言，因歷經多次的更新改造，終端現狀已與原始設計資料出現明顯差異，同時因工程設計文件版本次數居多、文件控制工作未能有效執(zhí)行、資料歸檔工作還不夠完善，導致設計改造資料存放凌亂，資料收集、查閱工作不甚理想[2]，僅利用現有收集到的資料、圖紙和文件無法完整、準確地對陸地終端原油處理廠實現數字化，只能依靠三維數字化技術對陸地終端工程信息進行逆向恢復。

1 三維數字化技術應用設計研究

目前，三維數字化技術已經成熟應用于基礎設施建設、文物和遺產保護、建筑、地質、采礦、工廠、大型裝備建造等生產領域[3]。根據不同的行業(yè)特點、針對特定的實施場所和測量對象，三維數字化實施內容也會有所側重，本文將以陸地終端原油處理廠為例，詳細介紹具體的實施步驟以及過程控制方法。

1.1 實地勘察、方案設計

陸地終端原油處理廠作為海上原油輸入處理的場所，大致可分為廠前區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)、生產區(qū)和存儲區(qū)，其中生產區(qū)域設備設施數量最多，又可分為熱介質區(qū)、污水處理區(qū)、電加熱脫水區(qū)、原油穩(wěn)定區(qū)以及原油計量和外輸區(qū)。年處理能力為一千萬噸的終端處理廠，占地面積約3萬平方米。鑒于測量區(qū)域面積之大，建筑物之多，設備設施以及管線排列緊密且錯綜復雜等原因，在實施三維數字化之前需要對其進行實地勘察并制定測量方案。

對終端現場的實地勘察，首先要結合現有資料（包括圖紙和文檔），分析終端面積尺度、各個生產區(qū)域、預計作業(yè)周期、生產安全環(huán)境等因素，重點對管線彎頭區(qū)域、管道設備接口處、設備設施密集區(qū)域、室內外連接設備、大型生產裝置、儲罐等工程設施的位置、外形、尺寸進行詳細勘察，如果遇見圖紙與實際勘察不一致的情況時，應按照實際勘察的結果為準。與此同時還需要與終端作業(yè)人員取得聯(lián)系，詳細說明作業(yè)內容、作業(yè)時間、作業(yè)范圍，并征得其認可。

三維數字化工作方案設計的重點是確定掃描站點以及標靶的布放位置，科學的設置掃描站點、使掃描儀器在有效范圍內發(fā)揮其最大功效，可以提高點云數據質量、提升配準精度、減少作業(yè)時間、避免重復掃描、保證數字化工作順利進行。陸地終端由于面積較大，設備和配管較多，對整個陸地終端實施數字化不僅需要建立單個物體的三維模型，還要確定各構筑物、設備設施之間的相對位置關系。為此，綜合考慮施工效率和測量精度兩方面因素，測量方案需要涉及兩個方面的工作，一方面使用三維激光掃描儀對單個生產區(qū)域進行推進式掃描，推進過程中注意設備管線情況，對管線交叉、遮擋位置需單獨布站掃描，最終對掃描區(qū)域形成一個完整的閉環(huán)，并確保點云數據對掃描區(qū)域全覆蓋；另一方面需要用全站儀控制兩個掃描區(qū)域的配準精度，來保證點云的有效性，兩項工作同步進行。具體過程如下：

1)通過實地勘察、熟悉陸地終端處理廠各主要區(qū)域、連接通道、標志性構筑物、管線及管廊架走向等實際情況。

2)根據圖紙資料結合現場實地勘察情況，大致確定三維激光掃描儀的站點擺放位置。因圖紙資料只能反映平面信息，在實際工作中，要根據被測物體的空間立體信息靈活調整或增設掃描站點的位置和數量。

3)根據掃描站點位置確定標靶的位置，利用標靶作為控制被測物體之間相對位置關系的同名點。確保兩個掃描站點之間公共標靶的數量保持在3個以上，如精度要求較高可相應增加公共標靶數量和對掃描站點進行相應加密（如圖一所示，三角形表示設計的標靶的位置）。

4)不同區(qū)域間的拼接一般由全站儀配合完成。方法為：在陸地終端被測區(qū)域內布設導線，設定圖中M1、M2為已知控制點，測出各導線點的坐標及高程，再由導線點測出圖中標靶位置。一般我們只測量4個標靶位置就可以，為保證拼接精度和質量，我們選取1、3、5、9 4個標靶進行測量，選取原則為4個標靶連線能夠把掃描區(qū)域基本包括。數據為標靶的坐標位置和高程。（如圖2所示，黑色圓圈表示導線點）

5)用三維激光掃描儀對被測區(qū)域進行激光掃描。

6)在點云中將標靶位置找出，用掃描儀定位并命名，同時將標靶位置和名稱繪制在掃描區(qū)域草圖里，涉及到兩個生產區(qū)域的連接標靶，要使用全站儀定位，保障配準精度。

7)利用掃描標靶的位置坐標，將激光掃描儀獲得的所有單站點云數據進行整體拼接，進而獲得整個陸地終端的點云數據。

1.2 站點架設、標靶位置設計

在設計方案確定的掃描站點位置上架設三維激光掃描儀，架設原則是要確保掃描儀器與被測物體之間通視，實現“可見即可掃”。同時也要控制好掃描儀與被測物體之間的距離和角度，根據掃描儀的自身性能和設計參數，進行合理的架設。掃描儀安裝固定后，需要將儀器基座調整至水平位置，可以通過基座三點升降調節(jié)旋鈕進行操作。

圖1 掃描標靶位置設計圖Fig.1 Target location which used for scanning

圖2 導線點、控制點位置設計圖Fig.2 The location of guide line points and control points

掃描標靶作為一種特殊的標記，能夠被掃描儀器識別，并被記錄下空間坐標值。標靶種類一般可分為黑白標靶、球形標靶和圓形標靶。掃描站點位置確定了掃描標靶的位置，標靶應該放置在兩個相鄰站點之間的重疊區(qū)域內，重疊區(qū)域應布置3個或以上數量的標靶，標靶相互之間的空間位置關系應避免處在條直線上，如需要布設第四或第五個標靶，則其位置應盡可能遠離三角平面的法線方向。標靶平面應與現站點儀器的激光光源方向保持基本垂直，標靶位置還應同時滿足現站點和下一站點的通視。

1.3 掃描作業(yè)過程設置

三維激光掃描儀目前大致可分為兩種工作模式，一種是連機掃描、一種是脫機掃描，兩種工作模式各具優(yōu)勢。隨著掃描技術的進步，目前使用較為普及的主流機型如徠卡C10地面掃描儀，此儀器即可實現脫機掃描，又能支持連機掃描，能夠適用于不同的掃描環(huán)境和技術要求，很大程度的提高了現場掃描的工作效率。在實際掃描工作中，如果環(huán)境條件允許，建議采用連機掃描的方式，以實現對掃描數據的實時拼接配準和過程質量控制。

三維激光掃描儀與計算機通過局域網線連接，手動設置IP地址構建掃描儀與計算機之間局域網絡環(huán)境。利用cyclone軟件設置添加數據庫，確定數據最后存儲的位置，并建立project名稱（如圖3所示）。通過掃描軟件連接并控制激光掃描儀，在軟件設置功能模塊，設置掃描范圍、掃描點云間隔密度、掃描在水平和垂直方向的點數等參數 （如圖4所示），設置完畢開始進行激光掃描工作。單個站掃描工作完成后，應檢查獲取的點云情況，如發(fā)現局域點云掃描缺失，應在站點原位重新掃描，直至獲得符合技術要求的點云數據。同時在作業(yè)過程中，還要做好換站工作，換站前應先關機，并斷開局域網連接線，新站點的架設方法與掃描操作與前站相同。此外，對現場的作業(yè)布局也要做好記錄，例如場地平面布置簡略圖、站點名、站點位置及數量、標靶名、標靶位置及數量等信息都需要準確記錄。

圖3 設置掃描項目Fig.3 Setting scanning project

圖4 設置掃描參數Fig.4 Setting scanning parameters

現場拍攝作為掃描作業(yè)的輔助手段，與掃描作業(yè)同步進行。因陸地終端原油處理廠設備設施種類繁多、管線與構筑物相互穿插、結構復雜，部分區(qū)域人員設備無法穿越，也有的區(qū)域因存在風險隱患無法在預設位置架設掃描站，因此必須結合使用影像的方式對三維掃描信息缺失的部分進行補充。對于終端現場和設備設施應采用多角度進行拍攝，按照觀察的先后次序，將設施及其管線的進出走向表現出來。并且按照場景、設施的分類，正確的建立影像文件目錄，做到層次分明、便于查閱和檢索。影像分辨率不應低于1 000萬像素、建議使用較大的景深，不宜使用機內閃光燈，文件格式最終以JPEG提交。

1.4 配準計算、質量控制

使用連機掃描工作模式具有獨特的自身優(yōu)勢，在設備多管線密集的情況下，可以用掃描軟件在計算機中觀察點云，直接找到標靶位置，并用掃描儀定位。而標靶的位置也可以放到距掃描儀較遠且標靶位置擺放需要精準的位置，同時在掃描單站完成后可以在現場立即進行拼接計算，避免現場其他施工人員誤動標靶，導致標靶失效問題[4]。通過掃描期間對單站或正在進行的掃描結果進行直觀的檢查，判斷點云質量是否滿足后續(xù)處理（如量測、建模、計算）的要求。同時還能夠實現對掃描數據的實時配準，檢查并控制掃描誤差，在作業(yè)過程中貫穿執(zhí)行質量控制。

在站點配準計算中，根據《石油化工生產設施逆向工程三維激光掃描作業(yè)規(guī)范》的要求，應將站點之間有效同名點配準誤差控制在5 mm之內（如圖5所示），對于配準超過5 mm誤差的有效同名點可以通過降低其的配準權重，或在保障兩個站點配準至少擁有3個有效同名點的情況下，刪除第4或第5個誤差較大的有效同名點。如果發(fā)現配準誤差過大，超過可控范圍，則需要進行原因分析，找出導致誤差產生的因素，發(fā)現問題及時整改。采取適當的補救措施，在原掃描站點進行重新掃描，或者調整原掃描站點布置方案、添加增設新的掃描站點，直至將誤差控制在5 mm之內。通過上述控制措施，在作業(yè)現場進行掃描數據的實時配準，有效地加強了對掃描數據精度和質量的控制，在整體上提高了陸地終端數字化工作的準確性。

圖5 配準誤差計算統(tǒng)計Fig.5 Calculation of registration error

2 三維數字化成果與建模技術應用設計研究

三維數字化技術獲取的成果主要以點云數據文件的形式存放，需要用專用軟件來讀取、運行和處理，在石油化工領域主要使用cyclone軟件對點云數據進行編輯。獲取陸地終端完整的點云數據，意味著三維數字化工作完成了一個階段，下一步就是利用點云數據對缺失的工程信息進行逆向恢復。

目前在工業(yè)設計中，三維建模技術主要使用PDMS、PDS、SPF、AUTOCAD、Smart 3D 等工程設計軟件[5]。 在陸地終端數字化工作中，需要涉及多專業(yè)、多軟件、多工具聯(lián)合使用。一般工作流程是先利用三位建模技術根據現有的工程資料，包括設計文件、設計圖紙、P&ID圖等進行正向建模，形成基于圖紙資料的正向模型。因前文所述圖紙資料缺失、不全等原因，正向模型會與陸地終端實際狀況存在較大的差異。此時，需要在三維建摸工程軟件中導入三維掃描的成果即點云數據，將正向模型與逆向點云數據進行模型比對。如果點云數據模型與正向模型空間位置、尺寸相符合，則直接保留正向模型；如果正向模型與點云數據比對時出現較大差異，比如正向模型中有此設備裝置但點云數據中沒有，或者某設備裝置在點云數據中存在但正向模型中無此設備。對此情況，則需要完全清除差異部分的正向模型，根據獲得點云數據和現場差異處照片進行逆向建模，恢復工程信息[6]。通過正逆向建模相結合的方式，完成整個陸地終端的三維工程模型。

在正逆向結合建模過程中，最初也最為重要的一個環(huán)節(jié)就是找準正向模型與點云數據模型的匹配坐標點。通過共同的坐標點來實現正向模型與點云數據處于同一坐標系統(tǒng)內。具體操作過程如下：

1)在正向模型中先選取一個參照物，參照物的選取原則：一般選取正向建模模型和點云中共有的設備，該設備在坐標系統(tǒng)中有明確的位置，即X、Y、Z方向的坐標都應較為明確和準確。該設備最好是垂直地面的大型柱型設備，可以是大型設備設施也可以是標志性構筑物。

2)提取正向模型參照物的中心點或者主結構交叉點的坐標值，記錄并保存為預設坐標值。

3)在點云數據模型中，找到與正向模型相同的參照物，本文以陸地終端儲罐設施為例進行說明（如圖6所示）。

圖6 儲罐點云數據Fig.6 Point cloud data of storage tanks

4)利用cyclone軟件對儲罐點云數據進行編輯處理，先生成儲罐的實物模型，再利用測量工具捕捉到儲罐模型的中心點。

5)在cyclone軟件中，將儲罐中心點的坐標值重新定義為正向模型中該設備中心點的坐標值，完成坐標點的設置，另存點云數據文件（如圖7所示）。

圖7 完成坐標設置的點云數據Fig.7 Point cloud which coordinate setting has been completed

6)在三維建模軟件中，導入設定好坐標值的點云數據文件，完成正向模型與點云數據模型的匹配。

為了確保三維建模軟件能夠識別導入的點云數據文件，需要在軟件中安裝必要的插件，針對不同的工程軟件，插件也有所不同，如果使用Smart 3D軟件進行建模則需要安裝CADWorx插件。完成上述工序后，則可以在三維建模軟件中實現正向模型與點云數據的匹配融合，進而開展后續(xù)的逆向建模工作，最終形成陸地終端原油處理廠全部設備設施、廠房構筑物、原油儲罐、管線管道的三維工程模型，為實現數字工廠提供基礎平臺。

3 結論

本文主要內容來自于對陸地終端原油處理廠實施三維數字化工作以及多年從事數字化工作的切實經歷，事實證明將三維數字化技術應用于陸地終端可以有效的促進實現其建成“數字工廠”的目標，成為其工程信息恢復的不可缺少的技術手段。特別是實現了三維數字成果與三維建模軟件的有效結合及應用后，更是拓展了對陸地終端實施數字化的路徑，加快了數字化工作的步伐。在今后全球數字化浪潮的趨勢下，從傳統(tǒng)的機械行業(yè)到新興的信息時代，許多領域都出現了對“實物數字化”技術的強烈需求，三維數字化技術也必然將在這種大的環(huán)境背景下，具有更為廣闊的應用前景。

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