陳俊發(fā) 羅東浩

摘 要：介紹了三維激光掃描技術(shù)，分析了船舶與海洋工程測(cè)量數(shù)據(jù)需求及三維掃描技術(shù)可提供的解決方案，探討其在船舶全生命周期的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：激光掃描；船舶；點(diǎn)云技術(shù)

中圖分類號(hào)：U671.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper introduces the 3D laser scanning technology， analyzes the survey requirement of ship engineering and the solutions for it by using 3D laser scanning technology ， and discusses its application prospect in the whole life of ships.

Key words： 3D Laser scanning； Ship； Cloud point

1 引言

隨著科技的進(jìn)步，制造業(yè)快速地向數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變，智能制造日益成為世界先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的重要方向。船舶工業(yè)作為工業(yè)的集大成者，正朝著智能化、信息化大步邁進(jìn)。三維激光測(cè)量技術(shù)作為一種全新的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，其在精度、速度及操作性上擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用較為廣泛，但在國(guó)內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域還處于起步階段，研究及推廣三維激光掃描技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用，將進(jìn)一步提高我國(guó)船舶工業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的綜合能力。

2 三維激光掃描技術(shù)

2.1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)，顧名思義是采用激光發(fā)射的方式來獲取被測(cè)物體的三維立體數(shù)據(jù)信息[1]。其主要構(gòu)成為三維激光掃描儀及相關(guān)的計(jì)算軟件。

激光掃描儀是利用激光測(cè)距的原理，通過主動(dòng)發(fā)射激光并同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)進(jìn)行測(cè)距，記錄并計(jì)算被測(cè)物體表面密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率及紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)量物體的三維模型及各種線、面、體信息。

2.2 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)工程測(cè)繪，三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在三維空間內(nèi)精確描述設(shè)施對(duì)象位置、形態(tài)，在數(shù)據(jù)完整性、精度、作業(yè)效率等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)。其主要的特點(diǎn)如下：

（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；

（2）詳細(xì)測(cè)量

僅需幾分鐘就能針對(duì)性地對(duì)復(fù)雜的環(huán)境和幾何形狀提供詳細(xì)的三維圖像；

（3）數(shù)字建檔

可通過兼容軟件輕松導(dǎo)入所有常用的數(shù)據(jù)，為工業(yè)指導(dǎo)和后期改造提供解決方案；

（4）彩色掃描

可集成彩色照相機(jī)，自動(dòng)獲取幾千萬及無色差彩色疊加，進(jìn)行照片般逼真的三維掃描；

（5）自動(dòng)整合

可集成高精度傳感器（GPS、羅盤、高度計(jì)、傾角儀、多軸補(bǔ)償器等），自動(dòng)擬合所有的掃描文件，并形成完整的三維實(shí)體模型；

（6）便攜性

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

3 船舶行業(yè)的三維數(shù)據(jù)采集

信息技術(shù)的飛速發(fā)展深刻的改變著傳統(tǒng)制造業(yè)，從產(chǎn)品的構(gòu)思、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程管理、物資采購(gòu)、生產(chǎn)制造、品質(zhì)控制、日常維護(hù)、改造升級(jí)直至拆檢的產(chǎn)品全生命周期，每一個(gè)環(huán)節(jié)均與信息化、數(shù)字化緊密相連。

船舶產(chǎn)品復(fù)雜、精度要求高，品種多批量小、建造過程變化大、配套設(shè)備多，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的柔性化和快速響應(yīng)要求高，迫切需要以數(shù)字化技術(shù)來改造傳統(tǒng)的船舶制造及維護(hù)模式[2]；船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、維修、檢修、評(píng)估、智能質(zhì)量控制、船舶運(yùn)行維護(hù)中，三維數(shù)據(jù)的采集及分析數(shù)字化、智能化趨勢(shì)愈發(fā)明顯。

3.1 初步設(shè)計(jì)

對(duì)船舶設(shè)計(jì)而言，新船設(shè)計(jì)常采用母型船改造的設(shè)計(jì)方法[3]。母型船改造設(shè)計(jì)法需要詳細(xì)的母型船數(shù)據(jù)供參考，但往往存在數(shù)據(jù)的缺失，特別是母型船型線數(shù)據(jù)缺失需要通過測(cè)量得到，而三維測(cè)量可提供相應(yīng)的解決方案。

3.2 建造過程精度控制

船舶與海洋工程在建造過程中，因?yàn)槭艿礁鞣N客觀條件的限制，結(jié)構(gòu)件、分段、總段及主尺寸等與圖紙的公稱尺寸存在偏差，通過測(cè)量獲取船舶構(gòu)件的形體特征，同時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算構(gòu)件三維拼接誤差，得出建造的真實(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制和指導(dǎo)施工過程，減少船舶整體拼裝誤差，可顯著提高建造水平和質(zhì)量。例如船體外板線型，由于加工工藝和變形等影響，外板的最終形態(tài)常與設(shè)計(jì)形態(tài)有一定差異，三維測(cè)量技術(shù)可高效準(zhǔn)確獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過高性能的軟硬件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終獲得準(zhǔn)確的線型數(shù)據(jù)。

3.3 完工存檔

船舶與海洋工程設(shè)施建造完成，除了基礎(chǔ)原理等完工資料外，為了方便管，理準(zhǔn)確的三維模型數(shù)據(jù)也是今后普遍的需求[4]。

3.4 資產(chǎn)管理與可視化

有了完工三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后續(xù)可在模型中添加設(shè)備資料及日常維護(hù)記錄，這種直觀且可視化操作對(duì)于船員的培訓(xùn)及日常維護(hù)具有較大的促進(jìn)作用。

3.5 工程評(píng)估

船舶在運(yùn)營(yíng)過程中，經(jīng)常受到各種外力、腐蝕的作用，加之人為因素的影響，會(huì)產(chǎn)生變形與損壞，導(dǎo)致不滿足正常的使用要求；另外，由于科技的進(jìn)步，使得船舶的技術(shù)狀況變得陳舊落后，需要對(duì)船舶進(jìn)行修理或者升級(jí)改造。利用高效而準(zhǔn)確的測(cè)繪技術(shù)，對(duì)工程進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量、勘察及檢驗(yàn)，通過比對(duì)相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過綜合評(píng)估可獲得改造的具體需求。

3.6 改造方案的論證

修理或者改造需求基本明確后，往往需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。傳統(tǒng)的調(diào)研方式就是由船體、機(jī)械、管道、暖通空調(diào)、電儀等多個(gè)專業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，受環(huán)境、人力、時(shí)間等因素限制，往往效率不高；而基于精準(zhǔn)的掃描技術(shù)，僅需少量人力的掃描作業(yè)，即可記錄整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施的布局，用直觀的方式討論并完善實(shí)施方案，可顯著提高工作效率。

3.7 干涉檢查

船舶與海洋工程修理及改造工程需要花費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)設(shè)備及周邊環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，特別是原有設(shè)施圖紙資料缺失的情況下，如果沒有準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，改造后的設(shè)施可能會(huì)與原有設(shè)施產(chǎn)生干涉導(dǎo)致修改和返工，不利于工程周期及成本的控制。

3.8 船舶監(jiān)控

隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，區(qū)域航道內(nèi)的船舶通行量也快速增加，基于三維掃描技術(shù)可快速獲取航道的船舶通行量并同時(shí)獲取船舶的外形信息，為航道發(fā)展定位、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及航道管理策略制定提供依據(jù)。此外，船舶趨向大型化，為了保證船舶靠泊更加安全、高效，可利用基于激光三維視覺的船舶靠泊監(jiān)測(cè)技術(shù)，提取船舶靠泊時(shí)船首、船尾相對(duì)碼頭的距離與速度等船舶動(dòng)態(tài)靠泊參數(shù)，為船舶靠泊提供安全保障[5]。

4 三維掃描技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用

4.1 作業(yè)安全

安全是所有作業(yè)的第一要求，且安全監(jiān)管部門的要求越來越高，所有的作業(yè)均需滿足相應(yīng)的HSE監(jiān)管規(guī)定。

船舶及海洋工程行業(yè)需要進(jìn)行大量的測(cè)繪作業(yè)，而其環(huán)境通常較為復(fù)雜及危險(xiǎn)，激光掃描技術(shù)為非接觸式測(cè)量、高效測(cè)量，可減少暴露在工作環(huán)境中的時(shí)間，減少作業(yè)人員往返現(xiàn)場(chǎng)的次數(shù)，降低潛在危險(xiǎn)，特別是降低艙室、高溫高壓區(qū)、高空區(qū)域等惡劣環(huán)境對(duì)作業(yè)人員的傷害。

4.2 效率與成本

相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方式，三維測(cè)量技術(shù)可大大縮短工程的設(shè)計(jì)及施工周期，而且整個(gè)設(shè)計(jì)及施工可更為優(yōu)化及合理。

4.3 工程監(jiān)理

船舶與海洋工程特別是改裝項(xiàng)目，一般采用復(fù)雜的設(shè)計(jì)和施工流程，而海工項(xiàng)目物料成本非常昂貴，工程期間需要對(duì)設(shè)計(jì)/現(xiàn)場(chǎng)匹配情況進(jìn)行監(jiān)控：

項(xiàng)目開工前，對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行測(cè)繪存檔；

項(xiàng)目完成后，對(duì)整個(gè)工程再次掃描建模工作，快速對(duì)比設(shè)計(jì)偏差和物量情況；

項(xiàng)目完成后，存檔以用于后期的工程改造。

4.4 工程質(zhì)量

激光掃描技術(shù)可以獲取完整精確的三維實(shí)體數(shù)據(jù)，顯著提高工程質(zhì)量：現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備的操作培訓(xùn)；專業(yè)間的協(xié)調(diào)溝通；施工指導(dǎo)；安全評(píng)估監(jiān)控；建造質(zhì)量監(jiān)控；方案修改等。

5 三維掃描技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例

5.1 例一：工程逆向建模

某VLCC改造為FPSO項(xiàng)目，通過掃描獲取完整的外板數(shù)據(jù)（圖1），經(jīng)處理獲得線型信息并完善模型數(shù)據(jù)，為FPSO的設(shè)計(jì)提供載體（圖2）。

5.2 例二：建造過程精度控制

某跨海大橋30m鋼圓筒震動(dòng)錘項(xiàng)目，通過掃描獲取項(xiàng)目的建造數(shù)據(jù)及模型（圖3），監(jiān)控共振梁、吊架制作及震動(dòng)錘的組裝過程，保證施工精度滿足設(shè)計(jì)要求（圖4）。

5.3 例三：干涉檢查

某壓載水系統(tǒng)新增工程，通過掃描機(jī)艙擬改造的區(qū)域，評(píng)估設(shè)備擺放的位置，直接通過三維模型進(jìn)行模擬吊運(yùn)路徑，獲取最優(yōu)的吊運(yùn)路徑，將可能的干涉影響降低至最低限度。圖5紅色區(qū)域?yàn)榭赡艽嬖诟缮娴膬?nèi)容，在設(shè)備安裝前可提前將干涉部分消除，保證安裝過程順利進(jìn)行。

6 結(jié)論

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)是一套成本低、風(fēng)險(xiǎn)低、效率高的創(chuàng)新性測(cè)量技術(shù)，可廣泛運(yùn)用于船舶的各個(gè)生命周期。隨著船舶行業(yè)的飛速發(fā)展，建造、升級(jí)改造、維護(hù)維修和測(cè)量監(jiān)控工作日趨增加，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)可降低風(fēng)險(xiǎn)、提高工作效率、降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)整體的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

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