王馳

摘? 要：石油安全關(guān)系著一個(gè)社會(huì)的穩(wěn)定和人民生活安全，定期檢測(cè)石油油罐變形情況，是保證油罐安全的重要方法。傳統(tǒng)的油罐檢測(cè)方法存在著檢測(cè)結(jié)果精確度低問題。針對(duì)這一問題，提出一種基于三維點(diǎn)與數(shù)據(jù)的油罐罐頂變形檢測(cè)方法，并對(duì)其云數(shù)據(jù)的采集以及各參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)證明，與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，新的檢測(cè)方法的精確度更高，更適用于實(shí)際的石油油罐的變形檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：三維? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)? 油罐? 變形

油罐是石油化工行業(yè)中最常用的存儲(chǔ)容器，油罐長(zhǎng)時(shí)間使用后，會(huì)受到其自身材質(zhì)變性以及外界環(huán)境等因素的綜合影響，導(dǎo)致油罐的罐頂出現(xiàn)不同程度的幾何變形，降低耐壓性，對(duì)于石化行業(yè)的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅[1]。傳統(tǒng)檢測(cè)方法有徑向偏差儀法、光學(xué)參比線法等[2]，操作流程復(fù)雜，且儀器精密脆弱，較為笨重，機(jī)動(dòng)性較差，檢測(cè)出的結(jié)果精確度較低，因此傳統(tǒng)方法應(yīng)用于對(duì)油罐的變形檢測(cè)尚存在缺陷。為此，設(shè)計(jì)一種激光三維掃描檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)油罐罐頂變形量的檢測(cè)。

1? 油罐罐頂變形檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

儲(chǔ)存石油的油罐分為空油罐和在役油罐兩種。對(duì)于空油罐的罐頂變形檢測(cè)可以充分利用油罐內(nèi)部的巨大空間，在油罐中的浮頂板上放置相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器，對(duì)其罐頂?shù)淖冃芜M(jìn)行檢測(cè);而對(duì)于在役油罐，即油罐中裝有石油的油罐，對(duì)其罐頂進(jìn)行變形檢測(cè)，處于安全考慮，建立了一種激光三維掃描基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的檢測(cè)方法[3]。這種檢測(cè)方法首先是將云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集再經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚淼玫綑z測(cè)結(jié)果。

1.1 采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在采集油罐罐頂上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)前，詳細(xì)掌握油罐所在場(chǎng)地內(nèi)的所有油罐分布及地理位置，并做好檢測(cè)計(jì)劃。選取適合檢測(cè)的測(cè)試點(diǎn)以及標(biāo)靶的位置，讓每?jī)蓚€(gè)測(cè)試點(diǎn)上有足夠的重合部分，并且每?jī)蓚€(gè)測(cè)試點(diǎn)要有4個(gè)共同使用的標(biāo)靶。將檢測(cè)儀器調(diào)節(jié)成水平并架設(shè)好，在儀器中事先設(shè)定好相應(yīng)的分布率數(shù)據(jù)以及點(diǎn)云質(zhì)量信息。

采集油罐罐頂?shù)狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)可以分為兩種方法：一是內(nèi)測(cè)法;二是外測(cè)法。內(nèi)測(cè)法是將三維激光掃描儀器放置在油罐的罐底中心位置，通過一次完整的掃描即可獲取到所需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這種方法只適用于油罐中沒有石油存儲(chǔ)，且內(nèi)部清潔。外測(cè)法是將測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在油罐外部，對(duì)于油罐中裝有石油的油罐同樣適用，以此可以完成對(duì)油罐罐頂?shù)淖冃螜z測(cè)。利用外測(cè)法測(cè)量時(shí)需要特別注意測(cè)量基點(diǎn)的選擇以及點(diǎn)位重復(fù)測(cè)量的精準(zhǔn)匹配問題。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含了油罐罐頂?shù)葴y(cè)量對(duì)象周圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與噪點(diǎn)信息，以此應(yīng)首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的步驟分為拼接、去噪、切片三步。

（1）拼接。運(yùn)用相關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的標(biāo)靶進(jìn)行標(biāo)定并拼接。從眾多測(cè)試點(diǎn)中選出兩個(gè)相鄰的測(cè)試點(diǎn)，并對(duì)其中共用的4個(gè)或4個(gè)以上的共用標(biāo)靶進(jìn)行標(biāo)記并拼接在一起，這樣做的目的是為了讓兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)上采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以共處于一個(gè)坐標(biāo)系中，方便后續(xù)的計(jì)算。通過這種方法將其他測(cè)試點(diǎn)依次進(jìn)行拼接，最終將所有的測(cè)試點(diǎn)獲取到的點(diǎn)云坐標(biāo)都可以轉(zhuǎn)換到一個(gè)共同的坐標(biāo)系中。

（2）去噪。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中的刪除功能，對(duì)變形檢測(cè)結(jié)果沒有幫助的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的刪除處理，再利用該軟件中的去噪指令對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)信息進(jìn)行消除。

（3）切片。預(yù)先設(shè)定好切片的剪切平面，對(duì)油罐罐頂進(jìn)行切片處理，以此獲取到圈板水平截面以及罐頂?shù)拇怪苯孛娴狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)。需要注意的是在對(duì)圈板切片時(shí)，要選用較小的高度間隔，通常情況下選用不超過15mm的間隔，以此獲取到更多的截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，這種短距離的間隔獲取到的數(shù)據(jù)信息在后續(xù)的計(jì)算中精確度更高，更能體現(xiàn)出油罐罐頂?shù)娜S特征。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算

1.3.1 基圓擬合

油罐罐頂?shù)淖冃纹钣?jì)算需要制定標(biāo)準(zhǔn)的參考數(shù)據(jù)，通常情況下，油罐的底圈板會(huì)受到板焊縫產(chǎn)生的作用力影響，發(fā)生變形的程度是整個(gè)油罐中最小的，因此將油罐的底圈板作為標(biāo)準(zhǔn)參考。在對(duì)油罐罐頂內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于檢測(cè)會(huì)受到油罐空間上的制約，因此選用起始圈板作為標(biāo)準(zhǔn)。通過采集到的油罐基圓上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)，利用最小二乘法對(duì)基圓進(jìn)行擬合，以此求得相應(yīng)的擬合圓心以及擬合直徑，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

1.3.2 徑向偏差值計(jì)算

徑向偏差值可以通過公式（1）計(jì)算得出：

公式（1）中，σ為各圈板的徑向偏差值;L為除標(biāo)準(zhǔn)圈板外的其他圈板點(diǎn)云數(shù)據(jù)到圓心之間的距離;S為標(biāo)準(zhǔn)圈板的點(diǎn)云數(shù)據(jù)到圓心之間的距離。通過計(jì)算得到的σ若為正值，則表示油罐罐頂板壁向外突出;若為負(fù)值，則表示油罐罐頂板壁向內(nèi)凹陷。

1.3.3 橢圓度計(jì)算

橢圓度的計(jì)算是為了檢測(cè)油罐罐頂壁板的橫向偏差變形情況，實(shí)質(zhì)上是對(duì)上文的徑向偏差值做進(jìn)一步推算，其公式表示為：

公式（2）中，α為該油罐罐頂壁板的橫向橢圓度;L為該油罐圈板的平均直徑大小;Lmax為徑向偏差的最大值;Lmin為徑向偏差的最小值。

2? 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證該文方法的有效性，將其與傳統(tǒng)檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)定為某一體積大小為500m3的油罐，通過測(cè)量得出，該油罐的高度約為6.8m，半徑約為10m，且油罐罐頂具有6層圈板。利用兩種方法對(duì)其變形程度進(jìn)行檢測(cè)，圖1為兩種方法的檢測(cè)結(jié)果精確度對(duì)比。

從圖1可以清晰地看出，該文提出的檢測(cè)方法精確度明顯高于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，且該文檢測(cè)方法的精確度基本維持在90%以上，因此可以說明，該方法更具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3? 結(jié)語(yǔ)

該文基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出了一種新的檢測(cè)油罐罐頂變形的方法，通過三維激光掃描設(shè)備獲取到油罐罐頂?shù)南嚓P(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過對(duì)其基圓、徑向偏差以及橢圓度依次進(jìn)行計(jì)算，使得檢測(cè)的結(jié)果更加精確，更加直觀地得出油罐罐頂?shù)淖冃吻闆r，實(shí)現(xiàn)對(duì)油罐罐頂變形的定量分析及評(píng)估。通過實(shí)驗(yàn)再次證明了該方法的準(zhǔn)確性和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳瀚，張思瑾，高見，等.基于多個(gè)線激光傳感器旋轉(zhuǎn)掃描的鑄鋼車輪在線三維測(cè)量技術(shù)[J].中國(guó)激光，2019，46（7）：199-205.

[2] 張銀，任國(guó)全，程子陽(yáng)，等.三維激光雷達(dá)在無(wú)人車環(huán)境感知中的應(yīng)用研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2019，56（13）：9-19.

[3] 徐亞軍，謝海榮，袁小軍，等.三維激光掃描技術(shù)在異型建筑物施工軸線檢測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2019（8）：162-164.