張 威， 劉序辰， 史艷龍

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

對于船體大面積、大跨度的通體結(jié)構(gòu)水平甲板而言，其反頂結(jié)構(gòu)支撐因艙內(nèi)空間需求往往設(shè)計較少，易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形。因此，在其結(jié)構(gòu)貫通后，需對該甲板進行平整度變形監(jiān)測，以便矯正形變，使其滿足設(shè)計和功能要求。同時甲板結(jié)構(gòu)面在建造過程中還存在多項交叉作業(yè)會影響平整度的狀態(tài)，因此需對甲板在建造過程中與矯正過程中進行變形監(jiān)測，及時掌握變形情況，提高精度品質(zhì)與生產(chǎn)效率。

大范圍的結(jié)構(gòu)平整度變形監(jiān)測無論是對建造還是對管理而言，都具有較大的挑戰(zhàn)?？傃b成形后的甲板平整度變形管理主要存在下列幾個困難點。一是平整度變形監(jiān)測的效率問題：測量的范圍廣、數(shù)據(jù)量大。二是平整度變形監(jiān)測的手段需滿足大跨度甲板精度要求：顯然傳統(tǒng)的拉線法已無法適應(yīng)，需借助光學(xué)測量設(shè)備實現(xiàn)，且對設(shè)備的測量范圍及測量精度均有較高要求。三是所選平整度變形監(jiān)測的設(shè)備需適應(yīng)工況環(huán)境：現(xiàn)場為戶外施工環(huán)境，且該環(huán)境下存在甲板振動，因此所選設(shè)備需具備水平自動補償功能，否則無法滿足測量所需。解決問題的關(guān)鍵在于如何快速、精確、全面地對整個甲板實現(xiàn)多頻次平整度測量，從而保障生產(chǎn)有序推進，強化甲板水平管理能力，促進建造品質(zhì)提升。

1 全站式掃描儀

全站式掃描儀是近幾年發(fā)展起來的新型測量設(shè)備，該設(shè)備突破傳統(tǒng)的單點測量模式，使測量工作更加高效與便捷，為空間三維數(shù)據(jù)的獲取提供了一個全新的測量手段。該設(shè)備采用非接觸式激光測量技術(shù)，以點云的形式采集并保存被測物體表面的三維坐標信息和紋理數(shù)據(jù)[1]。

全站式掃描儀主要包括測距系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)，同時也集成數(shù)字攝像和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。其中，測距原理與全站儀一致，其掃描工作原理是：以望遠鏡結(jié)構(gòu)中的距離測量模塊和角度測量模塊作為獲取數(shù)據(jù)的硬件基礎(chǔ)，配合電機驅(qū)動實現(xiàn)掃描。全站式掃描儀獲取點云的方式屬于線掃描模式，即選定掃描區(qū)域后，儀器在起始位置首先驅(qū)動望遠鏡上下快速轉(zhuǎn)動，按照設(shè)定的采樣間隔取得垂直方向上的目標點云坐標，然后水平轉(zhuǎn)動一定間隔，再從上至下采集點云數(shù)據(jù)，并儲存記錄。設(shè)備掃描獲取點云采用的是空間球坐標測量原理，設(shè)全站式掃描儀對空間點的水平角、天頂距和斜距測量值分別為Hz、V、S，空間掃描點的三維坐標(x、y、z)[2]為

(1)

在甲板平整度變形監(jiān)測應(yīng)用過程中，全站式掃描儀作業(yè)涉及多步驟操作，按數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析進行主體劃分。采集階段為現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，主要硬件包括全站式掃描儀、設(shè)站棱鏡組和PC端?，F(xiàn)場測量結(jié)束后通過PC端進行數(shù)據(jù)分析，分析環(huán)節(jié)共分為導(dǎo)入點云、處理噪點、建立平面、標注誤差、輸出報告等5個步驟，如圖 1所示。

圖1 全站式掃描儀平整度變形監(jiān)測步驟

2 數(shù)據(jù)采集

全站式掃描儀分別選取3處船體大面積甲板的局部區(qū)域進行現(xiàn)場平整度變形數(shù)據(jù)采集。其中：甲板1數(shù)據(jù)采集用時約15 min，采集點云數(shù)約17 000個；甲板2數(shù)據(jù)采集用時約20 min，采集點云數(shù)約23 000個；甲板3數(shù)據(jù)采集用時約30 min，采集點云數(shù)約34 000個。3次采集過程中均要求盡可能選擇振動較小的位置架設(shè)設(shè)備，并對設(shè)備進行整平并打開水平補償，水平補償范圍±0.25°，該范圍內(nèi)的水平偏離會自動校正。創(chuàng)建測量作業(yè)后，對所需采集的區(qū)域平整度進行范圍界定，明確掃描范圍；界定完成后設(shè)置所需被測點的點云間隔密度，密度的設(shè)定將決定被測點的數(shù)量及測量時間；完成上述步驟后設(shè)備開始自動掃描進行數(shù)據(jù)采集，其間無需人為干預(yù)?？紤]到測量工況的復(fù)雜性，作業(yè)中會遇到所需掃描位置有遮擋，因此需結(jié)合設(shè)備自身的設(shè)站功能并輔以設(shè)站棱鏡組的架設(shè)進行統(tǒng)一坐標系建立，有利于提升采集數(shù)據(jù)的整體性。

需要特別說明的是，范圍界定和數(shù)據(jù)采集需結(jié)合設(shè)備系統(tǒng)誤差進行綜合考慮，使之達到最佳測量精度狀態(tài)。系統(tǒng)誤差的大小是由掃描儀自身條件決定的，如激光的發(fā)散度決定掃描儀的有效測程，隨著距離增加，激光發(fā)散度不斷增加，采集的點云數(shù)據(jù)精度也隨之降低[3]。應(yīng)用于大面積甲板平整度變形監(jiān)測，一般要求100 m范圍內(nèi)達到1 mm精度。以MS60為例，其掃描300 m范圍內(nèi)測量精度可達1 mm，滿足應(yīng)用要求。數(shù)據(jù)采集中減小誤差的方法：一是增加掃描儀的測站點、減小掃描距離，從而降低激光的發(fā)散度；二是可減小激光光束方向與物體表面切平面法線的角度。

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析全過程在PC端進行，將全站式掃描儀采集的數(shù)據(jù)通過Polyworks等主流軟件完成整個后期處理步驟。

3.1 分析環(huán)節(jié)

(1) 導(dǎo)入點云。將全站式掃描儀所采集的甲板平整度點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件，初步觀察所采集點云數(shù)據(jù)的完整性。

(2) 處理噪點。掃描區(qū)域?qū)⒋嬖诖罅吭朦c及多余被測點，如甲板上擺放的設(shè)備及工具等，需要逐個進行剔除，僅保留待分析的甲板點云數(shù)據(jù)。

(3) 建立平面。平整度變形監(jiān)測主要是測量實測面與理論面的法向或垂直偏差，因此，對處理后的點云數(shù)據(jù)需進行理論平面建立，并擬合出最佳平面的平整度數(shù)據(jù)。

(4) 標注誤差。為了使平整度變形趨勢觀察更直觀，所有數(shù)據(jù)以色溫圖方式呈現(xiàn)，同時對需要量化誤差的點可以進行單獨標識。

(5) 輸出報告?？缮呻娮踊蚣堎|(zhì)變形監(jiān)測分析結(jié)果報告提供給現(xiàn)場，用于指導(dǎo)現(xiàn)場進行平整度變形校正。

3.2 實測結(jié)果

依照第3.1節(jié)的步驟可獲取最終3組甲板平整度數(shù)據(jù)，并以點云圖形式呈現(xiàn)，所監(jiān)測范圍內(nèi)的平整度變形位置與變形量一目了然。

甲板1區(qū)域內(nèi)大部分點處于-15～10 mm之間，局部存在超標現(xiàn)象，最高點出現(xiàn)在艏部靠近舯部(33 mm)，最低點出現(xiàn)在甲板中心靠右舷區(qū)域(約-32 mm)，如圖2所示。

圖2 甲板1的實測點云平整度色溫圖

圖3 甲板2的實測點云平整度色溫圖

甲板2區(qū)域平整度變形大部分處于0～15 mm范圍內(nèi)，局部存在變形較大現(xiàn)象，其中最高點出現(xiàn)在被測區(qū)域向艉部邊緣位置(29 mm)，最低點出現(xiàn)在被測區(qū)域中線位置(-14 mm)，如圖3所示。 甲板3區(qū)域平整度變形偏差結(jié)果，最高點16 mm出現(xiàn)在甲板面靠近左舷開口處，最低點-23 mm 出現(xiàn)在右側(cè)開口處，如圖4所示。

圖4 甲板3的實測點云平整度色溫圖

4 與傳統(tǒng)變形監(jiān)測設(shè)備對比

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段主要通過全站儀或水準儀等光學(xué)測量設(shè)備采集各個被測點的空間三維坐標，取高度坐標值判斷每個目標點之間的高差，得出被測物平整度精度狀態(tài)，從而判斷是否滿足設(shè)計標準等要求。這種方法的測量點是逐個采取的，工作量大，且后期數(shù)據(jù)處理繁瑣，效率低。因此，為了實現(xiàn)監(jiān)測目標，需應(yīng)用更高效精準的全站式掃描儀對大面積甲板平整度變形進行監(jiān)測。為驗證所述合理性，選擇3種設(shè)備進行橫向?qū)Ρ?，具體對比情況如表 1 所示。

表1 3種監(jiān)測設(shè)備指標對比

對比后可發(fā)現(xiàn)，3臺具有水平補償功能的監(jiān)測設(shè)備在測量精度與測量范圍方面均可滿足大面積甲板的平整度變形監(jiān)測。在實測效率統(tǒng)計的環(huán)節(jié)中，現(xiàn)場工況非一覽無余，需避開障礙物進行多次設(shè)站，在效率影響性方面3臺監(jiān)測設(shè)備基本是相同的。因為全站式掃描儀是自動掃描并形成點云的數(shù)據(jù)形式，所以被測點的采集效率及可測量性遠大于需人工采點的水準儀和全站儀。人工投入方面，水準儀和全站儀在測量過程中需2人協(xié)同完成，而全站式掃描儀為自動測量，無需人為干預(yù)。傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法在操作難易程度、測量范圍、工作量、自動化程度、數(shù)據(jù)形式的客觀性方面各有欠缺。相比之下，全站式掃描儀的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法在平整度管理上的所有測量難題。

5 結(jié) 論

根據(jù)應(yīng)用情況，拋開監(jiān)測設(shè)備市場價值，在大面積甲板的平整度變形監(jiān)測應(yīng)用上，全站式掃描儀完全適應(yīng)甲板建造工況：有效測量作業(yè)半徑大，有效測量距離可達300 m；測量精度高，測量范圍內(nèi)精度可達1 mm，滿足應(yīng)用要求；測量效率高，短時間內(nèi)可掃描上萬個點云數(shù)據(jù)；勞動成本低，1人即可完成測量作業(yè)。

同時，在測量期間被測點的點云密度可按需自由設(shè)定，且數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式直觀，最大程度滿足大面積甲板對平整度變形監(jiān)測管理上的所有需求。