李焯健

廣州能源檢測研究院 廣東廣州 511447

立式圓筒型油罐是大宗液態(tài)能源計量的主要器具也是液態(tài)能源的主要儲存器具，屬國家強(qiáng)制檢定計量設(shè)備。我國是世界液態(tài)能源進(jìn)口第一的國家，每年進(jìn)口總量居世界第一，如何能夠快速準(zhǔn)確的對此類容積進(jìn)行檢定，并盡可能減少其計算錯誤是關(guān)系到巨額經(jīng)濟(jì)得失的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外對此類罐體進(jìn)行計量的方式主要為幾何測量法，具體包括圍尺法，導(dǎo)軌光學(xué)測量法和全站儀法。尺法是目前公認(rèn)的國際仲裁標(biāo)準(zhǔn)，由于其計量精度較高，得以廣泛應(yīng)用，但該方法在具體測量時需額外搭建腳手架，存在高空作業(yè)的現(xiàn)象，并且需要人員直接進(jìn)行測量，面對大量待測罐體，會給測量人員造成極大的勞動強(qiáng)度壓力。而目前全站依法是國內(nèi)質(zhì)檢行業(yè)最常使用的方式，其原理是使用全站儀測得立式管類，若干三維坐標(biāo)，通過迭代搜索算法計算每層圈板的實際半徑，通過累加得出其容積。需要注意的是，這類測量方式屬被動測量，每一個圓周上能夠測量的點(diǎn)數(shù)有限，出現(xiàn)的噪聲點(diǎn)出叉點(diǎn)就會對最終的計量結(jié)果造成影響，而且使用全站儀對罐體進(jìn)行測量需要耗費(fèi)大量的時間，而且目前的技術(shù)條件下無法實現(xiàn)全自動測量方式，所以也與前一種方法同樣面臨著勞動強(qiáng)度大，等待周期長的問題。在結(jié)合了多種測量方式的優(yōu)缺點(diǎn)之后，研究人員發(fā)現(xiàn)想要精準(zhǔn)測量具體的罐體容量并不是一件很困難的事情，其困難的關(guān)鍵在于面對大量同類，但內(nèi)部容量具有細(xì)微差異的罐體，如何能夠成批次對其進(jìn)行容量計量。上述所有的測量方式都無法實現(xiàn)自動化測量的手段，而唯有自動化測量手段才是解決此類測量計量工作，勞動強(qiáng)度大，等待時間長的關(guān)鍵。為了能夠更加準(zhǔn)確快速的實現(xiàn)對罐體容量計量，各個國家企業(yè)之間一直在投入大量的研究資源，希望得到一種更先進(jìn)更迅速更準(zhǔn)確的測量方式。三維激光掃描儀法就是符合上述三種條件，并在現(xiàn)實條件下已經(jīng)投入應(yīng)用的新型計量方式。

1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描技術(shù)是一種自動化高精度立體掃描技術(shù)，又有人員將其稱之為實景復(fù)制技術(shù)，可用于將物體表面非接觸空間的信息進(jìn)行獲取，在軟件中整合數(shù)據(jù)重新形成空間信息，三維激光掃描儀種類眾多，按照其工作原理區(qū)分，可分為脈沖式三維激光掃描儀和相位式三維激光掃描儀。前者是通過測量激光脈沖從設(shè)備發(fā)出到基因待測物體反射所用的時間進(jìn)行計算，得到目標(biāo)物體與觀測點(diǎn)之間的距離，而后者是主動發(fā)射一束不間斷的整數(shù)波長激光，通過計算發(fā)射波，長和被測物體表面返回的激光波長相位差來實現(xiàn)對兩者相距距離的判斷。兩種激光掃描儀在實際應(yīng)用中由于其工作原理存在區(qū)別，所以脈沖式三維激光掃描儀的可測量距離更大，而相位是三維激光掃描儀的單點(diǎn)測量精度更高。

2 測量方法

將立式罐沿高度分割成眾多小圓柱累加圓柱體吉吉得到了整個罐體的中融基，每個小圓柱的體積大小等于底面積與高度的乘積。對于三維激光掃描儀法圓柱底面積按照三角形面積加法累計獲得，該方法最大的特點(diǎn)在于特別適合非理想條件下的圓形截面面積計算，對于不規(guī)則圓形截面的計算精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手動計算。

三維激光掃描儀通過對測量對象進(jìn)行掃描的過程完成數(shù)據(jù)的收集。在整個掃描過程中點(diǎn)與密集噪聲點(diǎn)少點(diǎn)云在圓周上分布均勻，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，可利用價值高。對于結(jié)構(gòu)簡單的歷史觀，當(dāng)儀器置于罐內(nèi)時，理論上經(jīng)過一次掃描即可獲取慣類所有的三維坐標(biāo)信息，但由于罐內(nèi)存在相應(yīng)附件，所以建議采用中等分辨率分三站進(jìn)行掃描，當(dāng)儀器置于罐體外部時，一般采用較高分辨率分五站進(jìn)行掃描。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，預(yù)處理，精簡和圈板半徑計算。不同站點(diǎn)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在于不同的坐標(biāo)系內(nèi)，根據(jù)空間相似變化公式將其轉(zhuǎn)化為同一個坐標(biāo)系。方便后去進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括粗差點(diǎn)剔除和噪聲點(diǎn)濾波。由于儀器精度操作人員的具體操作手法以及罐體表面磨損質(zhì)量等諸多因素的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免會存在一些造成點(diǎn)設(shè)計合理算法，對其進(jìn)行預(yù)處理，是減少這些造成伊對最終計算結(jié)果的干擾。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方式主要有觀察法中值濾波法和萊伊特準(zhǔn)則。觀察法是通過儀器自帶的數(shù)據(jù)處理軟件直接刪除明顯的粗差點(diǎn)。中值濾波法是以每個數(shù)據(jù)點(diǎn)為中心設(shè)計一個包含奇數(shù)個數(shù)據(jù)點(diǎn)的滑動窗口，對數(shù)據(jù)點(diǎn)中按坐標(biāo)值大小排序用位于坐標(biāo)紙序列中間的坐標(biāo)值代替窗口中心點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行理想化替代。

點(diǎn)云精簡：對于由中等分辨率掃描而成的數(shù)據(jù)庫而言，其中包含了1000多萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)量龐雜的數(shù)據(jù)點(diǎn)，不會對油罐計算容量的精度進(jìn)行明顯提升，反而會由于處理對象數(shù)量過多而降低整體運(yùn)算速度，所以在正式計算之前需要對這些點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，由于橫截面大多為規(guī)則圓形，顧客采用等間距簡化法對此類數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，也可采用尖角剃除法進(jìn)行點(diǎn)云精簡，同一橫截面上的連續(xù)點(diǎn)，每相鄰2點(diǎn)之間構(gòu)成一個有向矢量，相鄰矢量間的角度偏差反映了截面上點(diǎn)的曲率變化。如果這個矢量夾角滿足小于閾值，閾值而又小于90度的關(guān)系，則該夾角一定為尖角點(diǎn)，需將其剔除。

3 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)對于立式罐容量的測量能夠達(dá)到很高的準(zhǔn)確度，并且由于其操作邏輯與過去的測量方法完全不同，從底層操作邏輯上就已經(jīng)顛覆了過去對于工作效率限制的瓶頸。由于其容積計算結(jié)果偏差，未超過1‰且計量速度極快，因此在未來一定會得到廣泛的應(yīng)用。