謝 榮，梁 艷，謝 易

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170)

0 引言

全球第一部應(yīng)對(duì)船舶壓載水?dāng)y帶外來(lái)物種入侵的《國(guó)際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》已于2019年1月22日起在我國(guó)正式生效，很多船東正有計(jì)劃地改造船舶壓載水管理系統(tǒng)，以滿足公約的規(guī)范要求。傳統(tǒng)船舶壓載水系統(tǒng)改造是根據(jù)改造草圖在現(xiàn)場(chǎng)由不確定的程序進(jìn)行，工程涉及大量的材料加工、復(fù)雜的管道布置和繁瑣的機(jī)電設(shè)備安裝。由于改造現(xiàn)場(chǎng)和施工圖紙之間存在差異，很多實(shí)際狀態(tài)具有不可預(yù)見(jiàn)性，容易導(dǎo)致工程延期、現(xiàn)場(chǎng)返工、安裝質(zhì)量不符合要求等問(wèn)題，難于在改造中反映出客戶的準(zhǔn)確需求，且增加了施工周期和費(fèi)用[1]。

為解決船舶壓載水系統(tǒng)高效快速改造還有許多問(wèn)題，本文應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用三維激光掃描、工業(yè)近景攝影等精密測(cè)量技術(shù)，通過(guò)3D CAD船舶設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行船舶改造仿真建模，并應(yīng)用于在役船舶壓載水系統(tǒng)快速改造工程[2]，對(duì)船舶快速改造具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)場(chǎng)勘船和數(shù)據(jù)采集

船舶壓載水系統(tǒng)改造工程需結(jié)合船型、船舶航行區(qū)域和船東的要求進(jìn)行項(xiàng)目總體規(guī)劃，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，包括設(shè)備選型、管道布置、施工方案等。本方案采用的硬件設(shè)備包括ScanStation P40三維激光掃描儀和近景工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)，作業(yè)流程包括現(xiàn)場(chǎng)勘船、數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)據(jù)處理、完工3D CAD建模、管路圖改良和生產(chǎn)詳圖設(shè)計(jì)等?？焖俑脑旆桨缸鳂I(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 快速改造方案作業(yè)流程

現(xiàn)場(chǎng)勘船是指施工前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集的掃描路徑，優(yōu)化布置掃描位置。設(shè)置掃描站點(diǎn)時(shí)需要詳細(xì)勘察船舶現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并與相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)溝通，包括靶位確立、控制網(wǎng)建立，以最少的站點(diǎn)獲取最詳細(xì)的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)施工方案的正確實(shí)施。

根據(jù)船體部分、管道和輔助設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)勘察情況設(shè)計(jì)出具體的數(shù)據(jù)采集方案，利用高精度三維激光掃描儀對(duì)船舶現(xiàn)場(chǎng)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，測(cè)量并記錄相關(guān)位置點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)，得到改造部位的三維輪廓，獲得相關(guān)物體表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，從而計(jì)算出位于測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量目標(biāo)的位置距離。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取流程見(jiàn)圖2。

圖2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取流程圖

在船舶機(jī)艙掃描測(cè)量時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備較多，有些擬測(cè)量點(diǎn)會(huì)被設(shè)備遮擋。當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)的掃描結(jié)束時(shí)，需把三維激光掃描儀搬到另外一個(gè)地方，進(jìn)行相同方法的測(cè)量，從而補(bǔ)齊被遮擋的空間結(jié)構(gòu)信息，在相同的坐標(biāo)設(shè)置下，融合成一個(gè)位置的空間結(jié)構(gòu)信息。從而獲得大量的多點(diǎn)云信息，整合為復(fù)合互補(bǔ)的位置信息，這樣就可以把測(cè)量目標(biāo)視為一個(gè)三維對(duì)象[3]。船舶機(jī)艙由于空間位置狹窄，通常要測(cè)量20個(gè)左右站點(diǎn)才能獲得約100 m2的3D CAD模型所需的點(diǎn)云信息，見(jiàn)圖3。為更直觀地體現(xiàn)工作場(chǎng)所的光學(xué)影像數(shù)據(jù)，還可通過(guò)設(shè)備外置或內(nèi)置單反相機(jī)獲取物體表面高清紋理信息。對(duì)于一些需要高精度定位的物標(biāo)，則利用三維近景攝影設(shè)備進(jìn)行高精度定位測(cè)量，再將測(cè)量的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

圖3 獲取的機(jī)艙改造區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2 三維數(shù)據(jù)處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖4，按圖中步驟對(duì)各個(gè)點(diǎn)處測(cè)得的點(diǎn)云信息進(jìn)行處理。

2.1 三維激光掃描站點(diǎn)拼接

將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到自帶Cyclone點(diǎn)云處理軟件，Cyclone的Basic模塊可支持點(diǎn)云的查看、三維瀏覽。整合點(diǎn)云信息，將每一站的掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接到一起。通過(guò)三維激光測(cè)量檢查能夠獲得船舶機(jī)艙中壓載水處理系統(tǒng)布置區(qū)域的點(diǎn)云信息。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.2 噪點(diǎn)濾除與點(diǎn)云賦色

在役船壓載水系統(tǒng)改造所涉及到的管道系統(tǒng)分布在一個(gè)4層結(jié)構(gòu)的機(jī)艙內(nèi)。由于該區(qū)域的上甲板和下甲板之間及凈油機(jī)艙室內(nèi)外都敷設(shè)了無(wú)數(shù)的管道，因而需要對(duì)一個(gè)廣泛的區(qū)域進(jìn)行三維激光測(cè)量，再將測(cè)量得到的點(diǎn)云信息整合為一個(gè)組合式的完工3D CAD模型。在數(shù)據(jù)掃描的過(guò)程中，因?yàn)榇蟛糠植捎玫氖?60°全方位掃描，所以不可避免地產(chǎn)生了很多的冗余數(shù)據(jù)。通過(guò)點(diǎn)云處理軟件過(guò)濾功能，編輯點(diǎn)云數(shù)據(jù)，刪除不需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及離散點(diǎn)并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、抽稀等預(yù)處理，自動(dòng)去除噪聲點(diǎn)云，得到濾波點(diǎn)云數(shù)據(jù)。再將獲取的高清影像信息通過(guò)軟件自動(dòng)賦予到點(diǎn)云上，快速真實(shí)地還原現(xiàn)場(chǎng)，見(jiàn)圖5(a)。圖5(b)是以點(diǎn)云信息為基礎(chǔ)，增加了改造部分的3D CAD模型圖。

圖5 以點(diǎn)云信息為基礎(chǔ)的3D CAD模型

2.3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量目標(biāo)建模

拼接優(yōu)化完成的濾波點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出為各種格式的點(diǎn)云文件，為多元化的開(kāi)發(fā)提供原始數(shù)據(jù)。三維激光點(diǎn)云在專業(yè)的點(diǎn)云處理軟件中可以形成多種效果，其中包括平面線畫(huà)圖、點(diǎn)云漫游視頻、三維模型、三維動(dòng)畫(huà)、交互展示、模型干涉監(jiān)測(cè)報(bào)告等。依據(jù)船舶改造定制方案或者專門(mén)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度完工3D CAD模型的建造[4]，見(jiàn)圖6。

2.4 改良的管路圖和生產(chǎn)詳圖

在通用3D CAD軟件或MATES上以一種通用3D CAD格式加載建造完成的完工模型。在三維模型的空間內(nèi)布置需要增設(shè)的管道和設(shè)備。MATES可以把生產(chǎn)信息聯(lián)系至每一個(gè)管道/設(shè)備，而且便于將信息傳遞至生產(chǎn)過(guò)程[5]，見(jiàn)圖7。

圖6 高精度3D CAD模型

圖7 完工模型

3 結(jié)論

本文將三維激光掃描儀測(cè)量技術(shù)用于船舶壓載水系統(tǒng)快速改造，以測(cè)繪技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)部的數(shù)據(jù)檢測(cè)、三維重構(gòu)及改造設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了3D CAD模型的構(gòu)建。該方案能夠?yàn)榇皦狠d水系統(tǒng)快速改造工程提供直觀可視化三維信息數(shù)據(jù)，既可根據(jù)完工3D CAD模型的空間位置布置并敷設(shè)管道和輔助設(shè)備，也可在詳細(xì)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用這些三維信息，為后期驗(yàn)收、零部件檢測(cè)、虛擬裝配等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。方案在實(shí)施大規(guī)模船舶改造工程中，能夠準(zhǔn)確地滿足客戶的需求，極大提高了從數(shù)據(jù)采集到完工檢測(cè)等工序效率，減少了船舶停航時(shí)間，節(jié)約了設(shè)計(jì)和維修成本，可積極推進(jìn)目前在役船舶壓載水系統(tǒng)改造工程。