王功凱

摘? ? 要：在某110000DWT油輪改浮式儲(chǔ)卸油裝置（FSO）項(xiàng)目中，利用三維激光掃描與AVEVA 系列三維設(shè)計(jì)軟件結(jié)合使用的方法，實(shí)現(xiàn)了管路改造完整的三維建模與圖紙輸出。本文著重介紹了激光掃描數(shù)據(jù)在改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;AVEVA 軟件;改造;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application of Laser Scanning Data in FSO Conversion Design

WANG Gongkai

（ China Merchants Heavy Industry（Shenzhen）Co.， Ltd.， Shenzhen 518054 ）

Abstract： In the project of converting an 110 000 t oil tanker into a floating storage and Offloading Unit （FSO）， 3D laser scanning combined with the AVEVA series 3D design software is used to realize the complete 3D modeling and drawing output of the pipeline in the system modification. This paper focuses on the application of laser scanning data in the design process of the conversion project.

Key words： 3D laser scanning; AVEVA software; Conversion; Design

1? ? ?前言

為了替換即將退役的某浮式儲(chǔ)卸油裝置（FSO），將一艘110 000 DWT的油船改造成單點(diǎn)浮式儲(chǔ)卸油裝置。該油輪是在2006年1月完工，至2018年計(jì)劃改造時(shí)船齡已有12年。

由于時(shí)間久遠(yuǎn)，原船設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，無法直接從業(yè)主方獲得原船的管路、電纜布置信息及三維布置模型。此次改造工程量大，改造及新增設(shè)備管路布置與原船設(shè)備管路、電氣布置有大量交接的地方，需要獲取原船的設(shè)備管路、電纜通道等的布置信息才能進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)工作。因此，如何獲取原船數(shù)據(jù)是一大難點(diǎn);如果全部現(xiàn)場測量或現(xiàn)場放樣，工作量巨大也不符合現(xiàn)代修造船的理念;同時(shí)，獲取原船數(shù)據(jù)后如何利用這些數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)周期內(nèi)順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)也是一大難點(diǎn)。本文介紹利用三維激光掃描工具配合AVEVA 系列三維設(shè)計(jì)軟件，圓滿完成將油輪改造成FSO的應(yīng)用過程。

2? ? 準(zhǔn)備工作

高分辨率三維激光掃描儀是現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的主要工具，通過該激光掃描儀可以獲取該站點(diǎn)360°范圍的實(shí)景圖像。因?yàn)槭嵌嗾军c(diǎn)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過SCENE軟件的初步處理;而為了滿足三維設(shè)計(jì)軟件的使用，還需要用FLM軟件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化及定位。

本文所述AVEVA 系列軟件，包含F(xiàn)LM、AVEVA everything3D（簡稱E3D）及AVEVA Marine（簡稱AM）等軟件：FLM是一款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，可以將掃描儀獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成E3D能夠識(shí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并參照實(shí)船坐標(biāo)系對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整及定位;E3D是AVEVA公司在AM基礎(chǔ)上研發(fā)的一款功能強(qiáng)大的三維建模軟件;AM是一款基于數(shù)據(jù)庫的三維建模設(shè)計(jì)軟件，包含部件庫規(guī)格書、三維建模、圖紙輸出等主要模塊。

E3D的突出優(yōu)勢是可以將激光掃描數(shù)據(jù)處理后作為真實(shí)環(huán)境參考，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，它沒有船體建模模塊，直接利用激光掃描數(shù)據(jù)作為背景參考，在改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，減少了大量的現(xiàn)場勘察、測量等工作;E3D還可以與AM軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，充分利用既有的標(biāo)準(zhǔn)及部件庫，減少了重復(fù)工作，提高了設(shè)計(jì)效率。本項(xiàng)目即利用了E3D這一特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理及圖紙的輸出。

3? ? ?數(shù)據(jù)流程

整體數(shù)據(jù)流程如圖1所示：前面3步是準(zhǔn)備工作階段，后面2步正式開始設(shè)計(jì)工作。

3.1? ?采集數(shù)據(jù)

使用激光三維掃描儀對所需區(qū)域進(jìn)行站點(diǎn)掃描，獲取該區(qū)域的原始狀態(tài)。這是基本數(shù)據(jù)的最初來源，決定后期設(shè)計(jì)的背景參照是否清晰明確。需要注意的是，站點(diǎn)的分布及數(shù)量決定了掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，需要進(jìn)行綜合考慮：站點(diǎn)太多，掃描耗時(shí)長，數(shù)據(jù)量大，處理過程復(fù)雜;站點(diǎn)太少，處理后數(shù)據(jù)會(huì)模糊不清晰，更有可能會(huì)缺失相關(guān)信息，給設(shè)計(jì)帶來不利影響。因?yàn)閽呙钄?shù)據(jù)不影響船舶的運(yùn)行，故可以提前進(jìn)行。在船舶未進(jìn)廠之前就可以得到船舶的實(shí)際狀態(tài)，減少船舶停產(chǎn)改造時(shí)間，縮短改造工期，提高改造效率。

3.2? ?數(shù)據(jù)處理

對采集而來的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。由于三維激光掃描是將掃描設(shè)備放置到一個(gè)個(gè)站點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大而分散，需要將這些站點(diǎn)數(shù)據(jù)利用相關(guān)軟件轉(zhuǎn)換成一個(gè)整體的激光掃描數(shù)據(jù)模型。這里需要用到與掃描儀匹配的SCENE軟件，對激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理。

3.3? ?格式轉(zhuǎn)換

將3.2所得的整體激光數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入LFM軟件，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式FLD模型，并進(jìn)行定位設(shè)置，以滿足 E3D軟件對激光掃描數(shù)據(jù)的識(shí)別。FLM是一款將激光掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟件，可以將激光掃描所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)位置的一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

激光掃描數(shù)據(jù)顯示效果跟照片類似，便于觀察，如圖2所示;轉(zhuǎn)成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以點(diǎn)陣顯示物體輪廓，可以抓取點(diǎn)來定位，如圖3所示。兩者只是顯示的方式不同，來源于同一個(gè)數(shù)據(jù)。

3.4? ?數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將轉(zhuǎn)換完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入E3D，掃描模型作為改造的真實(shí)環(huán)境參考?？梢赃M(jìn)行碰撞檢查、空間測量等，也可以進(jìn)行逆向建模，即根據(jù)點(diǎn)云還原原始模型。

3.5? ?生產(chǎn)設(shè)計(jì)/文件輸出

以激光掃描數(shù)據(jù)作為環(huán)境參考，進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)、管路布置出圖、材料提取、焊點(diǎn)輸出等，圖紙輸出操作也可以利用AM軟件進(jìn)行。

4? ? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)在AVEVA軟件中的應(yīng)用

4.1? ?點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確定位

進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)之前，要確保導(dǎo)入激光掃描數(shù)據(jù)定位準(zhǔn)確性，這是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。本項(xiàng)目是油船改造為FSO，需要在整個(gè)甲板面上進(jìn)行改造布置。由于甲板面長，假如XZ方向的角度偏差0.5?，造成甲板的高度偏差可能接近1 m，導(dǎo)致輸出的圖紙信息與實(shí)際的安裝信息不一致。

在項(xiàng)目實(shí)踐中，是在軟件中理論位置建立幾個(gè)關(guān)鍵的甲板或者艙壁，與激光掃描數(shù)據(jù)的甲板或者艙壁進(jìn)行比較，如果偏差較大，則需要對激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行定位修正，再導(dǎo)入AVEVA E3D檢查。這是一個(gè)不斷修正的過程，保證激光掃描數(shù)據(jù)處于準(zhǔn)確的船體座標(biāo)系上。

圖4是經(jīng)過調(diào)整后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以看到與理論船體座標(biāo)系已經(jīng)非常接近。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定位是非常重要的準(zhǔn)備工作，特別是長甲板的船型改造項(xiàng)目。

4.2? ?模型的建立

點(diǎn)云數(shù)據(jù)定位之后，就可以進(jìn)行管系、設(shè)備、電氣等模型的建立：

（1）可以實(shí)現(xiàn)逆向建模，即由點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成的圖像通過三維建模的方法，把原船的管路結(jié)構(gòu)等模擬出來。這種情況主要用于與原船有交接的管路，例如在原船管路上開支管等，都需要將原船管路模擬出來，再進(jìn)行后續(xù)處理，如圖5所示。

完全的逆向建模實(shí)際上不利于提高設(shè)計(jì)效率，工作量極大，沒有太大的意義。為提高設(shè)計(jì)效率，一般對起參考作用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不進(jìn)行逆向建模，直接參考點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可;

（2）是設(shè)備的布置。油船改為FSO需要增加不少油氣的輸入輸出設(shè)備以及輔助安全設(shè)備。這里涉及到兩個(gè)問題：一個(gè)是設(shè)備的布置;另一個(gè)是設(shè)備接口管路的連接。

由于原船是油船，主甲板管路相對集中，甲板空余面積足夠，只需將少量管路調(diào)整移開即可：而布置FSO的油氣設(shè)備時(shí)，可以直接以點(diǎn)云背景將設(shè)備布置在合適的地方，避免后期安裝設(shè)備時(shí)才發(fā)現(xiàn)干涉造成修改;

對于設(shè)備接口管路連接，由于有點(diǎn)云數(shù)據(jù)做背景，可以準(zhǔn)確建立設(shè)備模型及布置位置，明確接口等信息，進(jìn)行管路建模，形成完整的三維模型數(shù)據(jù);

（3）是系統(tǒng)建模。油船改為FSO，設(shè)備多、系統(tǒng)雜、與原船管路交叉多。如果依賴現(xiàn)場放樣，工作量大且效率低，無法滿足改造時(shí)間及船東對于三維設(shè)計(jì)的要求。甲板惰氣、貨油、泡沫、污油水等系統(tǒng)都存在交叉改造內(nèi)容，一部分拆除，一部分接入新系統(tǒng)，對現(xiàn)場管理要求很高。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用極大減輕了生產(chǎn)的壓力。

首先，點(diǎn)云數(shù)據(jù)相當(dāng)于固定了原船的模型數(shù)據(jù)，對于管路復(fù)原拆裝起指導(dǎo)作用;而且可以在電腦上對需要拆除的管路提前進(jìn)行梳理，減輕現(xiàn)場工作的勞動(dòng)強(qiáng)度;其次，設(shè)計(jì)方面以導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為環(huán)境參考，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各專業(yè)需要進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)建模。

E3D的交互建模跟AM一樣，各專業(yè)同時(shí)進(jìn)行建模，并可以隨時(shí)檢查相關(guān)模型與原船管路設(shè)備的相對位置關(guān)系;跟AM最大的區(qū)別在于：AM是船體專業(yè)先建模，其他各專業(yè)在船體背景上進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì);E3D是沒有船體建模的，點(diǎn)云數(shù)據(jù)就相當(dāng)于AM的船體背景。這也是E3D的優(yōu)勢所在，因?yàn)楦脑祉?xiàng)目很難獲取原船的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，沒有原船結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)新的設(shè)計(jì)就只能建立在空中樓閣上，E3D很好的解決了這個(gè)難點(diǎn)，這對改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是一個(gè)極大的提升。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合三維設(shè)計(jì)軟件，大大提升了生產(chǎn)設(shè)計(jì)效率，而且修改率保持在5%以下，這是以往改造項(xiàng)目很難達(dá)到的成績。圖6為新增管路在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的顯示效果。

4.3? ?圖紙輸出

因?yàn)楦脑旃こ塘看?，為提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙需滿足從內(nèi)場零件制作到外場現(xiàn)場安裝的全流程要求，盡量做到所有管子車間預(yù)制、外場安裝，減少現(xiàn)場配管;利用E3D與AM的數(shù)據(jù)共享特性，在具有完善定制開發(fā)的AM中實(shí)現(xiàn)材料及圖紙的輸出。綜合利用兩者的優(yōu)勢，圓滿完成了改造項(xiàng)目按造船標(biāo)準(zhǔn)出圖的設(shè)計(jì)工作;利用AM強(qiáng)大的開發(fā)兼容性能，自動(dòng)提取所有管路焊點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的全流程追蹤過程，滿足了FSO項(xiàng)目對焊接質(zhì)量的嚴(yán)格控制要求。

5? ? 總結(jié)

（1）采用三維激光掃描與AVEVA 系列軟件結(jié)合使用的方法，圓滿解決了如何將實(shí)船數(shù)據(jù)直接應(yīng)用到計(jì)算機(jī)端進(jìn)行設(shè)計(jì)的難題;并通過軟件的二次開發(fā)，快捷準(zhǔn)確高效的提取管路焊點(diǎn)，滿足FSO特殊需要。實(shí)踐表明，這種基于激光三維掃描數(shù)據(jù)的AVEVA E3D軟件進(jìn)行的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)難度，減少了大量現(xiàn)場測量工作，減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率，降低了修改率，為產(chǎn)品的質(zhì)量提升提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。AVEVA E3D與AM數(shù)據(jù)通用的特性，也降低了軟件的使用要求，提高了適用性;

（2）基于激光三維掃描數(shù)據(jù)的處理還有很大的提升空間。比如掃描數(shù)據(jù)的定位問題，由于依靠的是人工定位，多次修正只能提高準(zhǔn)確性，但還是有偏差，需要軟件優(yōu)化對掃描數(shù)據(jù)的姿態(tài)調(diào)整，提高數(shù)據(jù)定位的準(zhǔn)確性;數(shù)據(jù)的兼容性應(yīng)該更強(qiáng)，不需要做過多的轉(zhuǎn)換，如果能直接利用激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師的體驗(yàn)會(huì)更好;

（3）海洋環(huán)境保護(hù)的壓力越來越大，脫硫系統(tǒng)改造、壓載水改造、雙燃料系統(tǒng)改造等會(huì)持續(xù)引領(lǐng)船舶改造市場。未來的造船修船都將建立在智能化，自動(dòng)化，數(shù)字化的基礎(chǔ)上，低效重復(fù)工作將會(huì)被更優(yōu)化的工具取代，先進(jìn)制造方法將為企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)競爭力打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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