荊 鵬，孫云虎，劉榮坤，楊現(xiàn)陽(yáng)，葛仁磊，王永偉

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266555）

0 引言

精度控制作為海工鋼結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中的重要一環(huán)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建造的質(zhì)量和效率有顯著影響。隨著數(shù)字化和智能化的提升，目前國(guó)內(nèi)外海工鋼結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中的精度控制通常采用全站儀作為測(cè)量設(shè)備。在采用全站儀測(cè)量過(guò)程中，受結(jié)構(gòu)物自身結(jié)構(gòu)和周?chē)臻g的限制，經(jīng)常會(huì)遇到控制點(diǎn)被遮擋、空間不通視的情況，導(dǎo)致部分控制點(diǎn)無(wú)法測(cè)量。例如，在導(dǎo)管架、上部模塊或液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）模塊的結(jié)構(gòu)片預(yù)制完成之后，通常會(huì)在結(jié)構(gòu)片的對(duì)接口或其他重要結(jié)構(gòu)尺寸控制項(xiàng)周?chē)贾靡幌盗锌刂泣c(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)總裝過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)片的定位。但是，在對(duì)總裝的尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，受高空限制、腳手架遮擋、周邊其他結(jié)構(gòu)物遮擋和儀器架設(shè)空間限制等因素的影響，部分控制點(diǎn)無(wú)法觀測(cè)到。傳統(tǒng)的解決方法是采用轉(zhuǎn)站測(cè)量的方式，根據(jù)控制點(diǎn)的位置，選取不同的觀測(cè)位置，多次設(shè)站進(jìn)行測(cè)量。例如：朱志杰等在測(cè)量船體外板點(diǎn)位時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)移測(cè)站位置獲取全部的點(diǎn)位信息；王永明在船舶制造現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量中提出了基于全站儀自由設(shè)站法的數(shù)據(jù)采集方案。此類(lèi)方法的缺點(diǎn)是布置轉(zhuǎn)站點(diǎn)和多次設(shè)站測(cè)量需耗費(fèi)大量的時(shí)間，尤其是在進(jìn)行總裝集成定位或焊前檢驗(yàn)時(shí)，會(huì)占用較多的吊機(jī)資源。

本文提出一種基于空間匹配技術(shù)的精度控制方法，減少環(huán)境因素對(duì)測(cè)量的影響，避免在進(jìn)行總裝集成測(cè)量時(shí)多次轉(zhuǎn)站。通過(guò)合理地布置一些間接點(diǎn)，在進(jìn)行總裝集成測(cè)量時(shí)架設(shè)1 個(gè)站點(diǎn)就可將所有控制點(diǎn)全部采集，大大提高工作效率。以某項(xiàng)目中的塔架結(jié)構(gòu)集成測(cè)量為例，介紹空間匹配技術(shù)在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)精度控制中的應(yīng)用過(guò)程。

1 匹配測(cè)量技術(shù)

1.1 匹配測(cè)量的概念

匹配測(cè)量技術(shù)的原理是采用最小二乘法，基于歐拉旋轉(zhuǎn)理論，對(duì)實(shí)測(cè)點(diǎn)集進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，使作業(yè)中的實(shí)測(cè)點(diǎn)集與設(shè)計(jì)點(diǎn)集實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配，目標(biāo)為所有實(shí)測(cè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)的距離平方和最小。本文應(yīng)用的空間匹配不存在真正意義上的設(shè)計(jì)點(diǎn)集，而是將在建造階段測(cè)量的點(diǎn)集作為實(shí)測(cè)點(diǎn)集，將在集成階段測(cè)量的點(diǎn)集作為設(shè)計(jì)點(diǎn)集。通過(guò)將間接點(diǎn)作為中間媒介，對(duì)2 組點(diǎn)集進(jìn)行最佳匹配，從而獲得目標(biāo)點(diǎn)在集成階段的空間坐標(biāo)。

采用的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式（1）中：S為實(shí)測(cè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)的距離平方和；p=（x，y，z）為設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)；p′=（x′，y′，z′）為實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

空間匹配測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，例如在船體分段建造的精度分析和攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)處理中都有應(yīng)用。

1.2 常用匹配軟件介紹

目前國(guó)內(nèi)常用的精度管理軟件有海徠公司的DACS 軟件和韓國(guó)SAMIN公司的ECO-System軟件。本文以DACS軟件為例，介紹空間匹配的處理方法。DACS軟件共分為分段測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)分析手簿軟件（IPAD測(cè)量子系統(tǒng)）、三維分段精度管理軟件（OFFICE精度分析子系統(tǒng)）和三維模擬搭載軟件（SIMULATION模擬搭載子系統(tǒng)）等3 部分。通常利用OFFICE精度分析子系統(tǒng)中的匹配功能實(shí)現(xiàn)間接點(diǎn)的匹配。

2 空間匹配測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用方法

海工鋼結(jié)構(gòu)建造通常分為建造階段和集成階段。為控制鋼結(jié)構(gòu)的建造精度，在建造階段，需在鋼結(jié)構(gòu)的幾何中心和對(duì)接口邊緣等關(guān)鍵部位布置一系列控制點(diǎn)，通過(guò)使用全站儀測(cè)量控制點(diǎn)的空間位置，對(duì)其相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行分析，并將所得結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，得出鋼結(jié)構(gòu)的建造精度。選取的控制點(diǎn)既要具有代表性，能反映出結(jié)構(gòu)物的關(guān)鍵尺寸，又要便于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中兩者經(jīng)常無(wú)法兼顧，為提高測(cè)量效率，需在結(jié)構(gòu)物上布置間接點(diǎn)，并采用匹配測(cè)量的方法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.1 間接點(diǎn)的布置原則

間接點(diǎn)的布置是匹配測(cè)量的關(guān)鍵，具有以下原則和要求：

1）間接點(diǎn)的布置位置不能距離控制目標(biāo)太遠(yuǎn)，且應(yīng)布置在強(qiáng)結(jié)構(gòu)上。若布置的距離較遠(yuǎn)或布置在易變形的結(jié)構(gòu)上，吊裝結(jié)構(gòu)變形會(huì)導(dǎo)致匹配精度下降；同時(shí)，匹配前后2 次測(cè)量的溫度發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致間接點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的空間距離產(chǎn)生差異。以本文中的塔架結(jié)構(gòu)為例，控制目標(biāo)是塔架頂層甲板的中心，因此將間接點(diǎn)布置在頂層甲板上部和下部的立柱上，在立柱上比較靠近甲板的位置。

2）間接點(diǎn)布置的范圍應(yīng)盡量分散，并將控制目標(biāo)包含在內(nèi)。為更準(zhǔn)確地反映控制目標(biāo)與間接點(diǎn)的空間位置關(guān)系，在布置間接點(diǎn)時(shí)應(yīng)避免將間接點(diǎn)集中布置在某一局部區(qū)域，且不能分布在同一直線上。

3）為有效實(shí)現(xiàn)空間匹配，間接點(diǎn)的數(shù)量不少于3 個(gè)。

4）布置間接點(diǎn)的目的是解決原有控制點(diǎn)在總裝或集成階段不易觀測(cè)的問(wèn)題，因此在滿足上述幾個(gè)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際條件，將間接點(diǎn)布置在總裝或集成階段最易觀測(cè)的位置。

2.2 應(yīng)用方法

本文以某海工塔架項(xiàng)目的集成定位為例，介紹匹配測(cè)量方法的具體應(yīng)用方法。

該海工塔架項(xiàng)目是一個(gè)由四腿支撐的塔樓式結(jié)構(gòu)，包含底部的塔架腿、中部的主甲板和上部的塔樓等3 個(gè)分段（見(jiàn)圖1）。項(xiàng)目分為陸地建造和船體集成2個(gè)階段。在建造階段，3 個(gè)分段先分別建造，再總裝成一個(gè)整體。陸地建造階段結(jié)束之后，將塔架整體吊裝至船體主甲板上與船體集成。

圖1 塔架項(xiàng)目工藝流程圖

在塔架與船體集成過(guò)程中，項(xiàng)目要求檢驗(yàn)塔架的整體垂直度，公差要求為±7.5 mm。為控制塔架的整體垂直度，以上部塔樓的頂層甲板的中心點(diǎn)作為控制目標(biāo)，需在頂層甲板上布置控制點(diǎn)。塔架的上部塔樓是一個(gè)由4 根立柱、數(shù)層甲板平臺(tái)和頂部軌道梁構(gòu)成的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。頂層甲板四周由工字鋼與立柱連接形成走道，甲板中間為中空結(jié)構(gòu)。由于甲板中心沒(méi)有實(shí)際結(jié)構(gòu)物，無(wú)法對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，將控制點(diǎn)設(shè)置在周?chē)母ぷ咒摰闹悬c(diǎn)上，4 個(gè)中點(diǎn)的連線的交點(diǎn)即為目標(biāo)中心點(diǎn)。

圖2 上部塔樓結(jié)構(gòu)圖

由于在建造塔架過(guò)程中，在其周?chē)钤O(shè)了大量腳手架，且受船體甲板面積的限制，在對(duì)塔架進(jìn)行集成定位測(cè)量時(shí)沒(méi)有合適的位置架設(shè)全站儀一次性測(cè)完全部測(cè)量點(diǎn)。若采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)站測(cè)量的方法，觀測(cè)完成4 個(gè)控制點(diǎn)至少需在船體主甲板上的不同位置使用全站儀設(shè)站4 次進(jìn)行測(cè)量，需耗費(fèi)大量的時(shí)間，尤其是在進(jìn)行集成定位和焊前檢驗(yàn)時(shí)，會(huì)占用較多的吊機(jī)或浮吊船的作業(yè)時(shí)間。因此，采用布置間接點(diǎn)和匹配測(cè)量的方法對(duì)塔架的垂直度進(jìn)行測(cè)量。

2.2.1 建造階段的應(yīng)用

在塔架建造總裝完成之后，在塔架上部塔樓的頂層甲板附近立柱的同一側(cè)面布置3 個(gè)間接點(diǎn)（如圖2 所示）。使用全站儀同時(shí)測(cè)量3 個(gè)間接點(diǎn)和工字鋼上的4 個(gè)原控制點(diǎn)。這一過(guò)程需轉(zhuǎn)站2 ～3 次才能完成對(duì)全部點(diǎn)的觀測(cè)，所有觀測(cè)點(diǎn)需保存至同一作業(yè)中。此時(shí)，3 個(gè)間接點(diǎn)與4 個(gè)原控制點(diǎn)的空間相對(duì)位置關(guān)系得以確認(rèn)。在內(nèi)業(yè)處理階段，使用CAD軟件將4 個(gè)原控制點(diǎn)相連，交點(diǎn)即為塔架頂層甲板的目標(biāo)中心點(diǎn)。將3 個(gè)間接點(diǎn)和目標(biāo)中心點(diǎn)保存為文件A（見(jiàn)圖3a）。此時(shí)，目標(biāo)中心點(diǎn)和3 個(gè)間接點(diǎn)處在同一坐標(biāo)系中，其空間位置關(guān)系得以確認(rèn)，通過(guò)測(cè)量3 個(gè)間接點(diǎn)的三維坐標(biāo)即可求得目標(biāo)中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2.2.2 集成階段的應(yīng)用

塔架集成的目標(biāo)是使其中心與船體中心線和FR100 肋位線的交點(diǎn)對(duì)齊。圖4 為塔架集成測(cè)量示意，在塔架集成之前，在船體主甲板FR100 肋位線的左右舷各布置1 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（M 點(diǎn)和N 點(diǎn)），在船體主甲板中心線上布置1 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（P點(diǎn)）。在CAD軟件中將3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)置于同一水平面上，從P點(diǎn)向M點(diǎn)與N點(diǎn)的連線作垂線，交點(diǎn)Q即為塔架集成的理論目標(biāo)位置，也是塔架整體垂直度的參考基準(zhǔn)。

塔架集成至船體甲板上之后，將全站儀架設(shè)在船體主甲板的合適位置處，同時(shí)測(cè)量位于船體中心線和肋位線上的3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和塔架頂層甲板附近的3 個(gè)間接點(diǎn)。如圖4 所示，由于間接點(diǎn)位于立柱外側(cè)的同一側(cè)面，只需架設(shè)1 個(gè)站點(diǎn)就可將所有間接點(diǎn)測(cè)完。測(cè)量完成之后，將3 個(gè)間接點(diǎn)和3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)保存至同一文件中。在內(nèi)業(yè)處理階段，使用CAD軟件將3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)置于同一水平面上，從船體中心線上的P 點(diǎn)向2 個(gè)肋位線上的M點(diǎn)與N點(diǎn)的連線作垂線，得到交點(diǎn)Q。將3 個(gè)間接點(diǎn)和M點(diǎn)、P點(diǎn)、Q點(diǎn)等3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)保存為文件B，如圖3b所示。

圖3 測(cè)量點(diǎn)圖

圖4 塔架集成測(cè)量示意

2.2.3 數(shù)據(jù)處理分析

對(duì)于數(shù)據(jù)處理階段的匹配，主要根據(jù)最小二乘法原理，將文件A和文件B中的3 個(gè)間接點(diǎn)作為公共點(diǎn)，使用歐拉旋轉(zhuǎn)，對(duì)不同坐標(biāo)系下的2 組數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，使匹配之后所有實(shí)測(cè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)的距離平方和最小，從而得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型的最優(yōu)匹配。在本文所述案例中，以建造階段測(cè)得的文件A 作為實(shí)測(cè)點(diǎn)，以集成階段測(cè)得的文件B作為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行匹配。

使用DACS軟件中的OFFICE 精度分析子系統(tǒng)新建一個(gè)工程，按以下步驟對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析：

1）將文件A 導(dǎo)入DACS-OFFICE 軟件中，按順序標(biāo)記命名實(shí)測(cè)點(diǎn)1 ～4，其中，1 ～3 為間接點(diǎn)，4 為目標(biāo)中心點(diǎn)；

2）將文件B導(dǎo)入DACS-OFFICE軟件的上述同一工程中，按順序標(biāo)記命名設(shè)計(jì)點(diǎn)1 ～6，其中，1 ～3 為間接點(diǎn)，與實(shí)測(cè)點(diǎn)1 ～3 一一對(duì)應(yīng)，4 ～6 為船體基準(zhǔn)點(diǎn)；

3）采用多點(diǎn)自動(dòng)匹配功能，使實(shí)測(cè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)自動(dòng)匹配，匹配結(jié)果見(jiàn)圖5；

圖5 匹配結(jié)果示意圖

4）用設(shè)計(jì)點(diǎn)4 ～6 重新定義坐標(biāo)系，在新坐標(biāo)系下查看實(shí)測(cè)點(diǎn)4 的坐標(biāo)值，分析塔架的整體垂直度。

3 匹配測(cè)量與直接測(cè)量的精度對(duì)比

為確認(rèn)空間匹配之后目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量精度與直接測(cè)量的精度是否有較大差異，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。以塔架項(xiàng)目為例，在塔架集成焊接完成之后，使用全站儀一站測(cè)量所有間接點(diǎn)和船體基準(zhǔn)點(diǎn)，并使用DACS-OFFICE軟件進(jìn)行多點(diǎn)自動(dòng)匹配，3 個(gè)間接點(diǎn)的匹配精度見(jiàn)表1。從表1 中可看出，所有間接點(diǎn)的匹配誤差都小于1 mm，說(shuō)明在集成吊裝過(guò)程中，間接點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生較大的形變，完全能滿足項(xiàng)目的精度要求。

表1 間接點(diǎn)匹配精度誤差

此外，使用全站儀，通過(guò)轉(zhuǎn)站測(cè)量的方式分別架設(shè)4 個(gè)站點(diǎn)，對(duì)塔架頂層甲板的4 個(gè)原控制點(diǎn)和船體基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)量，通過(guò)CAD軟件進(jìn)行計(jì)算處理，最終得出目標(biāo)中心點(diǎn)的坐標(biāo)值。通過(guò)匹配測(cè)量和直接測(cè)量得到的目標(biāo)中心點(diǎn)的坐標(biāo)值對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 目標(biāo)中心點(diǎn)坐標(biāo)值測(cè)量結(jié)果對(duì)比

從表2 中可看出，匹配測(cè)量與直接測(cè)量的精度差異為0.5 mm，說(shuō)明不僅在集成吊裝過(guò)程中間接點(diǎn)與目標(biāo)中心點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生較大的形變，而且這種空間匹配測(cè)量的結(jié)果與直接測(cè)量的結(jié)果不存在顯著差異，完全能滿足各類(lèi)海工項(xiàng)目的精度控制要求，滿足API RP 2A和EEMUA158等國(guó)際常用海洋鋼結(jié)構(gòu)建造規(guī)范的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用間接點(diǎn)布置和匹配測(cè)量技術(shù)，將集成階段多次轉(zhuǎn)站測(cè)量的過(guò)程轉(zhuǎn)移至建造階段，可有效縮短集成階段的測(cè)量時(shí)間，節(jié)省吊機(jī)資源，尤其是對(duì)于高成本的浮吊吊裝而言，每天可為項(xiàng)目節(jié)約數(shù)十萬(wàn)元的成本。

該工程應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)體現(xiàn)在：

1）匹配測(cè)量本質(zhì)上是2 個(gè)空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程共有7 個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別是3 個(gè)平移參數(shù)（Δx、Δy、Δz）、3 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（εx、εy、εz）和1 個(gè)尺度參數(shù)k，采用最小二乘法求解這7 個(gè)參數(shù)至少需要3 個(gè)重合點(diǎn)。因此，間接點(diǎn)的數(shù)量至少要有3 個(gè)，間接點(diǎn)的數(shù)量越多，多余觀測(cè)就越多，測(cè)量結(jié)果的精度就越高。

2）受匹配軟件算法的限制，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先需手動(dòng)選取至少3 對(duì)實(shí)測(cè)點(diǎn)和設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行人工初始配對(duì)，然后通過(guò)算法自動(dòng)精確匹配。因此，2 次觀測(cè)的間接點(diǎn)應(yīng)按相同的順序編號(hào)，防止手動(dòng)配對(duì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

本文以某塔架結(jié)構(gòu)的集成測(cè)量為例，對(duì)匹配測(cè)量技術(shù)在精度控制中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，該技術(shù)在海工其他鋼結(jié)構(gòu)的建造精度控制中同樣適用。例如深水導(dǎo)管架的裙裝套筒的總裝精度控制、上部組塊或LNG 模塊中的設(shè)備定位測(cè)量等，都可采用匹配測(cè)量的方法進(jìn)行精度控制。