浅谈三维激光扫描技术在燃气企业的应用

【摘要】三维激光扫描技术作为现在一项比较新的技术,已经在燃气企业有了一些应用,本文就这项技术在燃气企业的应用做了一些探讨。
【关键字】三维激光扫描原理、燃气企业、高压站的管理、高压站的改扩建、设备的培训

1引言

    三维激光扫描技术又称“实景复制技术”,是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。作为一项新的数据获取手段,三维激光扫描仪可以快速、精确和高效地测量目标的三维影像数据,突破了传统的测量和数据处理方法,赢得了全新的研究和应用领域。将任何复杂的现场环境及空间进行扫描操作,并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中,瞬间产生可量测的带有彩色的三维影像,即把现实搬入到计算机中。而且还可以快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据,同时,它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如:测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实、… 等),三维激光扫描技术就是这类全自动高精度立体扫描的技术

2 三维激光扫描仪原理

    三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号,经物体表面漫反射后,沿几乎相同的路径反向传回到接收器,可以计算日标点P与扫描仪距离S,控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内,Y轴在横向扫描面内与X轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。

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图1 扫描点坐标计算原理
    激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分,对于激光扫描的定位、获取空间三维信息具有十分重要的作用。目前,测距方法主要有:三角法、脉冲法,相位法。地面三维激光扫描仪的测距方法为脉冲法和相位法。
(1)脉冲测距法
脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。如图2 所示,激光发射器向目标发射一束脉冲信号,经目标漫反射后到达接收系统,设测量距离为S,光速为c,测得激光信号往返传播的时间差为△t,则有:
S=(1/2)*c△t    (2)
从式(2)中可以看出,影响距离精度的因素主要有c 和△t,而的精度主要由大气折射率所决定,目前n 的精度很高,对测距影响很小;△t 的确定可通过前沿判别,高通容阻判别,恒比值判别或全波形检测技术等方法,保证测定精度。脉冲法的测量距离较远,但是其测距精度较低,现在有些三维激光扫描仪使用这种测距方式,主要在地形测绘、 “数字城市”建设、土木工程等大范围场合使用。

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(2)相位测距法
    相位法测距是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制,通过测定调制光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差,间接测定往返时间,并进一步计算出被测距离。相位型扫描仪可分为调幅型,调频型,相位变换型等。设激光信号往返传播产生的相位差为准,脉冲的频率为f,则所测距离S 为:
S=(c/2)*(Ø)/2πf    (3)
由公式(3)可知,这种测距方式是一种间接测距方式,通过检测发射和接收信号之间的相位差,获得被测目标的距离。测距精度较高,主要应用在精密测量、石油化工天然气企业、文物保护、制造业等,精度可达到毫米级。
以上两种测距方法各有优缺点,主要集中在测程、精度和速度的关系上,脉冲测量的距离最长,但精度随距离的增加而降低,速度稍慢。相位法适合于中程测量,具有较高的测量精度,并且速度快,而Faro focus3D 是相位测量,在大空间扫描仪中是最便携的。

3三维激光扫描在燃气企业的应用

三维激光扫描技术产生伊始,由于其先进性,在国内外已经成功应用了许许多多的行业。其中,在燃气企业也有多方面的应用。例如:在高压站的管理、高压站的改扩建、重要设备的培训等。下面详细介绍这几个应用。
(1)高压站的管理:
天然气是一种储量很大、输送方便、成本低廉、清洁无灰渣、热值较高及燃烧产物对环境污染小的优质能源,因此,是一种理想的城镇燃气气源。从世界能源利用的趋势来看,采用天然气作为城镇燃气的主要气源,已成为当前的发展方向。由于天然气使用量很大,输送的范围广,所以出现了很多高压站,用来管理各个区域的天然气使用。 因为各个高压站的分散,不方便对各个高压站的查看与了解,所以需要一个统一的平台。而三维激光扫描仪的出现,为他带来了曙光。Faro三维激光扫描仪可以快速的获取各个高压站的状况,形成现实环境的三维可测量彩色影像,通过webshare的互联网功能,可以不去现场,只通过互联网方便的查看各个高压站和每个高压站的具体情况,如图3

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图3 webshare网络共享数据
在总览图上,可以准确的测量出所敢兴趣去的面积和距离,在全景图上,直观的查看高压站内各个设备的相关情况,并且准确的测量设备之间的距离,以及还需要增加其他的设备,非常的直观。为了更详细的了解设备的信息,可以给每个设备添加属性,详细描述其规格、时间及生产厂家等。如果有需要,还可以添加设备的链接,链接到文档、图片、视频及其他,集声、色彩、形状为一体,通过互联网,虽然没到现场,但是能感受到比现场更加震撼的感觉。
(2)高压站的改扩建
设备运行一段时间后,有时需要新加设备或者进行现有设备的改造,而高压站的设计数据由于长时间没有更新上,所以不具备现势性,根据旧数据改造,会出现不可预料的问题,如果采用传统的测量方法,精度也不高,而且时间长,有时人长时间在站里会有危险,进而增加了很大的成本。而改扩建设计质量的关键取决于对现状的了解程度,而已有图纸与现状不符, 现场情况复杂, 给设计带来了很大难度,所以如何获取到准确的工厂现状资料就是第一个要解决的问题。
借助三维激光扫描技术,油气设施的升级和改造变得更为简单了。在西方发达国家燃气厂、炼油厂等项目的改造中,已经大量采用三维激光扫描仪对现场进行扫描,,生成平剖图,作为设计图纸改造的基础数据,或者通过软件后处理得到三维几何模型或工厂模型, 再对所得模型进行进一步应用,例如、利用GIS平台,可实现对各种设备空间信息( X, Y, Z) 和属性信息( 基本参数、 运行参数、 检维修参数等) 的 GIS 动态管理,直观地显示现场场景、 真实的空间和属性数据, 使管理人员既能直观地观察现场情况, 又可以掌握各类属性信息。
(3)重要设备的培训
由于有些设备的比较复杂,比如非常重要的FL系列调压器(如图4),FL系列是“轴流式”的指挥器作用式调压器,流通能力大、调压精度高、阀芯压力平衡、密封性高。 FL系列调压器不仅性能稳定,而且可以带消音器降噪,阀筒设计提供了紧闭的密封,坚固的结构让使用寿命更长。FL系列调压器被广泛地应用于高压输配系统、城市管网以及大流量配气系统和电厂供气等场合。安装和拆卸比较繁琐,尤其是新引进的设备,需要给设备管理人员进行培训,而接受培训人员比较多,有时候每年还有一些新人的加入,如何快速方便的对管理人员的培训,是一个现实存在的难题。
就如前面所提到的,利用三维激光扫描技术可以快速的对各种复杂的零件及设备进行建模,形成真实的3D模型,然后使用maya等动画软件,可以快速的对设备的安装及拆卸形成动画,在动画中再加入讲解及字幕,生成视频,既给培训师省去了很多事,又给学习者带来了学习的兴趣。如图5视频截图

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图4FL系列调压器

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图5 视频截图

4总结

      三维激光扫描技术虽然为一项新技术,但是在国内已经有了广泛的应用,本文主要对燃气企业应用做了简单的阐述,希望起到抛砖引玉的作用,而且这一技术已经给各方带来了巨大的经济效益,相信这项技术给燃气企业带来更大的作用,促进燃气企业和社会的进步。
 




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