本發(fā)明涉及儲(chǔ)罐安全檢測(cè)技術(shù)，特別是一種基于三維激光掃描技術(shù)的大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的提升，大型常壓儲(chǔ)罐成為保障我國(guó)油氣資源及化工物料儲(chǔ)備的重大基礎(chǔ)性關(guān)鍵裝備，是直接關(guān)系到油氣資源及化工物料安全穩(wěn)定供應(yīng)，影響國(guó)家能源穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略設(shè)備。世界上煤化工和其它行業(yè)的絕大部分液體介質(zhì)大都采用立式鋼制圓筒形儲(chǔ)液罐儲(chǔ)存。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，儲(chǔ)罐容量越來(lái)越大，且正向大型化、群罐化發(fā)展。由于煤化工產(chǎn)品具有易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕性及毒性等特性，使它在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及使用過(guò)程中存在潛在的危險(xiǎn)。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)各類儲(chǔ)罐的安全管理重視不足，大型常壓立式儲(chǔ)罐的檢驗(yàn)及綜合評(píng)價(jià)還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)可依，大型儲(chǔ)罐缺少系統(tǒng)的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)管理體系、可靠的安全評(píng)定技術(shù)和有效的檢驗(yàn)檢測(cè)手段。目前大型儲(chǔ)罐檢測(cè)主要采用圍尺法、光學(xué)三角法、光學(xué)垂準(zhǔn)線法和內(nèi)部/外部電子測(cè)距法(edm)等幾何測(cè)量法進(jìn)行容積標(biāo)定，從而判斷其安全健康狀況，但是，傳統(tǒng)方法普遍存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、容易產(chǎn)生誤差、費(fèi)用大、耗時(shí)等缺點(diǎn)。

三維激光掃描技術(shù)作為新近發(fā)展的一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)，可以快速、高效的獲取高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。近年來(lái)，德國(guó)國(guó)家計(jì)量院(ptb)和trimble共同研發(fā)出一種基于trimblecx三維激光掃描儀的全新容積標(biāo)定法，并取得了一些初步的成果。該方法首先對(duì)罐體點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建相應(yīng)于罐體的三角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，然后每隔一個(gè)規(guī)定高程截取罐體的橫斷面，根據(jù)柱體體積計(jì)算公式求取罐體容積。但是，該方法簡(jiǎn)化了罐體模型，把罐體看作規(guī)則的圓柱體進(jìn)行處理，不能準(zhǔn)確的反映罐體的幾何形變信息，與真實(shí)的罐體模型存在著很大的誤差。

因此，迫切需要一種快速、便捷的大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)方法為石油、天然氣、化工等類似危險(xiǎn)行業(yè)的安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于三維激光掃描技術(shù)的大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)系統(tǒng)與方法。

實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種基于三維激光掃描技術(shù)的大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)系統(tǒng)與方法，包括三維場(chǎng)景可視化模塊、大型儲(chǔ)罐形變檢測(cè)模塊以及分析方法，其中：

所述三維場(chǎng)景可視化模塊實(shí)現(xiàn)了基于ogre的三維場(chǎng)景可視化平臺(tái)、儲(chǔ)罐區(qū)三維場(chǎng)景的快速更新和相同罐體不同期數(shù)據(jù)的同時(shí)加載；

所述大型儲(chǔ)罐形變檢測(cè)模塊又包括切片提取、曲線擬合和形變分析三個(gè)子模塊；其中：

所述切片提取模塊實(shí)現(xiàn)了罐體任意截面點(diǎn)云切片的提取；

所述曲線擬合模塊實(shí)現(xiàn)了罐體截面的特征曲線擬合；

所述形變分析模塊實(shí)現(xiàn)了罐體整體傾斜度、罐壁垂直度、圈板平均半徑、圈板橢圓度的分析。

所述分析方法如下：

切片提取模塊首先利用kd-tree對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立拓?fù)潢P(guān)系，然后定義垂直于z軸的平面為切片方向，并選擇合適的截面點(diǎn)云厚度，實(shí)現(xiàn)罐體任意截面點(diǎn)云切片的提取。

曲線擬合模塊首先對(duì)點(diǎn)云切片進(jìn)行排序，然后采用三次b樣條曲線擬合截面特征曲線。其原理如下：

式中pi+k為控制頂點(diǎn)，n為曲線次數(shù)。由上式可以看出，b樣條曲線是分段的。若給定m+n+1個(gè)頂點(diǎn)，就可以定義m+1段n次參數(shù)曲線。式中fk.n(t)是b樣條基函數(shù)，表達(dá)式為：

從特征點(diǎn)集中每次取相鄰的4個(gè)頂點(diǎn)，就可以構(gòu)造一條三次b樣條曲線，相鄰的兩段三次b樣條曲線在連接處達(dá)到二階連續(xù)。

形變分析模塊采用最小二乘擬合點(diǎn)云切片中心，并將其擬合成直線，該直線與z軸的夾角即為罐體的整體傾斜度。

形變分析模塊在擬合的圈板特征曲線上等間隔選取n個(gè)特征點(diǎn)，并計(jì)算切片中心到這些特征點(diǎn)的距離r，通過(guò)計(jì)算r的平均值求得圈板的平均半徑r和特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的直徑為d，然后找出這些特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)直徑的最小值和最大值，并計(jì)算它們的平均值d，最后根據(jù)橢圓度計(jì)算公式計(jì)算其橢圓度。其橢圓度計(jì)算公式如下：

三維場(chǎng)景可視化模塊可以采用數(shù)字地面模型作為搭建真實(shí)儲(chǔ)罐區(qū)的底圖，利用三維激光掃描技術(shù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行模型構(gòu)建實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的真實(shí)分布。

所述三維場(chǎng)景可視化模塊采用八叉樹(shù)場(chǎng)景管理器管理各個(gè)罐體，不僅可以快速定位罐體的絕對(duì)位置，而且可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際增加、刪減儲(chǔ)油罐，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐區(qū)場(chǎng)景的快速更新。

所述三維場(chǎng)景可視化模塊可以在每個(gè)罐的節(jié)點(diǎn)下加入該罐體的不同期的掃描數(shù)據(jù)，比較分析該罐體的變形趨勢(shì)。

利用本發(fā)明的技術(shù)方案制作的一種基于三維激光掃描技術(shù)的大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)系統(tǒng)與方法，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)中，相比傳統(tǒng)儲(chǔ)罐檢測(cè)時(shí)使用的幾何測(cè)量方法，該技術(shù)不再局限于只分析每層圈板的1/4和3/4處，充分利用掃描到的稠密罐體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不僅能大大提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集的效率和精度，節(jié)省人力物力，降低成本，也節(jié)省了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，該技術(shù)的應(yīng)用，為行業(yè)推廣以及制定內(nèi)部行業(yè)規(guī)范提供準(zhǔn)確可靠的罐體檢定方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述一種基于三維激光掃描技術(shù)的大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)系統(tǒng)與方法的截面切片提取流程圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，如圖1所示，一種基于三維激光掃描技術(shù)的大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)系統(tǒng)與方法，包括三維場(chǎng)景可視化模塊、大型儲(chǔ)罐形變檢測(cè)模塊以及分析方法，所述三維場(chǎng)景可視化模塊實(shí)現(xiàn)了基于ogre的三維場(chǎng)景可視化平臺(tái)、儲(chǔ)罐區(qū)三維場(chǎng)景的快速更新和相同罐體不同期數(shù)據(jù)的加載，所述大型儲(chǔ)罐形變檢測(cè)模塊又包括切片提取、曲線擬合和形變分析三個(gè)子模塊：所述切片提取模塊實(shí)現(xiàn)了罐體任意截面點(diǎn)云切片的提?。凰銮€擬合模塊實(shí)現(xiàn)了罐體截面的特征曲線擬合；所述形變分析模塊實(shí)現(xiàn)了罐體整體傾斜度、罐壁垂直度、圈板平均半徑、圈板橢圓度的分析；所述分析方法如下：切片提取模塊首先利用kd-tree對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立拓?fù)潢P(guān)系，然后定義垂直于z軸的平面為切片方向，并選擇合適的截面點(diǎn)云厚度，實(shí)現(xiàn)罐體任意截面點(diǎn)云切片的提?。磺€擬合模塊首先對(duì)點(diǎn)云切片進(jìn)行排序，然后采用三次b樣條曲線擬合截面特征曲線。其原理如下：

式中pi+k為控制頂點(diǎn)，n為曲線次數(shù)。由上式可以看出，b樣條曲線是分段的。若給定m+n+1個(gè)頂點(diǎn)，就可以定義m+1段n次參數(shù)曲線。式中fk.n(t)是b樣條基函數(shù)，表達(dá)式為：

從特征點(diǎn)集中每次取相鄰的4個(gè)頂點(diǎn)，就可以構(gòu)造一條三次b樣條曲線，相鄰的兩段三次b樣條曲線在連接處達(dá)到二階連續(xù)；所述形變分析模塊采用最小二乘擬合點(diǎn)云切片中心，并將其擬合成直線，該直線與z軸的夾角即為罐體的整體傾斜度；形變分析模塊在擬合的圈板特征曲線上等間隔選取n個(gè)特征點(diǎn)，并計(jì)算切片中心到這些特征點(diǎn)的距離r，通過(guò)計(jì)算r的平均值求得圈板的平均半徑r和特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的直徑為d，然后找出這些特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)直徑的最小值和最大值，并計(jì)算它們的平均值d，最后根據(jù)橢圓度計(jì)算公式計(jì)算其橢圓度；三維場(chǎng)景可視化模塊可以采用數(shù)字地面模型作為搭建真實(shí)儲(chǔ)罐區(qū)的底圖，利用三維激光掃描技術(shù)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行模型構(gòu)建實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的真實(shí)分布；所述三維場(chǎng)景可視化模塊采用八叉樹(shù)場(chǎng)景管理器管理各個(gè)罐體，不僅可以快速定位罐體的絕對(duì)位置，而且可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際增加、刪減儲(chǔ)油罐，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐區(qū)場(chǎng)景的快速更新；所述三維場(chǎng)景可視化模塊可以在每個(gè)罐的節(jié)點(diǎn)下加入該罐體的不同期的掃描數(shù)據(jù)，比較分析該罐體的變形趨勢(shì)。

本實(shí)施方案的特點(diǎn)為，三維場(chǎng)景可視化模塊實(shí)現(xiàn)了基于ogre的三維場(chǎng)景可視化平臺(tái)、儲(chǔ)罐區(qū)三維場(chǎng)景的快速更新和相同罐體不同期數(shù)據(jù)的加載，大型儲(chǔ)罐形變檢測(cè)模塊又包括切片提取、曲線擬合和形變分析三個(gè)子模塊：切片提取模塊實(shí)現(xiàn)了罐體任意截面點(diǎn)云切片的提?。磺€擬合模塊實(shí)現(xiàn)了罐體截面的特征曲線擬合；形變分析模塊實(shí)現(xiàn)了罐體整體傾斜度、罐壁垂直度、圈板平均半徑、圈板橢圓度的分析，該系統(tǒng)不僅可以節(jié)省數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理時(shí)間，降低成本，還可以得到更準(zhǔn)確的大型儲(chǔ)罐形變分析數(shù)據(jù)，滿足計(jì)量、石油、化工等行業(yè)的需求。

在本實(shí)施方案中，具體實(shí)施步驟及運(yùn)算過(guò)程如下：

(1)對(duì)多站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，建立罐體點(diǎn)云模型；

(2)將罐體點(diǎn)云模型導(dǎo)入所述大型儲(chǔ)罐安全檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置切割軸向、切片位置以及切片厚度，實(shí)現(xiàn)罐體任意截面點(diǎn)云切片的提取；

(3)設(shè)置曲線擬合度，對(duì)罐體任意截面點(diǎn)云切片進(jìn)行三次b樣條曲線擬合，得到罐體截面的特征曲線；

(4)設(shè)置罐體任意截面點(diǎn)云切片的特征點(diǎn)位置，通過(guò)形變分析模塊計(jì)算罐體整體傾斜度、罐壁垂直度、圈板平均半徑和圈板橢圓度。

上述技術(shù)方案僅體現(xiàn)了本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)選技術(shù)方案，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)其中某些部分所可能做出的一些變動(dòng)均體現(xiàn)了本發(fā)明的原理，屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。