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三维激光扫描仪在工厂改造中的应用

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三维激光扫描仪在工厂改造中的应用
随着新时代新形势下石油化工等工业领域的快速发展,部分工厂无论是在功能还是在规模上都已经不能满足新时代发展的需要,如果需要扩大产能,就需要拆除、更换、新增大量的设备和管线等。
然而,由于很多石化厂装置建于70年代后,大部分工厂几经改造,现有的工厂图纸资料并不完整,不能满足工厂改造扩建的需要,给设计工作带来了很大困难。现有的比较完整的图纸只有当年的最原始装置的管道轴测图,厂里的多次技术改造和多年工厂运营维护的相关资料并不完整,并且也与实际有较大出入。而改扩建设计质量的关键取决于对现状的了解程度,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。
三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪
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解决方案

一、现状与困难

为了给设计工作提供基础输入资料并且为后续的运行维护和管理提供很好的基础数据平台,需要对工厂进行现状测量以获取现场设备和管道的位置关系及分布情况。原始手工测量是传统获取现场资料的最常见并且最经济的方法,但工厂的改造设计是在不停工的前提下进行的,运行时很多区域是人员危险区,不能靠近测量。而且人工测量的误差也往往难以避免,测量的结果不能满足设计的基本要求。现代常规测量方法是采用全站仪或GPS进行单点位置采集,但是工厂内部设备和管道分布错综复杂,极易造成测量盲点,加之厂区内部高压设备区域测量人员不能到达等不利因素的影响,使测量工作十分困难,工作效率低下。这时,我们需要将目光转向更先进和准确的测量方式。

二、技术优势

三维激光扫描技术是一种面测量,点的采集密度大、精度高,且是主动式非接触测量,无需设置反射棱镜,因此在人员难以到达的危险区域使用优势更加明显,突破了传统的手工测量及单点测量方式,以高密度、高分辨率获取扫描物体的三维点云数据,能够得到完整、全面的三维空间信息,成为一种良好的解决方案。

(一)技术特点

与传统测量方法相比,三维激光扫描技术既可以节省外业工作时间,缩短工期,又可以将建筑、管道等信息全部记录下来,方便后期二维出图与三维建模,从而更好的对工厂设施进行管理。

在西方发达国家核电站、化工厂、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,然后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。而在国内,三维激光扫描主要是用于文物考古及古建筑维修、地形测绘研究等领域,而在工厂改造方面的应用尚处在起步阶段。

        (二)设备概况

                1.硬件

Z+F 5010X三维激光扫描仪是一种相位式三维激光扫描仪,最高噪声精度可达0.2mm,有效测量距离可达187米,内置相机可生成8000万像素的高分辨率影像数据,角度分辨率高达水平0.0002°垂直0.0004°;其创新性的率先采用内置GPSIMUCompass等定位传感器,可以辅助进行外业快速无标靶定位拼接,真正实现了高效率的扫完即拼接。使用该设备可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集,非常适合于在复杂的工厂环境内进行测量,其点云数据具备非常优良的质量。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪z+f imager三维激光扫描仪

Z+F 5010X三维激光扫描仪

              2.软件

InfiPoints是一款强大的点云数据处理平台,具有大数据、一站式、自动化、跨平台的处理特色,InfiPoints能够提供灵活且多样化的点云数据预处理方式,自动提取几何特征更快捷的生成三维模型,满足用户对于模型比对、干涉分析等工程需求。三维扫描技术获取的大量三维空间数据,您能够置身于现实环境般去浏览整体企业或工厂布局、管理。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪的InfiPoints功能

InfiPoints功能

                  3.系统搭建

三维扫描技术现已成为大空间获取点云、逆向工程的快捷方式。通过搭配优秀的Z+FIMAGER 5010X激光扫描硬件与强大的InfiPoints专业工厂工程化软件组成的解决方案,成功的让工业厂房、逆向扫描等领域的企业的运用激光技术,得到真实的数字化信息。并能轻松的运用其生成的影像提取有效的工程信息,以做布局规划、虚拟现实浏览分享、工程规划等应用。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪的系统搭建过程展示

系统搭建

四、解决方案

           (一)数据采集与处理

                       1.扫描前踏勘 

在进行点云数据获取之前,需要进行现场实地踏勘,根据厂区大小、设备和管道分布情况,以保证在扫描仪的有效范围内发挥其最大功效,避免重复扫描。再通过三维激光扫描仪扫描获取现场数据。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造的数据采集阶段展示

工厂环境

                      2.方案制定

由于Z+F IMAGER 5010X支持全自动实测同步无标靶拼接,整个扫描过程无需布设标靶即可完成各站点云之间的拼接。

鉴于大部分工厂组成复杂,如果站间拼接误差较大,可以进行手动拼接,软件将自动进行拼接精度检查,保证两站间的拼接精度在1cm以内。依次进行相邻站间的拼接,得到完整的三维点云数据。

但出于坐标系转换到地理坐标系的用途,需要在扫描区域布设目标标靶(标靶纸或标靶球),至少布设3个,以便于后续将测站扫描坐标系转换到测量坐标系。

                     3.获取精准的现场数据

  扫描站点和标靶布设完成后,将Z+F IMAGER 5010X三维激光扫描仪架设在扫描站点上并进行整平。安置好仪器后,开机设置扫描参数(主要包括分辨率及点云质量),设置完毕后,按下扫描按钮然后等待机器扫描,按照一般推荐模式单站约3分钟20秒即可完成扫描。扫描完成后,可在显示屏中实时查看点云数据,对点云数据获取不理想区域或局部复杂程度比较高的区域,可调整局部扫描级别重新进行局部扫描。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造的原始点云图展示

原始点云图

                        4.点云数据的去噪

扫描取得的原始点云数据还需要进行一系列处理工作,才能交付给设计人员使用。根据现场的扫描对象复杂程度不同,扫描过程中外界环境因素对扫描目标会造成阻挡和遮掩,如移动的车辆、行人和树木的遮挡,以及实体本身的反射特性不均匀等,导致最终获取的点云数据可能包含不稳定点和噪声点,只有把这些噪声点去除后,才可以继续进行其他的操作,有助于后续建模。这个过程称为点云数据去噪或点云的过滤。应用软件的去噪模块能去除灰尘噪点,移动的物体等。最终得到需要的点云数据。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造中的去噪前后对比成果展示

去噪前后对比

                    5.点云数据的简化与分割

根据现场的扫描对象的复杂程度不同,扫描得到的点云数据大小差别很大,对范围较大且组成复杂的现场来说,扫描得到的点云往往很大,数以亿计的点,会影响软件的运转速度,各种处理软件都提供了若干种数据化简的功能,如剔除植被功能,空间点过滤功能等,经简化处理可大大减少数据量,为后处理提供方便。

对较大的项目来说,后期处理一般需要配备较多的人员参与模型重建工作,这样需要把整体的点云数据进行规范化的切割分块,交由每个人员协同工作,以提高了模型重建的效率,加快模型重建速度。

            (二)数据应用

                      1.工程测量、制作二维工程图

传统绘制图纸需要在AutoCAD/Revit等软件中进行手动建模,但效率往往过低,应用InfiPoints能针对点云进行实际测量,并能够截取指定截面绘制2D工程图,绘制的图纸可以进行2D3D混合显示,最终我们可以导出DWG/IFC格式的工程图纸。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造中的数据应用的工程图纸展示

工程图纸

                           2.点云的裁剪

应用InfiPoints能删除指定点云设备,并导入CAD模型实现设备的虚拟装配。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造中的设备的点云裁剪展示

设备点云

                         3.实时干涉检查

在新老设备更换时,在InfiPoints中设置好模型的移动轨迹后,当模型与点云碰撞时,应用InfiPoints能检测出干涉状态并停止模型移动,实现安装路径的规划。在虚拟环境中规划更换设备能大大提高前期的设计效率,避免大量的往返现场造成的时间浪费。同时还能检查设备的检修空间是否充份。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造中的实时干涉检查展示

实时干涉检查

                            4.管道与平面的自动重建

手动提取管道往往需要数月时间,应用InfiPoints能在几分钟内自动识别提取点云中的管道、平面,极大缩短了项目开发周期。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造中的管道与平面的模型重建展示

模型重建

                              5.生成漫游视频与VR展示

按照设定轨迹生成漫游视频以便与提交客户或上级审核。同时可与前沿的VR技术直接结合,可以简单快捷的面向上级进行汇报,提升展示的真实感,增强交流与互动。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造中的形成漫游视频与VR展示

                                6.导出到设计软件,与BIM对接

处理好的数据,可以导出成dwgdxf格式到Autocad中进行项目设计,也可导出管道的中轴线、管道到Auto plantCAD中,IFC格式到RevitBIM软件中。缩短项目开发周期。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造中导出到设计软件与BIM对接

BIM模型

                         7.建立厂区三维管理系统

以三维激光扫描技术为主的改造设计,为设计工作提供基础数据资料,也为后续运营、维护和管理提供很好的数据基础平台。随着三维激光扫描技术的不断发展,将同步采集的高精度点云及高分辨率影像数据与地理信息技术相结合,这在国内外工厂开发和运营管理中具有广泛的用途。

三维激光扫描仪在工厂改造中的应用,工厂改造需要用到的三维扫描仪,工厂改造中的建立厂区三维管理系统,整体三维模型的展示图

整体三维模型

五、方案优势

工业厂房三维模型的构建需要真实的三维空间数据,如地物的平面位置、几何尺寸、高度等数据。长期以来工业厂房的竣工测绘、三维建模和重构工作,大多用传统的测绘仪器来获取厂房的空间几何数据,由于传统测量仪器、方法的局限性,使获得的测量数据精度低、现实性差,不能精准表达厂房结构的空间几何及相关构件的属性信息。三维激光扫描技术能很好解决这一难题, 通过提高对现场关键数据获取的精准程度来促进工厂改建质量的提升,。再应用高效的点云处理平台以一种全新的设计模式进行工厂的改扩建设计。在此模式下做出的设计能够很好的保证设计质量并缩短设计周期,准确的现状模型能够做到对材料的准确控制,大大降低了施工过程中的返工。

三维激光扫描,颠覆了传统的量测方法,并且精度得到很大的提高,短时间内帮助设计人员进行设计方案的制定,并在现有管道设备模型的基础进行合理的改扩建设计,许多设计问题在设计的初始阶段就得到解决,大大提高了工作效率及设计质量。国外研究的数据显示:传统模式下所做的改扩建设计,由于对现场状况不明,所造成的返工及材料浪费占到项目总投资的10%,使用三维激光扫描技术前期进行扫描,在投入1%一2%的基础上,可以使返工及材料浪费降低到1%,经济效益非常显著。

在国内,这一设计模式还比较新颖,应用的深度和广度都很不够,但是三维扫描技术提供的三维现状模型不仅为改扩建等设计提供了便利,也为后续的工厂运营维护管理提供很好的数据基础平台,这一技术必定会为各方带来巨大的经济效益。

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