【三維激光掃描儀在工廠改造中的應用】_工廠改造設備三維激光掃描儀-華測導航

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三維激光掃描儀在工廠改造中的應用
随着新時代新形勢下石油化工等工業領域的快速發展,部分工廠無論是在功能還是在規模上都已經不能滿足新時代發展的需要,如果需要擴大産能,就需要拆除、更換、新增大量的設備和管線等。
然而,由于很多石化廠裝置建于70年代後,大部分工廠幾經改造,現有的工廠圖紙資料并不完整,不能滿足工廠改造擴建的需要,給設計工作帶來了很大困難。現有的比較完整的圖紙隻有當年的最原始裝置的管道軸測圖,廠裡的多次技術改造和多年工廠運營維護的相關資料并不完整,并且也與實際有較大出入。而改擴建設計質量的關鍵取決于對現狀的了解程度,已有圖紙與現狀不符,現場情況複雜,給設計帶來了很大難度,所以如何獲取到準确的工廠現狀資料就是第一個要解決的問題。
三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀
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解決方案

一、現狀與困難

為了給設計工作提供基礎輸入資料并且為後續的運行維護和管理提供很好的基礎數據平台,需要對工廠進行現狀測量以獲取現場設備和管道的位置關系及分布情況。原始手工測量是傳統獲取現場資料的最常見并且最經濟的方法,但工廠的改造設計是在不停工的前提下進行的,運行時很多區域是人員危險區,不能靠近測量。而且人工測量的誤差也往往難以避免,測量的結果不能滿足設計的基本要求。現代常規測量方法是采用全站儀或GPS進行單點位置采集,但是工廠内部設備和管道分布錯綜複雜,極易造成測量盲點,加之廠區内部高壓設備區域測量人員不能到達等不利因素的影響,使測量工作十分困難,工作效率低下。這時,我們需要将目光轉向更先進和準确的測量方式。

二、技術優勢

三維激光掃描技術是一種面測量,點的采集密度大、精度高,且是主動式非接觸測量,無需設置反射棱鏡,因此在人員難以到達的危險區域使用優勢更加明顯,突破了傳統的手工測量及單點測量方式,以高密度、高分辨率獲取掃描物體的三維點雲數據,能夠得到完整、全面的三維空間信息,成為一種良好的解決方案。

(一)技術特點

與傳統測量方法相比,三維激光掃描技術既可以節省外業工作時間,縮短工期,又可以将建築、管道等信息全部記錄下來,方便後期二維出圖與三維建模,從而更好的對工廠設施進行管理。

在西方發達國家核電站、化工廠、煉油廠等項目的改造中,已經大量采用三維激光掃描儀對現場進行掃描,然後通過軟件後處理得到三維幾何模型或工廠模型,再對所得模型進行進一步應用。而在國内,三維激光掃描主要是用于文物考古及古建築維修、地形測繪研究等領域,而在工廠改造方面的應用尚處在起步階段。

        (二)設備概況

                1.硬件

Z+F 5010X三維激光掃描儀是一種相位式三維激光掃描儀,最高噪聲精度可達0.2mm,有效測量距離可達187米,内置相機可生成8000萬像素的高分辨率影像數據,角度分辨率高達水平0.0002°垂直0.0004°;其創新性的率先采用内置GPS、IMU、Compass等定位傳感器,可以輔助進行外業快速無标靶定位拼接,真正實現了高效率的掃完即拼接。使用該設備可以直接實現各種大型的、複雜的、不規則、标準或非标準的實體或實景三維數據完整的采集,非常适合于在複雜的工廠環境内進行測量,其點雲數據具備非常優良的質量。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀z+f imager三維激光掃描儀

Z+F 5010X三維激光掃描儀

              2.軟件

InfiPoints是一款強大的點雲數據處理平台,具有大數據、一站式、自動化、跨平台的處理特色,InfiPoints能夠提供靈活且多樣化的點雲數據預處理方式,自動提取幾何特征更快捷的生成三維模型,滿足用戶對于模型比對、幹涉分析等工程需求。三維掃描技術獲取的大量三維空間數據,您能夠置身于現實環境般去浏覽整體企業或工廠布局、管理。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀的InfiPoints功能

InfiPoints功能

                  3.系統搭建

三維掃描技術現已成為大空間獲取點雲、逆向工程的快捷方式。通過搭配優秀的Z+FIMAGER 5010X激光掃描硬件與強大的InfiPoints專業工廠工程化軟件組成的解決方案,成功的讓工業廠房、逆向掃描等領域的企業的運用激光技術,得到真實的數字化信息。并能輕松的運用其生成的影像提取有效的工程信息,以做布局規劃、虛拟現實浏覽分享、工程規劃等應用。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀的系統搭建過程展示

系統搭建

三、解決方案

           (一)數據采集與處理

                       1.掃描前踏勘 

在進行點雲數據獲取之前,需要進行現場實地踏勘,根據廠區大小、設備和管道分布情況,以保證在掃描儀的有效範圍内發揮其最大功效,避免重複掃描。再通過三維激光掃描儀掃描獲取現場數據。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造的數據采集階段展示

工廠環境

                      2.方案制定

由于Z+F IMAGER 5010X支持全自動實測同步無标靶拼接,整個掃描過程無需布設标靶即可完成各站點雲之間的拼接。

鑒于大部分工廠組成複雜,如果站間拼接誤差較大,可以進行手動拼接,軟件将自動進行拼接精度檢查,保證兩站間的拼接精度在1cm以内。依次進行相鄰站間的拼接,得到完整的三維點雲數據。

但出于坐标系轉換到地理坐标系的用途,需要在掃描區域布設目标标靶(标靶紙或标靶球),至少布設3個,以便于後續将測站掃描坐标系轉換到測量坐标系。

                     3.獲取精準的現場數據

  掃描站點和标靶布設完成後,将Z+F IMAGER 5010X三維激光掃描儀架設在掃描站點上并進行整平。安置好儀器後,開機設置掃描參數(主要包括分辨率及點雲質量),設置完畢後,按下掃描按鈕然後等待機器掃描,按照一般推薦模式單站約3分鐘20秒即可完成掃描。掃描完成後,可在顯示屏中實時查看點雲數據,對點雲數據獲取不理想區域或局部複雜程度比較高的區域,可調整局部掃描級别重新進行局部掃描。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造的原始點雲圖展示

原始點雲圖

                        4.點雲數據的去噪

掃描取得的原始點雲數據還需要進行一系列處理工作,才能交付給設計人員使用。根據現場的掃描對象複雜程度不同,掃描過程中外界環境因素對掃描目标會造成阻擋和遮掩,如移動的車輛、行人和樹木的遮擋,以及實體本身的反射特性不均勻等,導緻最終獲取的點雲數據可能包含不穩定點和噪聲點,隻有把這些噪聲點去除後,才可以繼續進行其他的操作,有助于後續建模。這個過程稱為點雲數據去噪或點雲的過濾。應用軟件的去噪模塊能去除灰塵噪點,移動的物體等。最終得到需要的點雲數據。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造中的去噪前後對比成果展示

去噪前後對比

                    5.點雲數據的簡化與分割

根據現場的掃描對象的複雜程度不同,掃描得到的點雲數據大小差别很大,對範圍較大且組成複雜的現場來說,掃描得到的點雲往往很大,數以億計的點,會影響軟件的運轉速度,各種處理軟件都提供了若幹種數據化簡的功能,如剔除植被功能,空間點過濾功能等,經簡化處理可大大減少數據量,為後處理提供方便。

對較大的項目來說,後期處理一般需要配備較多的人員參與模型重建工作,這樣需要把整體的點雲數據進行規範化的切割分塊,交由每個人員協同工作,以提高了模型重建的效率,加快模型重建速度。

            (二)數據應用

                      1.工程測量、制作二維工程圖

傳統繪制圖紙需要在AutoCAD/Revit等軟件中進行手動建模,但效率往往過低,應用InfiPoints能針對點雲進行實際測量,并能夠截取指定截面繪制2D工程圖,繪制的圖紙可以進行2D、3D混合顯示,最終我們可以導出DWG/IFC格式的工程圖紙。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造中的數據應用的工程圖紙展示

工程圖紙

                           2.點雲的裁剪

應用InfiPoints能删除指定點雲設備,并導入CAD模型實現設備的虛拟裝配。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造中的設備的點雲裁剪展示

設備點雲

                         3.實時幹涉檢查

在新老設備更換時,在InfiPoints中設置好模型的移動軌迹後,當模型與點雲碰撞時,應用InfiPoints能檢測出幹涉狀态并停止模型移動,實現安裝路徑的規劃。在虛拟環境中規劃更換設備能大大提高前期的設計效率,避免大量的往返現場造成的時間浪費。同時還能檢查設備的檢修空間是否充份。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造中的實時幹涉檢查展示

實時幹涉檢查

                            4.管道與平面的自動重建

手動提取管道往往需要數月時間,應用InfiPoints能在幾分鐘内自動識别提取點雲中的管道、平面,極大縮短了項目開發周期。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造中的管道與平面的模型重建展示

模型重建

                              5.生成漫遊視頻與VR展示

按照設定軌迹生成漫遊視頻以便與提交客戶或上級審核。同時可與前沿的VR技術直接結合,可以簡單快捷的面向上級進行彙報,提升展示的真實感,增強交流與互動。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造中的形成漫遊視頻與VR展示

                                6.導出到設計軟件,與BIM對接

處理好的數據,可以導出成dwg、dxf格式到Autocad中進行項目設計,也可導出管道的中軸線、管道到Auto plantCAD中,IFC格式到RevitBIM軟件中。縮短項目開發周期。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造中導出到設計軟件與BIM對接

BIM模型

                         7.建立廠區三維管理系統

以三維激光掃描技術為主的改造設計,為設計工作提供基礎數據資料,也為後續運營、維護和管理提供很好的數據基礎平台。随着三維激光掃描技術的不斷發展,将同步采集的高精度點雲及高分辨率影像數據與地理信息技術相結合,這在國内外工廠開發和運營管理中具有廣泛的用途。

三維激光掃描儀在工廠改造中的應用,工廠改造需要用到的三維掃描儀,工廠改造中的建立廠區三維管理系統,整體三維模型的展示圖

整體三維模型

四、方案優勢

工業廠房三維模型的構建需要真實的三維空間數據,如地物的平面位置、幾何尺寸、高度等數據。長期以來工業廠房的竣工測繪、三維建模和重構工作,大多用傳統的測繪儀器來獲取廠房的空間幾何數據,由于傳統測量儀器、方法的局限性,使獲得的測量數據精度低、現實性差,不能精準表達廠房結構的空間幾何及相關構件的屬性信息。三維激光掃描技術能很好解決這一難題, 通過提高對現場關鍵數據獲取的精準程度來促進工廠改建質量的提升,。再應用高效的點雲處理平台以一種全新的設計模式進行工廠的改擴建設計。在此模式下做出的設計能夠很好的保證設計質量并縮短設計周期,準确的現狀模型能夠做到對材料的準确控制,大大降低了施工過程中的返工。

三維激光掃描,颠覆了傳統的量測方法,并且精度得到很大的提高,短時間内幫助設計人員進行設計方案的制定,并在現有管道設備模型的基礎進行合理的改擴建設計,許多設計問題在設計的初始階段就得到解決,大大提高了工作效率及設計質量。國外研究的數據顯示:傳統模式下所做的改擴建設計,由于對現場狀況不明,所造成的返工及材料浪費占到項目總投資的10%,使用三維激光掃描技術前期進行掃描,在投入1%一2%的基礎上,可以使返工及材料浪費降低到1%,經濟效益非常顯著。

在國内,這一設計模式還比較新穎,應用的深度和廣度都很不夠,但是三維掃描技術提供的三維現狀模型不僅為改擴建等設計提供了便利,也為後續的工廠運營維護管理提供很好的數據基礎平台,這一技術必定會為各方帶來巨大的經濟效益。

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