基于三维点云数据的油罐罐顶变形检测
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作者:王驰
摘 要：石油安全关系着一个社会的稳定和人民生活安全，定期检测石油油罐变形情况，是保证油罐安全的重要方法。传统的油罐检测方法存在着检测结果精确度低问题。针对这一问题，提出一种基于三维点与数据的油罐罐顶变形检测方法，并对其云数据的采集以及各参数的计算进行详细的设计。通过实验证明，与传统检测方法相比，新的检测方法的精确度更高，更适用于实际的石油油罐的变形检测。
关键词：三维 点云数据 油罐 变形
油罐是石油化工行业中最常用的存储容器，油罐长时间使用后，会受到其自身材质变性以及外界环境等因素的综合影响，导致油罐的罐顶出现不同程度的几何变形，降低耐压性，对于石化行业的安全生产造成严重的威胁[1]。传统检测方法有径向偏差仪法、光学参比线法等[2]，操作流程复杂，且仪器精密脆弱，较为笨重，机动性较差，检测出的结果精确度较低，因此传统方法应用于对油罐的变形检测尚存在缺陷。为此，设计一种激光三维扫描检测方法，实现油罐罐顶变形量的检测。
1 油罐罐顶变形检测方法设计
储存石油的油罐分为空油罐和在役油罐两种。对于空油罐的罐顶变形检测可以充分利用油罐内部的巨大空间，在油罐中的浮顶板上放置相应的测量仪器，对其罐顶的变形进行检测;而对于在役油罐，即油罐中装有石油的油罐，对其罐顶进行变形检测，处于安全考虑，建立了一种激光三维扫描基于三维点云数据的检测方法[3]。这种检测方法首先是将云数据进行采集再经过适当的处理得到检测结果。
1.1 采集点云数据
在采集油罐罐顶上的点云数据前，详细掌握油罐所在场地内的所有油罐分布及地理位置，并做好检测计划。选取适合检测的测试点以及标靶的位置，让每两个测试点上有足够的重合部分，并且每两个测试点要有4个共同使用的标靶。将检测仪器调节成水平并架设好，在仪器中事先设定好相应的分布率数据以及点云质量信息。
采集油罐罐顶的点云数据可以分为两种方法：一是内测法;二是外测法。内测法是将三维激光扫描仪器放置在油罐的罐底中心位置，通过一次完整的扫描即可获取到所需要的点云数据，这种方法只适用于油罐中没有石油存储，且内部清洁。外测法是将测试点设置在油罐外部，对于油罐中装有石油的油罐同样适用，以此可以完成对油罐罐顶的变形检测。利用外测法测量时需要特别注意测量基点的选择以及点位重复测量的精准匹配问题。
1.2 点云数据的预处理
在采集到的点云数据中包含了油罐罐顶等测量对象周围的点云数据与噪点信息，以此应首先对点云数据进行预处理。预处理的步骤分为拼接、去噪、切片三步。
（1）拼接。运用相关的点云数据处理软件对点云数据的标靶进行标定并拼接。从众多测试点中选出两个相邻的测试点，并对其中共用的4个或4个以上的共用标靶进行标记并拼接在一起，这样做的目的是为了让两个测试点上采集到的点云数据可以共处于一个坐标系中，方便后续的计算。通过这种方法将其他测试点依次进行拼接，最终将所有的测试点获取到的点云坐标都可以转换到一个共同的坐标系中。
（2）去噪。利用点云数据处理软件中的删除功能，对变形检测结果没有帮助的点云数据进行初步的删除处理，再利用该软件中的去噪指令对点云数据中的噪点信息进行消除。
（3）切片。预先设定好切片的剪切平面，对油罐罐顶进行切片处理，以此获取到圈板水平截面以及罐顶的垂直截面的点云数据。需要注意的是在对圈板切片时，要选用较小的高度间隔，通常情况下选用不超过15mm的間隔，以此获取到更多的截面点云数据。研究发现，这种短距离的间隔获取到的数据信息在后续的计算中精确度更高，更能体现出油罐罐顶的三维特征。
1.3 点云数据拟合计算
1.3.1 基圆拟合
油罐罐顶的变形偏差计算需要制定标准的参考数据，通常情况下，油罐的底圈板会受到板焊缝产生的作用力影响，发生变形的程度是整个油罐中最小的，因此将油罐的底圈板作为标准参考。在对油罐罐顶内部进行检测时，由于检测会受到油罐空间上的制约，因此选用起始圈板作为标准。通过采集到的油罐基圆上的点云数据坐标，利用最小二乘法对基圆进行拟合，以此求得相应的拟合圆心以及拟合直径，并将其作为标准参数。
1.3.2 径向偏差值计算
径向偏差值可以通过公式（1）计算得出：
公式（1）中，σ为各圈板的径向偏差值;L为除标准圈板外的其他圈板点云数据到圆心之间的距离;S为标准圈板的点云数据到圆心之间的距离。通过计算得到的σ若为正值，则表示油罐罐顶板壁向外突出;若为负值，则表示油罐罐顶板壁向内凹陷。
1.3.3 椭圆度计算
椭圆度的计算是为了检测油罐罐顶壁板的横向偏差变形情况，实质上是对上文的径向偏差值做进一步推算，其公式表示为：
公式（2）中，α为该油罐罐顶壁板的横向椭圆度;L为该油罐圈板的平均直径大小;Lmax为径向偏差的最大值;Lmin为径向偏差的最小值。
2 实验论证分析
为了验证该文方法的有效性，将其与传统检测方法进行对比实验。实验对象设定为某一体积大小为500m3的油罐，通过测量得出，该油罐的高度约为6.8m，半径约为10m，且油罐罐顶具有6层圈板。利用两种方法对其变形程度进行检测，图1为两种方法的检测结果精确度对比。
从图1可以清晰地看出，该文提出的检测方法精确度明显高于传统检测方法，且该文检测方法的精确度基本维持在90%以上，因此可以说明，该方法更具有实际的应用价值。
3 结语
该文基于三维点云数据，提出了一种新的检测油罐罐顶变形的方法，通过三维激光扫描设备获取到油罐罐顶的相关点云数据，并通过对其基圆、径向偏差以及椭圆度依次进行计算，使得检测的结果更加精确，更加直观地得出油罐罐顶的变形情况，实现对油罐罐顶变形的定量分析及评估。通过实验再次证明了该方法的准确性和可行性。
参考文献
[1] 陈瀚，张思瑾，高见，等.基于多个线激光传感器旋转扫描的铸钢车轮在线三维测量技术[J].中国激光，2019，46（7）：199-205.
[2] 张银，任国全，程子阳，等.三维激光雷达在无人车环境感知中的应用研究[J].激光与光电子学进展，2019，56（13）：9-19.
[3] 徐亚军，谢海荣，袁小军，等.三维激光扫描技术在异型建筑物施工轴线检测中的应用[J].测绘通报，2019（8）：162-164.
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