萬青霖，王志超，段碧清，羅 建，李 翯

（中海油信息科技有限公司 北京分公司，北京100029）

經(jīng)過三十多年的發(fā)展，中國海洋石工業(yè)體系已經(jīng)基本建成，海洋石油的開發(fā)工程模式也有了明確的劃分，一般分為“全海式開發(fā)”和“半海半陸式開發(fā)”兩種[1]。為了實(shí)現(xiàn)“半海半陸式開發(fā)”模式，多年來在沿海各地陸續(xù)建造了多個原油處理廠，海上開采的原油經(jīng)海底管線輸入陸地終端，經(jīng)過油水分離加工處理后儲存，再定期進(jìn)行原油外輸。陸地終端作為建設(shè)數(shù)字油田的一個重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)海洋油氣田全生命周期資產(chǎn)完整性管理的必備環(huán)節(jié)，也是未來實(shí)現(xiàn)海上油氣田網(wǎng)絡(luò)化管理、可視化管理、自動化管理乃至智能化管理的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

由于海上油氣田一般采用滾動式開發(fā)的節(jié)奏，陸地終端必然要根據(jù)油氣田的開發(fā)進(jìn)程進(jìn)行必要的改建甚至擴(kuò)建。對于投產(chǎn)時間將近二十年的陸地終端而言，因歷經(jīng)多次的更新改造，終端現(xiàn)狀已與原始設(shè)計資料出現(xiàn)明顯差異，同時因工程設(shè)計文件版本次數(shù)居多、文件控制工作未能有效執(zhí)行、資料歸檔工作還不夠完善，導(dǎo)致設(shè)計改造資料存放凌亂，資料收集、查閱工作不甚理想[2]，僅利用現(xiàn)有收集到的資料、圖紙和文件無法完整、準(zhǔn)確地對陸地終端原油處理廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，只能依靠三維數(shù)字化技術(shù)對陸地終端工程信息進(jìn)行逆向恢復(fù)。

1 三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用設(shè)計研究

目前，三維數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、文物和遺產(chǎn)保護(hù)、建筑、地質(zhì)、采礦、工廠、大型裝備建造等生產(chǎn)領(lǐng)域[3]。根據(jù)不同的行業(yè)特點(diǎn)、針對特定的實(shí)施場所和測量對象，三維數(shù)字化實(shí)施內(nèi)容也會有所側(cè)重，本文將以陸地終端原油處理廠為例，詳細(xì)介紹具體的實(shí)施步驟以及過程控制方法。

1.1 實(shí)地勘察、方案設(shè)計

陸地終端原油處理廠作為海上原油輸入處理的場所，大致可分為廠前區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)和存儲區(qū)，其中生產(chǎn)區(qū)域設(shè)備設(shè)施數(shù)量最多，又可分為熱介質(zhì)區(qū)、污水處理區(qū)、電加熱脫水區(qū)、原油穩(wěn)定區(qū)以及原油計量和外輸區(qū)。年處理能力為一千萬噸的終端處理廠，占地面積約3萬平方米。鑒于測量區(qū)域面積之大，建筑物之多，設(shè)備設(shè)施以及管線排列緊密且錯綜復(fù)雜等原因，在實(shí)施三維數(shù)字化之前需要對其進(jìn)行實(shí)地勘察并制定測量方案。

對終端現(xiàn)場的實(shí)地勘察，首先要結(jié)合現(xiàn)有資料（包括圖紙和文檔），分析終端面積尺度、各個生產(chǎn)區(qū)域、預(yù)計作業(yè)周期、生產(chǎn)安全環(huán)境等因素，重點(diǎn)對管線彎頭區(qū)域、管道設(shè)備接口處、設(shè)備設(shè)施密集區(qū)域、室內(nèi)外連接設(shè)備、大型生產(chǎn)裝置、儲罐等工程設(shè)施的位置、外形、尺寸進(jìn)行詳細(xì)勘察，如果遇見圖紙與實(shí)際勘察不一致的情況時，應(yīng)按照實(shí)際勘察的結(jié)果為準(zhǔn)。與此同時還需要與終端作業(yè)人員取得聯(lián)系，詳細(xì)說明作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)時間、作業(yè)范圍，并征得其認(rèn)可。

三維數(shù)字化工作方案設(shè)計的重點(diǎn)是確定掃描站點(diǎn)以及標(biāo)靶的布放位置，科學(xué)的設(shè)置掃描站點(diǎn)、使掃描儀器在有效范圍內(nèi)發(fā)揮其最大功效，可以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量、提升配準(zhǔn)精度、減少作業(yè)時間、避免重復(fù)掃描、保證數(shù)字化工作順利進(jìn)行。陸地終端由于面積較大，設(shè)備和配管較多，對整個陸地終端實(shí)施數(shù)字化不僅需要建立單個物體的三維模型，還要確定各構(gòu)筑物、設(shè)備設(shè)施之間的相對位置關(guān)系。為此，綜合考慮施工效率和測量精度兩方面因素，測量方案需要涉及兩個方面的工作，一方面使用三維激光掃描儀對單個生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行推進(jìn)式掃描，推進(jìn)過程中注意設(shè)備管線情況，對管線交叉、遮擋位置需單獨(dú)布站掃描，最終對掃描區(qū)域形成一個完整的閉環(huán)，并確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)對掃描區(qū)域全覆蓋；另一方面需要用全站儀控制兩個掃描區(qū)域的配準(zhǔn)精度，來保證點(diǎn)云的有效性，兩項工作同步進(jìn)行。具體過程如下：

1)通過實(shí)地勘察、熟悉陸地終端處理廠各主要區(qū)域、連接通道、標(biāo)志性構(gòu)筑物、管線及管廊架走向等實(shí)際情況。

2)根據(jù)圖紙資料結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地勘察情況，大致確定三維激光掃描儀的站點(diǎn)擺放位置。因圖紙資料只能反映平面信息，在實(shí)際工作中，要根據(jù)被測物體的空間立體信息靈活調(diào)整或增設(shè)掃描站點(diǎn)的位置和數(shù)量。

3)根據(jù)掃描站點(diǎn)位置確定標(biāo)靶的位置，利用標(biāo)靶作為控制被測物體之間相對位置關(guān)系的同名點(diǎn)。確保兩個掃描站點(diǎn)之間公共標(biāo)靶的數(shù)量保持在3個以上，如精度要求較高可相應(yīng)增加公共標(biāo)靶數(shù)量和對掃描站點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)加密（如圖一所示，三角形表示設(shè)計的標(biāo)靶的位置）。

4)不同區(qū)域間的拼接一般由全站儀配合完成。方法為：在陸地終端被測區(qū)域內(nèi)布設(shè)導(dǎo)線，設(shè)定圖中M1、M2為已知控制點(diǎn)，測出各導(dǎo)線點(diǎn)的坐標(biāo)及高程，再由導(dǎo)線點(diǎn)測出圖中標(biāo)靶位置。一般我們只測量4個標(biāo)靶位置就可以，為保證拼接精度和質(zhì)量，我們選取1、3、5、9 4個標(biāo)靶進(jìn)行測量，選取原則為4個標(biāo)靶連線能夠把掃描區(qū)域基本包括。數(shù)據(jù)為標(biāo)靶的坐標(biāo)位置和高程。（如圖2所示，黑色圓圈表示導(dǎo)線點(diǎn)）

5)用三維激光掃描儀對被測區(qū)域進(jìn)行激光掃描。

6)在點(diǎn)云中將標(biāo)靶位置找出，用掃描儀定位并命名，同時將標(biāo)靶位置和名稱繪制在掃描區(qū)域草圖里，涉及到兩個生產(chǎn)區(qū)域的連接標(biāo)靶，要使用全站儀定位，保障配準(zhǔn)精度。

7)利用掃描標(biāo)靶的位置坐標(biāo)，將激光掃描儀獲得的所有單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體拼接，進(jìn)而獲得整個陸地終端的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 站點(diǎn)架設(shè)、標(biāo)靶位置設(shè)計

在設(shè)計方案確定的掃描站點(diǎn)位置上架設(shè)三維激光掃描儀，架設(shè)原則是要確保掃描儀器與被測物體之間通視，實(shí)現(xiàn)“可見即可掃”。同時也要控制好掃描儀與被測物體之間的距離和角度，根據(jù)掃描儀的自身性能和設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行合理的架設(shè)。掃描儀安裝固定后，需要將儀器基座調(diào)整至水平位置，可以通過基座三點(diǎn)升降調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行操作。

圖1 掃描標(biāo)靶位置設(shè)計圖Fig.1 Target location which used for scanning

圖2 導(dǎo)線點(diǎn)、控制點(diǎn)位置設(shè)計圖Fig.2 The location of guide line points and control points

掃描標(biāo)靶作為一種特殊的標(biāo)記，能夠被掃描儀器識別，并被記錄下空間坐標(biāo)值。標(biāo)靶種類一般可分為黑白標(biāo)靶、球形標(biāo)靶和圓形標(biāo)靶。掃描站點(diǎn)位置確定了掃描標(biāo)靶的位置，標(biāo)靶應(yīng)該放置在兩個相鄰站點(diǎn)之間的重疊區(qū)域內(nèi)，重疊區(qū)域應(yīng)布置3個或以上數(shù)量的標(biāo)靶，標(biāo)靶相互之間的空間位置關(guān)系應(yīng)避免處在條直線上，如需要布設(shè)第四或第五個標(biāo)靶，則其位置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離三角平面的法線方向。標(biāo)靶平面應(yīng)與現(xiàn)站點(diǎn)儀器的激光光源方向保持基本垂直，標(biāo)靶位置還應(yīng)同時滿足現(xiàn)站點(diǎn)和下一站點(diǎn)的通視。

1.3 掃描作業(yè)過程設(shè)置

三維激光掃描儀目前大致可分為兩種工作模式，一種是連機(jī)掃描、一種是脫機(jī)掃描，兩種工作模式各具優(yōu)勢。隨著掃描技術(shù)的進(jìn)步，目前使用較為普及的主流機(jī)型如徠卡C10地面掃描儀，此儀器即可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)掃描，又能支持連機(jī)掃描，能夠適用于不同的掃描環(huán)境和技術(shù)要求，很大程度的提高了現(xiàn)場掃描的工作效率。在實(shí)際掃描工作中，如果環(huán)境條件允許，建議采用連機(jī)掃描的方式，以實(shí)現(xiàn)對掃描數(shù)據(jù)的實(shí)時拼接配準(zhǔn)和過程質(zhì)量控制。

三維激光掃描儀與計算機(jī)通過局域網(wǎng)線連接，手動設(shè)置IP地址構(gòu)建掃描儀與計算機(jī)之間局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。利用cyclone軟件設(shè)置添加數(shù)據(jù)庫，確定數(shù)據(jù)最后存儲的位置，并建立project名稱（如圖3所示）。通過掃描軟件連接并控制激光掃描儀，在軟件設(shè)置功能模塊，設(shè)置掃描范圍、掃描點(diǎn)云間隔密度、掃描在水平和垂直方向的點(diǎn)數(shù)等參數(shù) （如圖4所示），設(shè)置完畢開始進(jìn)行激光掃描工作。單個站掃描工作完成后，應(yīng)檢查獲取的點(diǎn)云情況，如發(fā)現(xiàn)局域點(diǎn)云掃描缺失，應(yīng)在站點(diǎn)原位重新掃描，直至獲得符合技術(shù)要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時在作業(yè)過程中，還要做好換站工作，換站前應(yīng)先關(guān)機(jī)，并斷開局域網(wǎng)連接線，新站點(diǎn)的架設(shè)方法與掃描操作與前站相同。此外，對現(xiàn)場的作業(yè)布局也要做好記錄，例如場地平面布置簡略圖、站點(diǎn)名、站點(diǎn)位置及數(shù)量、標(biāo)靶名、標(biāo)靶位置及數(shù)量等信息都需要準(zhǔn)確記錄。

圖3 設(shè)置掃描項目Fig.3 Setting scanning project

圖4 設(shè)置掃描參數(shù)Fig.4 Setting scanning parameters

現(xiàn)場拍攝作為掃描作業(yè)的輔助手段，與掃描作業(yè)同步進(jìn)行。因陸地終端原油處理廠設(shè)備設(shè)施種類繁多、管線與構(gòu)筑物相互穿插、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分區(qū)域人員設(shè)備無法穿越，也有的區(qū)域因存在風(fēng)險隱患無法在預(yù)設(shè)位置架設(shè)掃描站，因此必須結(jié)合使用影像的方式對三維掃描信息缺失的部分進(jìn)行補(bǔ)充。對于終端現(xiàn)場和設(shè)備設(shè)施應(yīng)采用多角度進(jìn)行拍攝，按照觀察的先后次序，將設(shè)施及其管線的進(jìn)出走向表現(xiàn)出來。并且按照場景、設(shè)施的分類，正確的建立影像文件目錄，做到層次分明、便于查閱和檢索。影像分辨率不應(yīng)低于1 000萬像素、建議使用較大的景深，不宜使用機(jī)內(nèi)閃光燈，文件格式最終以JPEG提交。

1.4 配準(zhǔn)計算、質(zhì)量控制

使用連機(jī)掃描工作模式具有獨(dú)特的自身優(yōu)勢，在設(shè)備多管線密集的情況下，可以用掃描軟件在計算機(jī)中觀察點(diǎn)云，直接找到標(biāo)靶位置，并用掃描儀定位。而標(biāo)靶的位置也可以放到距掃描儀較遠(yuǎn)且標(biāo)靶位置擺放需要精準(zhǔn)的位置，同時在掃描單站完成后可以在現(xiàn)場立即進(jìn)行拼接計算，避免現(xiàn)場其他施工人員誤動標(biāo)靶，導(dǎo)致標(biāo)靶失效問題[4]。通過掃描期間對單站或正在進(jìn)行的掃描結(jié)果進(jìn)行直觀的檢查，判斷點(diǎn)云質(zhì)量是否滿足后續(xù)處理（如量測、建模、計算）的要求。同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對掃描數(shù)據(jù)的實(shí)時配準(zhǔn)，檢查并控制掃描誤差，在作業(yè)過程中貫穿執(zhí)行質(zhì)量控制。

在站點(diǎn)配準(zhǔn)計算中，根據(jù)《石油化工生產(chǎn)設(shè)施逆向工程三維激光掃描作業(yè)規(guī)范》的要求，應(yīng)將站點(diǎn)之間有效同名點(diǎn)配準(zhǔn)誤差控制在5 mm之內(nèi)（如圖5所示），對于配準(zhǔn)超過5 mm誤差的有效同名點(diǎn)可以通過降低其的配準(zhǔn)權(quán)重，或在保障兩個站點(diǎn)配準(zhǔn)至少擁有3個有效同名點(diǎn)的情況下，刪除第4或第5個誤差較大的有效同名點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)配準(zhǔn)誤差過大，超過可控范圍，則需要進(jìn)行原因分析，找出導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的因素，發(fā)現(xiàn)問題及時整改。采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施，在原掃描站點(diǎn)進(jìn)行重新掃描，或者調(diào)整原掃描站點(diǎn)布置方案、添加增設(shè)新的掃描站點(diǎn)，直至將誤差控制在5 mm之內(nèi)。通過上述控制措施，在作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)的實(shí)時配準(zhǔn)，有效地加強(qiáng)了對掃描數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量的控制，在整體上提高了陸地終端數(shù)字化工作的準(zhǔn)確性。

圖5 配準(zhǔn)誤差計算統(tǒng)計Fig.5 Calculation of registration error

2 三維數(shù)字化成果與建模技術(shù)應(yīng)用設(shè)計研究

三維數(shù)字化技術(shù)獲取的成果主要以點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件的形式存放，需要用專用軟件來讀取、運(yùn)行和處理，在石油化工領(lǐng)域主要使用cyclone軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。獲取陸地終端完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，意味著三維數(shù)字化工作完成了一個階段，下一步就是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對缺失的工程信息進(jìn)行逆向恢復(fù)。

目前在工業(yè)設(shè)計中，三維建模技術(shù)主要使用PDMS、PDS、SPF、AUTOCAD、Smart 3D 等工程設(shè)計軟件[5]。 在陸地終端數(shù)字化工作中，需要涉及多專業(yè)、多軟件、多工具聯(lián)合使用。一般工作流程是先利用三位建模技術(shù)根據(jù)現(xiàn)有的工程資料，包括設(shè)計文件、設(shè)計圖紙、P&ID圖等進(jìn)行正向建模，形成基于圖紙資料的正向模型。因前文所述圖紙資料缺失、不全等原因，正向模型會與陸地終端實(shí)際狀況存在較大的差異。此時，需要在三維建摸工程軟件中導(dǎo)入三維掃描的成果即點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將正向模型與逆向點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型比對。如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型與正向模型空間位置、尺寸相符合，則直接保留正向模型；如果正向模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)比對時出現(xiàn)較大差異，比如正向模型中有此設(shè)備裝置但點(diǎn)云數(shù)據(jù)中沒有，或者某設(shè)備裝置在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在但正向模型中無此設(shè)備。對此情況，則需要完全清除差異部分的正向模型，根據(jù)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場差異處照片進(jìn)行逆向建模，恢復(fù)工程信息[6]。通過正逆向建模相結(jié)合的方式，完成整個陸地終端的三維工程模型。

在正逆向結(jié)合建模過程中，最初也最為重要的一個環(huán)節(jié)就是找準(zhǔn)正向模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型的匹配坐標(biāo)點(diǎn)。通過共同的坐標(biāo)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)正向模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處于同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)。具體操作過程如下：

1)在正向模型中先選取一個參照物，參照物的選取原則：一般選取正向建模模型和點(diǎn)云中共有的設(shè)備，該設(shè)備在坐標(biāo)系統(tǒng)中有明確的位置，即X、Y、Z方向的坐標(biāo)都應(yīng)較為明確和準(zhǔn)確。該設(shè)備最好是垂直地面的大型柱型設(shè)備，可以是大型設(shè)備設(shè)施也可以是標(biāo)志性構(gòu)筑物。

2)提取正向模型參照物的中心點(diǎn)或者主結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)的坐標(biāo)值，記錄并保存為預(yù)設(shè)坐標(biāo)值。

3)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型中，找到與正向模型相同的參照物，本文以陸地終端儲罐設(shè)施為例進(jìn)行說明（如圖6所示）。

圖6 儲罐點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.6 Point cloud data of storage tanks

4)利用cyclone軟件對儲罐點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，先生成儲罐的實(shí)物模型，再利用測量工具捕捉到儲罐模型的中心點(diǎn)。

5)在cyclone軟件中，將儲罐中心點(diǎn)的坐標(biāo)值重新定義為正向模型中該設(shè)備中心點(diǎn)的坐標(biāo)值，完成坐標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置，另存點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件（如圖7所示）。

圖7 完成坐標(biāo)設(shè)置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.7 Point cloud which coordinate setting has been completed

6)在三維建模軟件中，導(dǎo)入設(shè)定好坐標(biāo)值的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，完成正向模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型的匹配。

為了確保三維建模軟件能夠識別導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，需要在軟件中安裝必要的插件，針對不同的工程軟件，插件也有所不同，如果使用Smart 3D軟件進(jìn)行建模則需要安裝CADWorx插件。完成上述工序后，則可以在三維建模軟件中實(shí)現(xiàn)正向模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配融合，進(jìn)而開展后續(xù)的逆向建模工作，最終形成陸地終端原油處理廠全部設(shè)備設(shè)施、廠房構(gòu)筑物、原油儲罐、管線管道的三維工程模型，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字工廠提供基礎(chǔ)平臺。

3 結(jié)論

本文主要內(nèi)容來自于對陸地終端原油處理廠實(shí)施三維數(shù)字化工作以及多年從事數(shù)字化工作的切實(shí)經(jīng)歷，事實(shí)證明將三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于陸地終端可以有效的促進(jìn)實(shí)現(xiàn)其建成“數(shù)字工廠”的目標(biāo)，成為其工程信息恢復(fù)的不可缺少的技術(shù)手段。特別是實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字成果與三維建模軟件的有效結(jié)合及應(yīng)用后，更是拓展了對陸地終端實(shí)施數(shù)字化的路徑，加快了數(shù)字化工作的步伐。在今后全球數(shù)字化浪潮的趨勢下，從傳統(tǒng)的機(jī)械行業(yè)到新興的信息時代，許多領(lǐng)域都出現(xiàn)了對“實(shí)物數(shù)字化”技術(shù)的強(qiáng)烈需求，三維數(shù)字化技術(shù)也必然將在這種大的環(huán)境背景下，具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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