李少旭

(石家莊職業(yè)技術學院 建筑工程系,河北 石家莊 050081)

目前,我國風力發(fā)電技術發(fā)展迅速,風力發(fā)電機的單機容量和地域裝機數(shù)量逐年遞增.2009年,中國的新裝機容量已位居全球第一,總裝機量居全球第二.但我國風機的正常工作時間和發(fā)電量都和裝機容量不成比例,因此,開展風機可靠性研究,提高風機的安全性,減少故障率和維修成本刻不容緩[1].如風力發(fā)電機塔筒的垂直度檢測是風力發(fā)電廠日常運營維護中一項非常重要的工作,風力發(fā)電機塔筒在運行過程中,由于長期往復的循環(huán)荷載及外力影響,會造成塔筒底部地基變松,塔身發(fā)生自上而下的傾斜和彎曲,最終可能導致風力發(fā)電機塔筒傾倒.

為預防此類安全事故的發(fā)生,減少國家財產(chǎn)損失,需對風力發(fā)電機塔筒的垂直度進行定期安全檢測.通常情況下,風力發(fā)電機塔筒的垂直度安全檢測大多依靠全站儀進行測量,此種測量方法效率低,且受風力發(fā)電機晃動影響,測量結果不夠精準.近年來,隨著三維掃描技術的發(fā)展,給風力發(fā)電機塔筒垂直度檢測指出了新的方向.三維掃描技術利用激光測距的原理,通過記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息,可快速復建出被測物體的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)[2].三維掃描技術的巨大優(yōu)勢在于可以快速掃描被測物體,且不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)[3].受建筑造型復雜、間距有限的影響,傳統(tǒng)測量方式效率較低.采用基于視覺跟蹤拼接和自由設站的三維激光掃描技術,獲取高密度的建筑點云,利用掃描的點云提取建筑條件點、高度和輪廓線,與傳統(tǒng)測量方式相比,點位平面、高程、邊長精度均符合規(guī)范要求,且內外業(yè)時間僅為傳統(tǒng)測量方式的二分之一,能極大地提高建筑規(guī)劃驗收測量的效率[4].

1 檢測模擬試驗

檢測前,為核準三維掃描儀檢測結果的有效性,以石家莊職業(yè)技術學院崇德樓前旗桿為檢測對象,對比三維掃描儀與全站儀檢測的數(shù)據(jù).

本次實驗垂直度檢測以指南針正南方向為X軸、指南針正西方向為Y軸、規(guī)定垂直于XY平面的向上方向為Z軸,建立相對空間三維直角坐標系,建立坐標系后的檢測旗桿如圖1所示.

圖1 建立坐標系后的待檢測旗桿

其中,平面坐標定設站時測站原點坐標為X=10m,Y=-0.6 m;高程Z取旗桿底座高程為0m.在設定點依次進行三維掃描儀架設、全站儀架設,并分別采集數(shù)據(jù)并進行記錄.

三維掃描儀測得的點云數(shù)據(jù)輸出流程依次為:點云數(shù)據(jù)預處理→點云數(shù)據(jù)配準→點云數(shù)據(jù)去噪→點云分割→點云切片輸出.點云數(shù)據(jù)預處理主要是對冗余數(shù)據(jù)進行處理,如旗幟、旗桿周邊建筑物等.經(jīng)檢測,本次點云配準誤差呈正態(tài)分布,說明本次采集的點云數(shù)據(jù)質量和配準精度均較高,能夠滿足本項目的測量精度要求.點云數(shù)據(jù)配準完成后,對點云數(shù)據(jù)進行冗余數(shù)據(jù)去噪、拼接.點云數(shù)據(jù)拼接完成后檢查其完整性,查驗點云數(shù)據(jù)分層度,進行精度分析,剔除偏差較大不能作為依據(jù)的點云數(shù)據(jù)后,根據(jù)真實有序的離散點對旗桿進行整體模型構建,并依據(jù)旗桿受風力作用下形成的不規(guī)則點云塊,將點云進行分割、切片,針對測量各類圖件的不同需求,通過直接取線、切片等方法制作成果圖件,可更大程度上降低測量誤差[5].以點云切片的最遠點作為旗桿晃動的最不利點,切得旗桿底部點云坐標、旗桿頂部點云坐標,并依據(jù)旗桿頂部與底部坐標的誤差,輸出旗桿頂?shù)钠浦?

全站儀則采用常規(guī)測量方式,但由于旗桿底部坐標為測量精確值,而旗桿頂部坐標受風力影響,為預估預判值,采用平均值法進行處理.取全站儀三次的測量數(shù)據(jù),并取三次測量的均值,旗桿頂偏移值.掃描儀與全站儀測得的旗桿頂偏移值見表1-2.

表1 掃描儀測得的旗桿頂偏移值

表2 全站儀測得的旗桿頂偏移值

由表1-2數(shù)據(jù)可知,全站儀測量均值X方向偏移為2.23 mm,Y方向偏移為53.93 mm.而掃描儀測得的點云數(shù)據(jù)X方向偏移為2.60 mm,Y方向偏移為80.74 mm,測得值大于全站儀測量均值.實驗表明,掃描儀得出的旗桿實際偏移值大于全站儀預估預判的測量均值,若以全站儀測量均值作為旗桿頂偏移值,數(shù)據(jù)并不精準,不能實際反映旗桿頂偏移最不利點距離.故在風力發(fā)電機塔筒垂直度的檢測中采用三維掃描儀點云數(shù)據(jù)判斷偏移值是很有必要的.

2 實測區(qū)域概況

柏鄉(xiāng)風力發(fā)電廠位于河北省柏鄉(xiāng)縣,趙辛線鄉(xiāng)道從風場中間穿過,風場風機等大型設備運輸較為便利,本工程總裝機容量為50 MW,共安裝25臺單機容量為2 MW風電機組,風電機塔筒高度為80～100 m不等,建筑共占地5 500 m2.該處風力發(fā)電機塔筒的垂直度檢測是風力發(fā)電機組日常運營維護非常重要的一個環(huán)節(jié),為了提高日常檢測數(shù)據(jù)處理的工作效率,提高檢測精度,本次數(shù)據(jù)采集時采用了三維掃描技術,在進行點云切片數(shù)據(jù)處理時,采用了圓柱體擬合算法,以減少人工干預,使輸出成果更加高效、快速、準確.

3 三維掃描技術檢測三維直角坐標系建立

本次風力發(fā)電機塔筒垂直度檢測涉及到的所有風力發(fā)電機,均以指南針正北方向為X軸、指南針正東方向為Y軸、規(guī)定垂直于XY平面向上方向為Z軸,建立相對空間三維直角坐標系.其中平面坐標假定設站時測站原點坐標為X=150 m,Y=150 m;高程Z取風機塔筒底部剖面高程為0 m.

4 儀器檢驗

本次檢測使用FAR(Laser Scanner Focus)三維激光掃描儀進行點云數(shù)據(jù)采集.儀器在使用前,進行通電和測距檢驗等,結果表明,掃描儀各部件及其附屬設備匹配、齊全,儀器各指示燈工作正常,各按鍵及系統(tǒng)顯示正常,開機自檢程序運行正常,自動調平程序正常,數(shù)據(jù)存儲正常,數(shù)據(jù)傳輸正常,內置電子羅盤工作正常.在進行開關機作業(yè)及初步調平測試后,核準設備可以投入該項目使用.

5 點云數(shù)據(jù)采集

5.1 檢測精度查詢

點云數(shù)據(jù)采集前,首先應核準被測建筑物檢測精度及傾斜允許最大值,本項目風機建筑物結構安全等級為二級.根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》要求,確定本次風力發(fā)電機塔筒垂直度檢測精度等級為二等.項目風力發(fā)電機塔筒高度為100 m左右,根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》中的相關規(guī)定,其整體傾斜允許值≤2.5‰.

5.2 布置檢測方案

風力發(fā)電機塔筒垂直度檢測采用三維掃描儀進行點云數(shù)據(jù)采集雖可通過切片得出最外側偏移點,但為減小誤差及減輕內業(yè)工作量,外業(yè)檢測時需在風機葉輪緩慢轉動或停止轉動狀態(tài)時進行,采集數(shù)據(jù)時風力應小于四級.

三維掃描儀架設時,應根據(jù)不同的地形特征、被測物高度,選擇適宜的掃描設站點.本次檢測采用全圓四等分軸線對稱設站,站點距離風力發(fā)電機塔筒X方向為150 m,Y方向為150 m.掃描儀架設點與基礎中心點成直角布置,距離基礎外邊緣略大于塔筒高度,使得三維掃描儀能得到100 m高度處風力發(fā)電機塔筒的完整點云,并保證點云數(shù)據(jù)的采集精度.架設完后的三維掃描儀如圖2所示.

圖2 依據(jù)檢測方案架設好的三維掃描儀

5.3 塔筒表面數(shù)據(jù)采集

三維掃描數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)無接觸測量,其數(shù)據(jù)不僅包含點的X,Y,Z空間信息,還包括R,G,B等顏色信息及物體反射強度帶來的不利信息.掃描時,掃描區(qū)域設置為垂直方向從-60°到90°,水平方向從0°到360°,相鄰兩個站點重合度達到40%～50%.每站獲取的塔筒表面點約900萬點,一個完整風力發(fā)電機塔筒點云數(shù)約3 600多萬點,風機塔筒連續(xù)高密度點云真實還原風力發(fā)電機塔筒的各項數(shù)據(jù),點云密度間距可達1 mm,采集精度滿足要求.采集到的風力發(fā)電機塔筒點云部分數(shù)據(jù)如圖3所示.

圖3 采集到的風力發(fā)電機塔筒點云部分數(shù)據(jù)

6 塔筒表面數(shù)據(jù)內業(yè)處理

點云數(shù)據(jù)采集后處理的工作流程調整為:點云數(shù)據(jù)去噪→點云數(shù)據(jù)拼接→點云數(shù)據(jù)降噪→點云數(shù)據(jù)模型整合→點云數(shù)據(jù)模型分割→點云數(shù)據(jù)切片輸出.

風力發(fā)電機塔筒的上下截面點云切片在本項目中被近似為平面圓,垂直度檢測采用的是圓柱體擬合算法,這樣可極大簡化數(shù)據(jù)處理過程.

點云數(shù)據(jù)去噪處理后,雖剪除了其他建筑物對測量的影響,但為使數(shù)據(jù)測量更簡易、更精準,在點云數(shù)據(jù)降噪中,將風力發(fā)電機塔筒扇葉設置為不可見,點云降噪完成后的風力發(fā)電機塔筒的點云數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4 降噪完成后的風力發(fā)電機塔筒點云數(shù)據(jù)

點云拼接后檢查數(shù)據(jù)分層度,進行精度分析,剔除偏差較大的點云數(shù)據(jù)后,將點云進行分割、切片,以點云切片的最遠點作為風力發(fā)電機塔筒晃動的最不利點,切得風力發(fā)電機塔筒頂部點云如圖5所示.

圖5 風力發(fā)電機塔筒頂部點云切片數(shù)據(jù)

將處理后的風力發(fā)電機塔筒點云數(shù)據(jù)擬合到原點坐標為X=150 m,Y=150 m的三維模型中,高程Z取風力發(fā)電機塔筒底部剖面高程為0 m,對齊原點坐標,如圖6所示.

圖6 擬合到原點坐標的風力發(fā)電機塔筒點云數(shù)據(jù)

風機塔筒的垂直度檢測采用圓柱體擬合算法,如圖7所示,在塔筒底部依據(jù)相同的原點構建與塔筒同圓心同半徑的平面圓,進行拉伸后至塔筒頂部,此時可形象地觀察到風機頂部圓心偏差值.

圖7 圓柱體擬合算法中的圓柱構建

三維掃描儀的數(shù)據(jù)處理后,得到的風力發(fā)電機塔筒頂部偏移值見表3-4.該風力發(fā)電機塔筒頂部沿正西方向偏移2 041 mm,沿正北方向偏移88.41 mm,并且該風力發(fā)電機塔筒從塔筒筒2/3處至頂部偏移值逐漸變大,出現(xiàn)了不利位移.但根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》中的相關規(guī)定,該風力發(fā)電機塔筒整體傾斜允許值≤2.5‰,滿足規(guī)范要求,該風機塔筒暫無安全隱患.

表3 風力發(fā)電機塔筒掃描儀頂部數(shù)據(jù)偏移值

表4 三維掃描儀測得的風力發(fā)電機塔筒掃描儀2/3處數(shù)據(jù)偏移值

7 結語

本次檢測利用三維掃描技術,進行點云切片數(shù)據(jù)處理后,采用了圓柱體擬合算法,精確檢測了風力發(fā)電機塔筒頂部及2/3處的位移偏移值,為風力發(fā)電機塔筒垂直度檢測提供了一種更高效、快速、準確的檢測方法,有效地降低了風力發(fā)電機塔筒垂直度檢測的工作量,提升了檢測精度.