■ 邵學(xué)君 龐慶 張志鵬 周寶瓏 齊超

三維激光掃描精密測(cè)量技術(shù)及罐車（箱）自動(dòng)檢定系統(tǒng)研究

■ 邵學(xué)君 龐慶 張志鵬 周寶瓏 齊超

根據(jù)鐵路液體貨物重載運(yùn)輸和計(jì)量檢定的迫切需求，研究三維激光掃描精密測(cè)量技術(shù)及罐車（箱）自動(dòng)檢定系統(tǒng)。通過高準(zhǔn)確度的三維激光掃描儀對(duì)容器內(nèi)壁進(jìn)行三維激光掃描，獲得高密度、高準(zhǔn)確度的罐內(nèi)壁三維坐標(biāo)點(diǎn)云，將點(diǎn)云進(jìn)行去雜、空間置平等預(yù)處理后，進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模、切分，分別計(jì)算出各個(gè)切分塊的體積，最后匯總輸出為容積表。試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際測(cè)量結(jié)果滿足相關(guān)要求，該項(xiàng)目包含6項(xiàng)主要技術(shù)創(chuàng)新，在全國相關(guān)單位得到應(yīng)用，具有重大的社會(huì)效益和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

激光掃描；精密測(cè)量；罐車；罐式集裝箱；檢定

0 引言

我國目前鐵路罐車超過12萬輛，約占鐵路貨車總數(shù)的15%，是我國石油、化工產(chǎn)品、植物油等關(guān)系國計(jì)民生的大宗散裝液體貨物的主要運(yùn)輸工具，也是國家強(qiáng)制檢定的容量計(jì)量器具；罐式集裝箱是日益增多的適合鐵路、公路、水路聯(lián)運(yùn)的新興運(yùn)輸設(shè)備。鐵路罐車和罐式集裝箱（簡稱罐車（箱））在空罐時(shí)經(jīng)過容積檢定，得出容積表——罐體的不同高度和相應(yīng)容積的數(shù)據(jù)表，裝載后根據(jù)容積表、液位、溫度、密度等參數(shù)對(duì)裝載貨物量進(jìn)行計(jì)算，這種方式既是石油等散裝大宗貨物貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，也是鐵路運(yùn)輸部門制定安全裝載量的依據(jù)。

隨著鐵路建設(shè)、裝備及國家物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鐵路貨運(yùn)提速、重載并舉，罐車（箱）制造技術(shù)有了較大發(fā)展。筒體為錐體和錐筒型的罐車已成為罐車發(fā)展的主要方向；罐式集裝箱除圓筒形狀外還有弧板式等復(fù)雜幾何形狀的箱體。罐車（箱）容積檢定目前在國內(nèi)外都主要采用幾何測(cè)量法和容量比較法。幾何測(cè)量法是采用鋼卷尺等計(jì)量器具通過測(cè)量容器的有關(guān)幾何特征值，經(jīng)計(jì)算得出其容積表的方法，一般用于常規(guī)檢定；容量比較法是用高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)量器，通過介質(zhì)與被檢容器進(jìn)行直接比較，經(jīng)過溫度修正求其標(biāo)準(zhǔn)溫度下容積表的方法，一般用于仲裁檢定、科研和新產(chǎn)品容積認(rèn)證，容量比較法試驗(yàn)室見圖1。幾何測(cè)量法操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、人為因素對(duì)測(cè)量誤差影響較大、罐內(nèi)殘余介質(zhì)危害人身安全，并隨著貨運(yùn)重載的需求，筒體結(jié)構(gòu)為錐體和錐筒型的罐車成為主流，采用幾何測(cè)量法測(cè)量不規(guī)則或變形較大的容器時(shí)測(cè)量誤差大，成為其發(fā)展瓶頸；容量比較法準(zhǔn)確度較高，但測(cè)量時(shí)間較長，且需要把被測(cè)容器調(diào)運(yùn)到中國鐵道科學(xué)研究院東郊分院的全國唯一鐵路罐車容積量傳實(shí)驗(yàn)室，無法滿足全國每年2萬余輛罐車和日益增長的罐式集裝箱的容積檢定任務(wù)。

目前，激光測(cè)量儀器用于容積計(jì)量領(lǐng)域的主要是全站儀。在國內(nèi)，全站儀是石油立式儲(chǔ)罐和球形儲(chǔ)罐的容積檢定手段之一，而罐車（箱）相對(duì)于石油立式儲(chǔ)罐、球形儲(chǔ)罐來說容積較小、型號(hào)多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論和實(shí)驗(yàn)都證明全站儀不適用于罐車（箱）容積測(cè)量。

圖1 容量比較法試驗(yàn)室

近年來，德國、美國等發(fā)達(dá)國家嘗試使用三維激光掃描儀來測(cè)量立式儲(chǔ)罐的容積。由于同屬容量計(jì)量領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)有用于罐車（箱）容積測(cè)量的可行性，但三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于罐車（箱）容積測(cè)量的難度要大于應(yīng)用于立式儲(chǔ)罐。首先，立式儲(chǔ)罐的容積遠(yuǎn)大于罐車（箱）的容積，目前，罐車容積最大不超過120 m3，罐式集裝箱容積一般不超過30 m3，立式儲(chǔ)罐最大容積可達(dá)20萬m3，在激光測(cè)距、測(cè)角具有相同誤差而要使容積測(cè)量準(zhǔn)確度不降低的情況下，測(cè)量罐車（箱）容積的難度要遠(yuǎn)大于測(cè)量立式儲(chǔ)罐的難度；其次，罐車（箱）罐壁的材質(zhì)、附件、顏色、光滑程度、干濕程度和罐內(nèi)浮塵等情況比立式儲(chǔ)罐復(fù)雜得多，導(dǎo)致反射率的復(fù)雜性，也給測(cè)量帶來了較大難度。另外，罐車（箱）測(cè)量時(shí)的掃描路徑、數(shù)據(jù)建模及容積計(jì)算等都不同于立式儲(chǔ)罐。

為滿足貿(mào)易結(jié)算和鐵路運(yùn)輸安全對(duì)罐體容積計(jì)量準(zhǔn)確、智能、高效、安全、環(huán)保等方面的需要，研究三維激光掃描精密測(cè)量技術(shù)及罐車（箱）自動(dòng)檢定系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)），提出罐車（箱）容積三維激光掃描測(cè)量方法[1]，設(shè)計(jì)了罐車（箱）容積三維激光掃描自動(dòng)檢定系統(tǒng)，對(duì)獲取點(diǎn)云和處理點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行研究，通過與容量比較法、幾何測(cè)量法等方法進(jìn)行比較分析，對(duì)測(cè)量不確定度、重復(fù)性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 研究內(nèi)容

三維激光掃描技術(shù)的容積測(cè)量在計(jì)量領(lǐng)域的研究應(yīng)用尚處起步階段，對(duì)于容積相對(duì)較小的罐車（箱），為保證容積測(cè)量準(zhǔn)確度需要更高的激光掃描測(cè)距[2]、測(cè)角準(zhǔn)確度；并且受型號(hào)繁多、罐體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、復(fù)雜罐壁情況和罐內(nèi)浮塵等因素的影響，對(duì)激光掃描的要求要高得多，此前還沒有使用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量罐車（箱）容積的先例。

1.1 設(shè)計(jì)開發(fā)

首先，提出罐車（箱）容積三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即通過采用激光對(duì)罐車（箱）內(nèi)壁進(jìn)行三維掃描，獲得高密度、高準(zhǔn)確度的罐壁三維坐標(biāo)點(diǎn)集（點(diǎn)云），通過將點(diǎn)云去雜、平滑、修補(bǔ)、精簡后，進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模[3]、渲染，并計(jì)算出罐體容積，匯總輸出為容積表。

系統(tǒng)包括從獲取數(shù)據(jù)到處理數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)輸出的全過程，由機(jī)電控制模塊、輔助安裝模塊、三維激光掃描模塊和軟件模塊等功能模塊組成，系統(tǒng)框架見圖2。其中，輔助安裝模塊包括全封閉安全外殼裝置和儀器懸掛裝置，解決了儀器便攜操作、倒置應(yīng)用、防塵、防水、防爆問題，消除了作業(yè)人員遭受罐內(nèi)含氧量不足，有毒、有害、腐蝕介質(zhì)對(duì)人身安全造成的危害。機(jī)電控制設(shè)備借助輔助安裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維激光掃描。

三維激光掃描模塊采用激光測(cè)距技術(shù)和精密分度技術(shù)[4]，用激光作為光源進(jìn)行高速電子測(cè)距，基座中的電機(jī)帶動(dòng)主機(jī)在水平方向按照預(yù)定分度緩慢旋轉(zhuǎn)，棱鏡在垂直方向按照預(yù)定分度高速旋轉(zhuǎn)，接收器接收由罐壁反射回來的激光，實(shí)現(xiàn)三維全方位激光掃描[5]。掃描過程中，根據(jù)罐車（箱）的型號(hào)和參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，確定激光在罐內(nèi)壁的掃描順序和采樣密度，規(guī)劃并設(shè)定激光掃描路徑，形成各種適用于不同型號(hào)罐體的標(biāo)準(zhǔn)化掃描路徑。

圖2 系統(tǒng)框架

掃描采用測(cè)距、測(cè)角相結(jié)合的方法，在準(zhǔn)確控制垂直和水平分度的同時(shí)測(cè)距[6]，對(duì)罐體進(jìn)行三維激光掃描，獲得代表罐壁上海量測(cè)量點(diǎn)空間位置的極坐標(biāo)參數(shù)，即高密度、高準(zhǔn)確度的罐內(nèi)壁三維坐標(biāo)點(diǎn)集（點(diǎn)云）[7]。為了利用極坐標(biāo)參數(shù)構(gòu)建出完整的罐體三維空間輪廓及后續(xù)計(jì)算，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取并將讀取后的數(shù)據(jù)（點(diǎn)云）進(jìn)行去雜、空間置平等處理[8]，然后將預(yù)處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間三角網(wǎng)格建模并進(jìn)行模型渲染[9-10]，罐體建模圖見圖3。同時(shí)按參照高度（罐體豎直徑方向）進(jìn)行切分，分別計(jì)算出各個(gè)切分塊的體積，最后匯總輸出為容積表，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件界面見圖4。

1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合考慮激光掃描的不同測(cè)距原理及罐體形狀、材質(zhì)、裝載介質(zhì)、銹蝕程度、干濕表面等不同因素對(duì)三維激光掃描的影響，選取不同型號(hào)罐車（箱）開展容積測(cè)量試驗(yàn)（見圖5）。

圖3 罐體建模圖

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件界面

圖5 現(xiàn)場容積測(cè)量試驗(yàn)

通過試驗(yàn)結(jié)果與準(zhǔn)確度較高的容量比較法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了三維激光掃描法的準(zhǔn)確、可靠；重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法的測(cè)量重復(fù)性較好，將重復(fù)性數(shù)據(jù)用于測(cè)量不確定度評(píng)定，測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為3×10-3，修正因子k=2。抽調(diào)不同罐車（箱），同時(shí)采用三維激光掃描法、容量比較法、幾何測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，抽樣結(jié)果表明三維激光掃描法準(zhǔn)確度優(yōu)于幾何測(cè)量法。試驗(yàn)過程和結(jié)果還表明，項(xiàng)目研究的三維激光掃描法自動(dòng)化程度高、快速、便捷、安全、適應(yīng)性較強(qiáng)，減輕了人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.3 技術(shù)創(chuàng)新

（1）通過三維激光掃描獲取復(fù)雜罐體結(jié)構(gòu)、罐壁情況的容器表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)罐車（箱）容積快速、準(zhǔn)確的現(xiàn)場自動(dòng)測(cè)量，滿足了罐車（箱）的檢定需求，保證鐵路貨物運(yùn)輸安全。

（2）首次提出點(diǎn)云容積DTi計(jì)算方法，在保證準(zhǔn)確度的前提下顯著減少計(jì)算過程、縮短計(jì)算時(shí)間，并能降低對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量的要求，從而降低對(duì)測(cè)量條件的要求。

（3）本項(xiàng)目首次設(shè)計(jì)、開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)化的罐（箱）點(diǎn)云預(yù)處理流程，實(shí)現(xiàn)簡單、規(guī)范、快速的點(diǎn)云預(yù)處理操作。

（4）研究儀器倒置入罐、倒置測(cè)量技術(shù)，研發(fā)儀器倒置懸掛裝置，并采用點(diǎn)云定向技術(shù)，操作人員不必進(jìn)罐，在罐外即可完成對(duì)罐體的掃描。

（5）編寫點(diǎn)云容積計(jì)算軟件，自動(dòng)計(jì)算容積、輸出容積表，完成罐車（箱）檢定。

（6）研究激光掃描儀防塵、防水及防爆技術(shù)，保證人機(jī)及工作現(xiàn)場安全。

2 推廣應(yīng)用及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

自應(yīng)用推廣以來，該研究成果極大促進(jìn)了罐車（箱）等中大容器計(jì)量檢定技術(shù)的發(fā)展；對(duì)國家鐵路罐車容積計(jì)量站及各分站等國家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的技術(shù)進(jìn)步和鐵路運(yùn)輸企業(yè)、鐵路車輛制造（維修）企業(yè)、中石油和中石化等企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益起到了重大的推動(dòng)作用。項(xiàng)目應(yīng)用在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人民財(cái)產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮了重要作用。

該系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、快速、便捷、安全、自動(dòng)化程度高、適應(yīng)性較強(qiáng)的特點(diǎn)。研究成果的推廣應(yīng)用極大地減輕了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，很好地解決了幾何測(cè)量法存在的操作復(fù)雜、測(cè)量結(jié)果易受人為因素影響等問題。同時(shí)，解決了在工作過程中作業(yè)人員及設(shè)備易遭受損害的問題。研究成果使得測(cè)量準(zhǔn)確度大幅提高，測(cè)量不確定度由4×10-3減小到3×10-3（k=2）。該項(xiàng)目已在國家鐵路罐車容積計(jì)量站及各分站等全國范圍內(nèi)鐵路罐車檢定機(jī)構(gòu)推廣應(yīng)用，取得了較好的檢定檢測(cè)收益，得到了用戶的高度評(píng)價(jià)。

罐車（箱）的安全裝載量為容積的83%～95%。鐵路運(yùn)輸企業(yè)通過采用或間接應(yīng)用項(xiàng)目成果，解決了準(zhǔn)確控制安全裝載量的問題；通過點(diǎn)云掌握罐體形變情況，用于罐體安全檢測(cè)，降低安全事故風(fēng)險(xiǎn)，消除眾多造成鐵路沿線環(huán)境污染的隱患；縮短了車輛檢定時(shí)間，提高了車輛周轉(zhuǎn)效率，提升了罐車（箱）的運(yùn)輸能力；提高了全路罐車運(yùn)輸燃油的計(jì)量準(zhǔn)確度，對(duì)增加機(jī)務(wù)段經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。

項(xiàng)目成果為鐵路車輛制造（維修）企業(yè)縮短新造及廠修罐車（箱）出廠時(shí)間，為提高企業(yè)產(chǎn)能等方面打下良好基礎(chǔ)[11]。而且，鐵路車輛制造（維修）企業(yè)可采用罐體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝分析，提高產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)罐車（箱）設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步。

通過該系統(tǒng)而獲得的容積表和充裝量，以其準(zhǔn)確度高、方便快捷等特點(diǎn)贏得了中石油、中石化等企業(yè)的一致認(rèn)可并被推廣應(yīng)用。該測(cè)量結(jié)果為中石油、中石化等企業(yè)減少貨物貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量誤差[12]、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、提升企業(yè)形象作出了突出貢獻(xiàn)。研究成果被中石油、中石化等企業(yè)應(yīng)用推廣的同時(shí)，正逐步在民航、軍隊(duì)、物流等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

3 結(jié)束語

三維激光掃描精密測(cè)量技術(shù)及罐車（箱）自動(dòng)檢定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精密測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，測(cè)量擴(kuò)展不確定度為3×10-3（k=2），較現(xiàn)有規(guī)程要求有較大提高；具有快速、便捷、自動(dòng)化的特點(diǎn)，操作人員無需進(jìn)罐，減小人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)安全性；儀器安全性較好，可實(shí)現(xiàn)多工況復(fù)雜環(huán)境現(xiàn)場測(cè)量。項(xiàng)目在貿(mào)易結(jié)算、鐵路運(yùn)輸安全、國家能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備及罐車（箱）等中大容量容器制造（維修）企業(yè)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)的進(jìn)步方面將發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 宋宏． 地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用分析[J]． 測(cè)繪技術(shù)裝備，2008，10(2)：40-43．

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邵學(xué)君：中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，研究員，北京，100081

龐 慶：中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，工程師，北京，100081

張志鵬：中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，助理研究員，北京，100081

周寶瓏：中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，副研究員，北京，100081

齊 超：中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，研究實(shí)習(xí)員，北京，100081

責(zé)任編輯 盧敏

U272.4

A

1672-061X（2015）02-0091-04

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2011Z009-A）。

所獲獎(jiǎng)項(xiàng)：2014年度中國鐵道學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。