基于三維激光掃描技術(shù)的焦?fàn)t炭化室爐墻平整度檢測(cè)及應(yīng)用

王雯，阮磊雷(馬鞍山測(cè)繪技術(shù)院有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

焦炭作為鋼鐵工業(yè)的重要原料之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。中國(guó)是傳統(tǒng)的焦炭生產(chǎn)和出口大國(guó)，焦炭是中國(guó)目前為數(shù)不多的常年排名世界第一且有重要影響力的資源型產(chǎn)品。焦炭的生產(chǎn)離不開焦?fàn)t，安全、穩(wěn)定的焦?fàn)t是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)焦炭的重要保障，焦?fàn)t的安全性與穩(wěn)定性涉及各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)與部件。炭化室對(duì)焦炭生產(chǎn)起著重要作用。文章主要闡述利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)不停產(chǎn)的焦?fàn)t炭化室爐墻的平整度進(jìn)行檢測(cè)，探索在傳統(tǒng)檢測(cè)方法之外是否還存在著高效、快捷、全面且準(zhǔn)確的焦?fàn)t炭化室爐墻平整度的檢測(cè)方法。

1 傳統(tǒng)檢測(cè)方法

對(duì)不停產(chǎn)的焦?fàn)t炭化室爐墻進(jìn)行平整度檢測(cè)的傳統(tǒng)方法主要是利用高精度全站儀在距離炭化室門口10～20 m左右的地方架站。測(cè)量人員需穿戴耐溫服、耐溫手套，用防火棉板擋住炭化室門口，手持萬向測(cè)量桿依次測(cè)量炭化室底部坐標(biāo)數(shù)據(jù)，待焦?fàn)t一側(cè)測(cè)量結(jié)束后，迅速搬動(dòng)全站儀至焦?fàn)t另一側(cè)按同樣的方法測(cè)量該側(cè)碳化室底部坐標(biāo)數(shù)據(jù)。此種測(cè)量方法的測(cè)量范圍僅限于炭化室室口底部，炭化室的內(nèi)部中心數(shù)據(jù)無法獲取且作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)。用單臺(tái)全站儀測(cè)量時(shí)往往需要花費(fèi)30 min以上的時(shí)間進(jìn)行來回遷站，同時(shí)測(cè)量人員離炭化室室口較近，高溫及粉塵煤氣大大降低了作業(yè)的安全性。此種測(cè)量方法對(duì)焦?fàn)t本身的傷害也較大，炭化室本身的作用是在隔絕空氣的條件下將煤加熱至1 000 ℃以上，再經(jīng)過干燥、熱解等一系列環(huán)節(jié)制成焦炭，這一過程被稱為高溫?zé)捊埂?/p>

全站儀的作業(yè)時(shí)間往往超過30 min，這會(huì)造成炭化室長(zhǎng)時(shí)間處于空爐狀態(tài)，極易損害炭化室，甚至?xí)?dǎo)致炭化室爐墻開裂等危害焦?fàn)t安全運(yùn)行的結(jié)果。實(shí)際作業(yè)中，生產(chǎn)方也不可能花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)，所以此種方法具有一定的局限性。

2 三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)方法

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，主要指由激光發(fā)射器按一定周期發(fā)射激光脈沖，然后由接收器接收從物體表面反射回來的信號(hào)，通過計(jì)算得到目標(biāo)物的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用傳動(dòng)裝置完成對(duì)目標(biāo)物坐標(biāo)數(shù)據(jù)的全面采集。三維激光掃描儀主要由測(cè)距系統(tǒng)和測(cè)角系統(tǒng)構(gòu)成，通過測(cè)距系統(tǒng)獲取掃描儀至待測(cè)點(diǎn)的距離，通過測(cè)角系統(tǒng)獲取掃描儀至待測(cè)點(diǎn)的水平角和垂直角。利用三角函數(shù)理論計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)如圖1所示。

圖1 利用三角函數(shù)理論計(jì)算得到待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)

設(shè)待測(cè)點(diǎn)的斜距為S，水平角為b，垂直角為a，那么待測(cè)點(diǎn)P的三維坐標(biāo)計(jì)算公式如式(1)所示：

點(diǎn)云是利用掃描儀本身的垂直和水平馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)裝置所獲取的被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，包括色彩、強(qiáng)度等值[1]。炭化室爐墻具有一定的范圍，因此通過全站儀棱鏡測(cè)出的有限空間點(diǎn)難以全面準(zhǔn)確地反映炭化室爐墻的變形情況。三維激光掃描儀具有在短時(shí)間內(nèi)獲取海量空間點(diǎn)云的特點(diǎn)，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于炭化室爐墻平整度檢測(cè)可更加全面地獲取炭化室爐墻的空間形態(tài)，為后續(xù)進(jìn)行精確的分析計(jì)算打下基礎(chǔ)。

3 實(shí)例應(yīng)用

文章闡述的實(shí)例所涉及的焦?fàn)t屬于年產(chǎn)80萬噸焦炭的2×63孔的搗固型焦?fàn)t，該焦?fàn)t于2006年建成并投入生產(chǎn)運(yùn)行，經(jīng)過十幾年的生產(chǎn)運(yùn)行，焦?fàn)t移動(dòng)機(jī)械的運(yùn)行部位與炭化室結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的變化，因此有必要對(duì)移動(dòng)機(jī)械和焦?fàn)t炭化室結(jié)構(gòu)做一次全面的檢測(cè)工作。因移動(dòng)機(jī)械位于室外且環(huán)境條件較好，其檢測(cè)手段較為方便，故文章不再討論。文章主要探究在炭化室不停產(chǎn)、室溫高達(dá)1 200 ℃且爐門打開時(shí)間約為3～6 min的惡劣檢測(cè)環(huán)境下，如何高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)炭化室爐墻在日常生產(chǎn)過程中發(fā)生的變化。

3.1 測(cè)量前準(zhǔn)備

3.1.1 控制測(cè)量

掃描儀本身在掃描過程中會(huì)自動(dòng)建立儀器坐標(biāo)系統(tǒng)，在無特殊要求時(shí)能夠滿足平整度檢測(cè)需求。但考慮到此次測(cè)量采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)會(huì)方便后期計(jì)算，故在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)布置滿足要求的測(cè)量控制網(wǎng)，以現(xiàn)場(chǎng)焦?fàn)t中心線上的兩點(diǎn)為起始點(diǎn)，圍繞焦?fàn)t布設(shè)13個(gè)控制點(diǎn)，采用DJ1型全站儀進(jìn)行四等導(dǎo)線測(cè)量，測(cè)回?cái)?shù)設(shè)定為6測(cè)回，高程采用二等水準(zhǔn)路線布設(shè)以獲得各待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

3.1.2 標(biāo)靶設(shè)定

當(dāng)三維激光掃描儀在一個(gè)掃描站上不能測(cè)量物體的全部而需要在不同位置進(jìn)行測(cè)量或者需要將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到特定的工程坐標(biāo)系中時(shí)，需要布設(shè)標(biāo)靶來進(jìn)行坐標(biāo)系傳遞和轉(zhuǎn)換工作，換言之就是需要布設(shè)公共點(diǎn)。此公共點(diǎn)一般被稱為標(biāo)靶。三維激光掃描儀的公共點(diǎn)往往有三種類型：一為球面標(biāo)靶，二為平面標(biāo)靶，三為公共特征點(diǎn)。本次測(cè)量為精密測(cè)量，球面標(biāo)靶雖傳遞精度高但是布設(shè)麻煩，現(xiàn)場(chǎng)的大型機(jī)械移動(dòng)頻繁，容易碰動(dòng)標(biāo)靶而不易被發(fā)現(xiàn)。另外公共特征點(diǎn)不適用于精密測(cè)量。故本次作業(yè)采用平面標(biāo)靶(棋盤紙)作為三維激光掃描傳遞的公共點(diǎn)。

3.1.3 測(cè)站設(shè)置

此次作業(yè)所使用的焦?fàn)t炭化室室內(nèi)高4.5 m、長(zhǎng)16.0 m、寬0.5 m，炭化室底部距地面5 m左右，常規(guī)架站式三維激光掃描儀的激光器最高達(dá)2.0 m，三維激光掃描儀無法在有效范圍內(nèi)發(fā)揮最大的作用，也無法掃測(cè)炭化室四周。因此科學(xué)地設(shè)置測(cè)站點(diǎn)顯得十分重要。

測(cè)量炭化室前最基本的操作是將炭化室爐門打開并進(jìn)行推焦，這需要用到推焦車，推焦車以電機(jī)驅(qū)動(dòng)，震動(dòng)性較小，穩(wěn)定性高。推焦車駕駛艙的周圈有工作平臺(tái)，其高度滿足架設(shè)三維激光掃描儀的要求。在推焦車完成推焦后，移動(dòng)推焦車使三維激光掃描儀正好處于炭化室中心位置，待整體平穩(wěn)后即可開始作業(yè)。故此次儀器擬擺設(shè)在推焦車駕駛艙的周圈平臺(tái)上。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

野外采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高冗余、誤差分布非線性和不完整等特點(diǎn)。為了保證采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能高效地運(yùn)用于后期平整度的數(shù)據(jù)計(jì)算，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理環(huán)節(jié)就顯得十分重要[2]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云配準(zhǔn)和特征提取這四個(gè)步驟，本次數(shù)據(jù)預(yù)處理采用了美國(guó)天寶公司的Trimble RealWorks軟件，該軟件具有點(diǎn)云影像可視化、點(diǎn)云編輯、點(diǎn)云拼接、影像數(shù)據(jù)點(diǎn)三維空間量測(cè)、空間三維建模、紋理分析和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能。

(1)點(diǎn)云拼接：本次測(cè)量采用標(biāo)靶拼接，其原理為在參與拼接的兩站中尋找共同標(biāo)靶進(jìn)行拼接。進(jìn)行標(biāo)靶拼接之前需利用軟件自動(dòng)或手動(dòng)地提取標(biāo)靶位置，軟件再根據(jù)兩站間相同的標(biāo)靶位置自動(dòng)拼接點(diǎn)云。軟件可自動(dòng)計(jì)算兩站間點(diǎn)云的三維誤差，誤差一般在亞毫米級(jí)別。

(2)點(diǎn)云濾波：點(diǎn)云濾波是對(duì)點(diǎn)云去噪的過程。在野外進(jìn)行掃描操作時(shí)會(huì)不可避免地因被測(cè)物體表面(材質(zhì)、紋理等)，周邊環(huán)境(遮擋物、車輛和行人等)和儀器自身特性(CCD攝影機(jī)的分辨率、掃描設(shè)備的精度)的影響而產(chǎn)生一些噪點(diǎn)。這些噪點(diǎn)將影響特征點(diǎn)提取的精度。點(diǎn)云去噪的方法有兩種，一種是依托點(diǎn)云處理軟件自身的去噪功能進(jìn)行去噪，另一種就是人工干預(yù)，直接將不需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除。

(3)點(diǎn)云配準(zhǔn)：點(diǎn)云配準(zhǔn)是將點(diǎn)云自帶的坐標(biāo)系配準(zhǔn)至項(xiàng)目需要的絕對(duì)坐標(biāo)系中。事先利用全站儀、RTK等采集棋盤紙中心位置坐標(biāo)，在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)測(cè)站附近的棋盤紙進(jìn)行掃測(cè)，根據(jù)測(cè)區(qū)大小均勻地采集任意測(cè)站附近的棋盤紙的坐標(biāo)并保證坐標(biāo)文件中的標(biāo)靶點(diǎn)名稱與從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取的標(biāo)靶點(diǎn)名稱一致。利用點(diǎn)云處理軟件可完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)和采集的棋盤紙坐標(biāo)的配準(zhǔn)過程。

(4)特征提?。禾卣魈崛∈侵柑崛∮糜跔t墻平整度計(jì)算的特征點(diǎn)。一個(gè)焦?fàn)t的掃測(cè)工作少則幾十站，多達(dá)幾百站，數(shù)據(jù)占用的電腦存儲(chǔ)空間往往達(dá)到幾十個(gè)GB。如此龐大的數(shù)據(jù)如果全部納入計(jì)算，一則無法達(dá)到預(yù)期計(jì)算結(jié)果，二則占用很大的電腦運(yùn)行空間，使計(jì)算速度大大降低。提取相應(yīng)的特征點(diǎn)用于指定項(xiàng)目的運(yùn)算大大提高了計(jì)算速度和結(jié)果精度。

3.3 平整度計(jì)算

3.3.1 平整度計(jì)算方法

基于預(yù)處理后獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，任意選取不共線三點(diǎn)求出初始平面方程，進(jìn)而根據(jù)間接平差原理獲得炭化室爐墻的擬合平面方程。由于炭化室內(nèi)部經(jīng)歷了長(zhǎng)年的燃燒，焦炭殘質(zhì)勢(shì)必殘留于炭化室爐墻上，加之炭化室的溫度長(zhǎng)年高達(dá)1 200 ℃，掃測(cè)過程中存在一定的粗差，會(huì)影響爐墻擬合的精度。利用Huber選權(quán)迭代法可減小粗差的影響，獲得較為精確的爐墻擬合平面，2014年李杰等已發(fā)表過相關(guān)論述，文章不再贅述。將擬合的平面作為爐墻平面，計(jì)算點(diǎn)云中各點(diǎn)到該爐墻平面的距離平均值即可得到爐墻平整度。爐墻擬合平面表達(dá)式如公式(2)所示：

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)(xi,yi,zi) (i=1,2,3,…，n)，通過最小二乘法獲得擬合平面,如公式(3)所示：

各點(diǎn)到爐墻擬合平面的距離為：

爐墻的平整度為：

式中：d為炭化室爐墻上的點(diǎn)到爐墻擬合平面的距離；m為炭化室爐墻上的點(diǎn)到爐墻擬合平面的點(diǎn)位中誤差，m越小說明爐墻越平整，反之炭化室爐墻凹凸明顯。

3.3.2 平整度計(jì)算

通過Trimble RealWorks軟件可基于最小二乘法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)平面擬合。具體是利用Trimble RealWorks軟件的自由建模功能，在炭化室爐墻點(diǎn)云中選取三個(gè)點(diǎn)，該三點(diǎn)應(yīng)盡量覆蓋整個(gè)爐墻且最好不共線，進(jìn)而創(chuàng)建并獲得該爐墻的最優(yōu)擬合平面。借助軟件的辦公室測(cè)量功能模塊可計(jì)算炭化室爐墻的點(diǎn)云到擬合平面的距離，并根據(jù)計(jì)算得到的距離值制作等值圖，如圖2所示。

以不同顏色表示不同的距離值，其中藍(lán)色區(qū)域的距離絕對(duì)值最大，為10 mm，品色區(qū)域的距離絕對(duì)值最小，為0 mm。如圖2所示炭化室爐墻的變化情況及變化區(qū)域十分清晰，可為后期進(jìn)行炭化室爐墻維修提供參考。此種方法與之前學(xué)者提出的墻面平整度檢測(cè)方法得到平整情況分布和距離值基本相同，但此種方法從點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理到最終墻面平整度檢測(cè)都在一個(gè)軟件中完成，擺脫了墻面平整度檢測(cè)過程中需將不同階段的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的困擾。傳統(tǒng)的炭化室爐墻平整度檢測(cè)方法僅是使用全站儀在炭化室兩端采集坐標(biāo)來反映炭化室變化情況，無法真實(shí)反映炭化室爐墻內(nèi)部變形情況。三維激光掃描儀可完整采集炭化室爐墻各點(diǎn)的三維激光坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過軟件分析計(jì)算得到爐墻墻面平整情況分布圖和各區(qū)域的數(shù)值，創(chuàng)造出了一種新的炭化室爐墻檢測(cè)方法。

圖2 點(diǎn)云到擬合平面的距離值等值圖

4 結(jié)語

三維激光掃描儀在需要采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的作業(yè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，學(xué)者之前提出的各種墻面平整度檢測(cè)方法無疑給后來學(xué)者提供了大量可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。炭化室爐墻平整度檢測(cè)是墻面平整度檢測(cè)的延伸，不同于普通的墻面平整度檢測(cè)方法，基于三維激光掃描技術(shù)的炭化室爐墻平整度檢測(cè)方法在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集和成果質(zhì)量的驗(yàn)證上更為困難，尤其是需要在焦?fàn)t不停產(chǎn)的狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)。雖然文章闡述的檢測(cè)方法能在焦?fàn)t炭化室不停產(chǎn)狀態(tài)下對(duì)炭化室爐墻進(jìn)行平整度檢測(cè)，成果質(zhì)量也有一定的保證，但如果作業(yè)時(shí)能采用兩臺(tái)三維激光掃描儀在炭化室兩側(cè)同時(shí)開展測(cè)量工作以相互檢測(cè)得到的炭化室爐墻平整度結(jié)果，不失為更佳。