三维激光扫描技术在管道维抢修作业中的应用
利用三维激光扫描技术进行数据采集，设计开发了计算软件对数据进行分析、筛选、计算和结果展示，解决了人工测量计算精度差、效率低的问题，为焊口组对提供了更多的信息，实现了管道换管维抢修作业测量计算自动化、数字化。
关键词： 管道；维抢修；三维激光扫描；测量；精度
1 三维激光扫描测量
三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，即通过对物体空间外形和轮廓进行激光扫描，快速、大范围采集得到物体表面的点云数据（即空间三维坐标数据），并利用相关软件建立物体的实景三维模型[4]。采用激光测量，以主动非接触方式快速获取目标表面的三维空间坐标数据，反映目标实时现状；数据量大，点位精度高[5]。用faro高速三维激光扫描仪扫描换管作业两端管口，基于相位偏移技术，扫描仪持续向外投射不同波长的红外光，接触到对象后反射回到扫描仪，通过测量红外线光波的相位偏移，即可准确判断扫描仪到对象的距离。使用角度编码器测量faro激光扫描仪的镜像旋转和水平旋转，计算各点的x、y、z坐标。用扫描仪scene软件过滤处理两端管口的三维空间数据模型见图 1。
2 下料作业
计算软件自动提取分析三维激光扫描数据，并计算得出最终的下料尺寸及相关数据，管工据此精确完成下料作业。
2.1 计算流程
计算流程见图 2，计算步骤包括：①现场激光扫描管道，获取管道及管口点云数据；②利用scene软件对点云数据进行预处理，包括滤波、剪裁；③计算软件对预处理后的点云数据进行处理分析，特征识别，优化拟合；④获取管道及管口下料参数数据。
2.2 计算软件
大口径管道直管段更换作业计算过程示意见图 3，定义两个端面分别为上游端面（u）和下游端面（d），从端面的点起，按顺时针方向将圆周等分为12份，对应的点位分别为u1、u2、u3…u12和d1、d2、d3…d12。 软件自动计算各位置的距离和偏移量，以表1形式展示。三维坐标轴上的各个偏移分量计算结果如表 2示例。
计算结果主要包括四个方面。
（1）“三维模拟图展示区”直观展示了上游端面、下游端面、预置新管段以及新管段上下游端面错位等。
（2）“数据展示区”分别详细列出了新管预置需要的各组数据，包括新管预制下料尺寸，在线管道上下游端面各点的直线距离，分别按照最长基础长度和最短基础长度计算的预置管上游端面△量和下游端面△量，在线管上下游端面各点在各坐标方位的偏移量，作业管工根据这些数据可以直接在新管段上完成切割线标记。
（3）“端面椭圆参数”展示在线管道上下游端面长轴、短轴以及差值和各自方位，以及上下游端面在各12点方位的直径，作业管工可利用这些信息完成管口矫正，提高焊口组对效率。
（4）“端面平面度及倾斜”提供了在线管道上下游端面各自的点和点值、其方位以及平均值，还提供了平面的y轴、z轴倾斜角度和平面的斜口角度。这些参数可以为管工判断是否需要再次修正在线管道端面提供依据，也可以为判断下管组对的方位提供依据。
3 案例验证
3.1 模拟换管作业
模拟换管作业管道规格：管径1 016 mm、壁厚18 mm、材质x70钢；管道端面情况：一端为标准的30°坡口端面、钝边1～2 mm，另一端为无坡口的平直面；管道两端面间距约2 m。
3.2 三维激光扫描仪
三维激光扫描仪自带坐标系且只需一次扫描，现场无需找水平、找垂直，三角支架固定，安装快速简便，小巧轻便（4.2 kg），单人即可完成操作；配置了触控面板，快速完成扫描参数设置，按下开始按钮启动扫描，旋转一圈即完成扫描，采集的所有数据经处理后储存到存储卡中；无需借助环境照明，对夜间维抢修施工作业尤其重要。
3.3 测试现场应用
现场扫描耗时2分30秒，扫描完成后，scene软件对数据预处理，用时6分30秒。计算软件读取扫描数据后，一键完成分析、提取、计算、建模和展示，自动采点测量建模和数据处理用时2分钟，计算结果见图 4。完成以上各步骤总时长为14分钟，相比人工测量计算缩短了大量时间。
4 计算结果
随后组织经验丰富的管工、焊工和技术员人工实测，测量结果对比见表 3。可以看出，三维激光扫描自动采集测量计算与人工测量差值为﹢0.0  022 m～﹣0.0 005 m，差值为0.0 027 m，数据吻合度较高。
4 结论
（1）利用三维激光扫描技术，设计开发了计算软件，实现了换管维抢修作业测量计算自动化、数字化，提高了效率和精度。
（2）三维激光扫描仪测量精度±1 mm以内，与人工测量差值为﹢0.0 022 m～﹣0.0 005 m，差值为0.0 027 m，满足现场作业测量计算要求，可替代人工测量，避免计算误差以及对人员技能的依赖。
（3）计算软件目前只开放了直管段建模，需开发大口径管道更换弯管、站内复杂管网的更换模型，以适应更复杂的管道维抢修作业工况。