激光掃描數(shù)據(jù)在FSO改造設計中的應用

王功凱

摘? ? 要：在某110000DWT油輪改浮式儲卸油裝置（FSO）項目中，利用三維激光掃描與AVEVA 系列三維設計軟件結合使用的方法，實現(xiàn)了管路改造完整的三維建模與圖紙輸出。本文著重介紹了激光掃描數(shù)據(jù)在改造項目設計過程中的應用。

關鍵詞：三維激光掃描;AVEVA 軟件;改造;設計

中圖分類號：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Application of Laser Scanning Data in FSO Conversion Design

WANG Gongkai

（ China Merchants Heavy Industry（Shenzhen）Co.， Ltd.， Shenzhen 518054 ）

Abstract： In the project of converting an 110 000 t oil tanker into a floating storage and Offloading Unit （FSO）， 3D laser scanning combined with the AVEVA series 3D design software is used to realize the complete 3D modeling and drawing output of the pipeline in the system modification. This paper focuses on the application of laser scanning data in the design process of the conversion project.

Key words： 3D laser scanning; AVEVA software; Conversion; Design

1? ? ?前言

為了替換即將退役的某浮式儲卸油裝置（FSO），將一艘110 000 DWT的油船改造成單點浮式儲卸油裝置。該油輪是在2006年1月完工，至2018年計劃改造時船齡已有12年。

由于時間久遠，原船設計數(shù)據(jù)缺失嚴重，無法直接從業(yè)主方獲得原船的管路、電纜布置信息及三維布置模型。此次改造工程量大，改造及新增設備管路布置與原船設備管路、電氣布置有大量交接的地方，需要獲取原船的設備管路、電纜通道等的布置信息才能進行后續(xù)的設計工作。因此，如何獲取原船數(shù)據(jù)是一大難點;如果全部現(xiàn)場測量或現(xiàn)場放樣，工作量巨大也不符合現(xiàn)代修造船的理念;同時，獲取原船數(shù)據(jù)后如何利用這些數(shù)據(jù)在設計周期內(nèi)順利完成設計任務也是一大難點。本文介紹利用三維激光掃描工具配合AVEVA 系列三維設計軟件，圓滿完成將油輪改造成FSO的應用過程。

2? ? 準備工作

高分辨率三維激光掃描儀是現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的主要工具，通過該激光掃描儀可以獲取該站點360°范圍的實景圖像。因為是多站點數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過SCENE軟件的初步處理;而為了滿足三維設計軟件的使用，還需要用FLM軟件對掃描數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)化及定位。

本文所述AVEVA 系列軟件，包含F(xiàn)LM、AVEVA everything3D（簡稱E3D）及AVEVA Marine（簡稱AM）等軟件：FLM是一款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，可以將掃描儀獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成E3D能夠識別的點云數(shù)據(jù)，并參照實船坐標系對點云數(shù)據(jù)進行姿態(tài)調(diào)整及定位;E3D是AVEVA公司在AM基礎上研發(fā)的一款功能強大的三維建模軟件;AM是一款基于數(shù)據(jù)庫的三維建模設計軟件，包含部件庫規(guī)格書、三維建模、圖紙輸出等主要模塊。

E3D的突出優(yōu)勢是可以將激光掃描數(shù)據(jù)處理后作為真實環(huán)境參考，在此基礎上進行改造設計，它沒有船體建模模塊，直接利用激光掃描數(shù)據(jù)作為背景參考，在改造項目的設計方面具有獨特優(yōu)勢，減少了大量的現(xiàn)場勘察、測量等工作;E3D還可以與AM軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，充分利用既有的標準及部件庫，減少了重復工作，提高了設計效率。本項目即利用了E3D這一特點進行數(shù)據(jù)庫管理及圖紙的輸出。

3? ? ?數(shù)據(jù)流程

整體數(shù)據(jù)流程如圖1所示：前面3步是準備工作階段，后面2步正式開始設計工作。

3.1? ?采集數(shù)據(jù)

使用激光三維掃描儀對所需區(qū)域進行站點掃描，獲取該區(qū)域的原始狀態(tài)。這是基本數(shù)據(jù)的最初來源，決定后期設計的背景參照是否清晰明確。需要注意的是，站點的分布及數(shù)量決定了掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，需要進行綜合考慮：站點太多，掃描耗時長，數(shù)據(jù)量大，處理過程復雜;站點太少，處理后數(shù)據(jù)會模糊不清晰，更有可能會缺失相關信息，給設計帶來不利影響。因為掃描數(shù)據(jù)不影響船舶的運行，故可以提前進行。在船舶未進廠之前就可以得到船舶的實際狀態(tài)，減少船舶停產(chǎn)改造時間，縮短改造工期，提高改造效率。

3.2? ?數(shù)據(jù)處理

對采集而來的原始數(shù)據(jù)進行初步處理。由于三維激光掃描是將掃描設備放置到一個個站點得到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大而分散，需要將這些站點數(shù)據(jù)利用相關軟件轉(zhuǎn)換成一個整體的激光掃描數(shù)據(jù)模型。這里需要用到與掃描儀匹配的SCENE軟件，對激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)進行處理和管理。

3.3? ?格式轉(zhuǎn)換

將3.2所得的整體激光數(shù)據(jù)模型導入LFM軟件，轉(zhuǎn)換成標準格式FLD模型，并進行定位設置，以滿足 E3D軟件對激光掃描數(shù)據(jù)的識別。FLM是一款將激光掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成點云數(shù)據(jù)的軟件，可以將激光掃描所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成對應位置的一個個數(shù)據(jù)點。

激光掃描數(shù)據(jù)顯示效果跟照片類似，便于觀察，如圖2所示;轉(zhuǎn)成的點云數(shù)據(jù)是以點陣顯示物體輪廓，可以抓取點來定位，如圖3所示。兩者只是顯示的方式不同，來源于同一個數(shù)據(jù)。

3.4? ?數(shù)據(jù)導入

將轉(zhuǎn)換完成的點云數(shù)據(jù)導入E3D，掃描模型作為改造的真實環(huán)境參考。可以進行碰撞檢查、空間測量等，也可以進行逆向建模，即根據(jù)點云還原原始模型。

3.5? ?生產(chǎn)設計/文件輸出

以激光掃描數(shù)據(jù)作為環(huán)境參考，進行生產(chǎn)設計、管路布置出圖、材料提取、焊點輸出等，圖紙輸出操作也可以利用AM軟件進行。

4? ? 點云數(shù)據(jù)在AVEVA軟件中的應用

4.1? ?點云數(shù)據(jù)的準確定位

進行生產(chǎn)設計之前，要確保導入激光掃描數(shù)據(jù)定位準確性，這是非常關鍵的一點。本項目是油船改造為FSO，需要在整個甲板面上進行改造布置。由于甲板面長，假如XZ方向的角度偏差0.5?，造成甲板的高度偏差可能接近1 m，導致輸出的圖紙信息與實際的安裝信息不一致。

在項目實踐中，是在軟件中理論位置建立幾個關鍵的甲板或者艙壁，與激光掃描數(shù)據(jù)的甲板或者艙壁進行比較，如果偏差較大，則需要對激光掃描數(shù)據(jù)進行定位修正，再導入AVEVA E3D檢查。這是一個不斷修正的過程，保證激光掃描數(shù)據(jù)處于準確的船體座標系上。

圖4是經(jīng)過調(diào)整后的點云數(shù)據(jù)，可以看到與理論船體座標系已經(jīng)非常接近。點云數(shù)據(jù)的定位是非常重要的準備工作，特別是長甲板的船型改造項目。

4.2? ?模型的建立

點云數(shù)據(jù)定位之后，就可以進行管系、設備、電氣等模型的建立：

（1）可以實現(xiàn)逆向建模，即由點云數(shù)據(jù)形成的圖像通過三維建模的方法，把原船的管路結構等模擬出來。這種情況主要用于與原船有交接的管路，例如在原船管路上開支管等，都需要將原船管路模擬出來，再進行后續(xù)處理，如圖5所示。

完全的逆向建模實際上不利于提高設計效率，工作量極大，沒有太大的意義。為提高設計效率，一般對起參考作用的點云數(shù)據(jù)不進行逆向建模，直接參考點云數(shù)據(jù)即可;

（2）是設備的布置。油船改為FSO需要增加不少油氣的輸入輸出設備以及輔助安全設備。這里涉及到兩個問題：一個是設備的布置;另一個是設備接口管路的連接。

由于原船是油船，主甲板管路相對集中，甲板空余面積足夠，只需將少量管路調(diào)整移開即可：而布置FSO的油氣設備時，可以直接以點云背景將設備布置在合適的地方，避免后期安裝設備時才發(fā)現(xiàn)干涉造成修改;

對于設備接口管路連接，由于有點云數(shù)據(jù)做背景，可以準確建立設備模型及布置位置，明確接口等信息，進行管路建模，形成完整的三維模型數(shù)據(jù);

（3）是系統(tǒng)建模。油船改為FSO，設備多、系統(tǒng)雜、與原船管路交叉多。如果依賴現(xiàn)場放樣，工作量大且效率低，無法滿足改造時間及船東對于三維設計的要求。甲板惰氣、貨油、泡沫、污油水等系統(tǒng)都存在交叉改造內(nèi)容，一部分拆除，一部分接入新系統(tǒng)，對現(xiàn)場管理要求很高。點云數(shù)據(jù)的應用極大減輕了生產(chǎn)的壓力。

首先，點云數(shù)據(jù)相當于固定了原船的模型數(shù)據(jù)，對于管路復原拆裝起指導作用;而且可以在電腦上對需要拆除的管路提前進行梳理，減輕現(xiàn)場工作的勞動強度;其次，設計方面以導入的點云數(shù)據(jù)為環(huán)境參考，在此基礎上進行各專業(yè)需要進行改造的設計建模。

E3D的交互建模跟AM一樣，各專業(yè)同時進行建模，并可以隨時檢查相關模型與原船管路設備的相對位置關系;跟AM最大的區(qū)別在于：AM是船體專業(yè)先建模，其他各專業(yè)在船體背景上進行生產(chǎn)設計;E3D是沒有船體建模的，點云數(shù)據(jù)就相當于AM的船體背景。這也是E3D的優(yōu)勢所在，因為改造項目很難獲取原船的三維設計數(shù)據(jù)，沒有原船結構數(shù)據(jù)新的設計就只能建立在空中樓閣上，E3D很好的解決了這個難點，這對改造項目的設計是一個極大的提升。利用點云數(shù)據(jù)，結合三維設計軟件，大大提升了生產(chǎn)設計效率，而且修改率保持在5%以下，這是以往改造項目很難達到的成績。圖6為新增管路在點云數(shù)據(jù)中的顯示效果。

4.3? ?圖紙輸出

因為改造工程量大，為提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)設計圖紙需滿足從內(nèi)場零件制作到外場現(xiàn)場安裝的全流程要求，盡量做到所有管子車間預制、外場安裝，減少現(xiàn)場配管;利用E3D與AM的數(shù)據(jù)共享特性，在具有完善定制開發(fā)的AM中實現(xiàn)材料及圖紙的輸出。綜合利用兩者的優(yōu)勢，圓滿完成了改造項目按造船標準出圖的設計工作;利用AM強大的開發(fā)兼容性能，自動提取所有管路焊點并實現(xiàn)焊點的全流程追蹤過程，滿足了FSO項目對焊接質(zhì)量的嚴格控制要求。

5? ? 總結

（1）采用三維激光掃描與AVEVA 系列軟件結合使用的方法，圓滿解決了如何將實船數(shù)據(jù)直接應用到計算機端進行設計的難題;并通過軟件的二次開發(fā)，快捷準確高效的提取管路焊點，滿足FSO特殊需要。實踐表明，這種基于激光三維掃描數(shù)據(jù)的AVEVA E3D軟件進行的生產(chǎn)設計，大大縮短了設計時間，降低了設計難度，減少了大量現(xiàn)場測量工作，減輕了設計人員的勞動強度，提高了設計準確率，降低了修改率，為產(chǎn)品的質(zhì)量提升提供了堅實的基礎。AVEVA E3D與AM數(shù)據(jù)通用的特性，也降低了軟件的使用要求，提高了適用性;

（2）基于激光三維掃描數(shù)據(jù)的處理還有很大的提升空間。比如掃描數(shù)據(jù)的定位問題，由于依靠的是人工定位，多次修正只能提高準確性，但還是有偏差，需要軟件優(yōu)化對掃描數(shù)據(jù)的姿態(tài)調(diào)整，提高數(shù)據(jù)定位的準確性;數(shù)據(jù)的兼容性應該更強，不需要做過多的轉(zhuǎn)換，如果能直接利用激光掃描數(shù)據(jù)進行三維設計，設計師的體驗會更好;

（3）海洋環(huán)境保護的壓力越來越大，脫硫系統(tǒng)改造、壓載水改造、雙燃料系統(tǒng)改造等會持續(xù)引領船舶改造市場。未來的造船修船都將建立在智能化，自動化，數(shù)字化的基礎上，低效重復工作將會被更優(yōu)化的工具取代，先進制造方法將為企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)競爭力打下堅實基礎。

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