三維激光掃描精密測量技術及罐車（箱）自動檢定系統研究

■ 邵學君 龐慶 張志鵬 周寶瓏 齊超

三維激光掃描精密測量技術及罐車（箱）自動檢定系統研究

■ 邵學君 龐慶 張志鵬 周寶瓏 齊超

根據鐵路液體貨物重載運輸和計量檢定的迫切需求，研究三維激光掃描精密測量技術及罐車（箱）自動檢定系統。通過高準確度的三維激光掃描儀對容器內壁進行三維激光掃描，獲得高密度、高準確度的罐內壁三維坐標點云，將點云進行去雜、空間置平等預處理后，進行空間三角網格建模、切分，分別計算出各個切分塊的體積，最后匯總輸出為容積表。試驗驗證和實際測量結果滿足相關要求，該項目包含6項主要技術創新，在全國相關單位得到應用，具有重大的社會效益和顯著的經濟效益。

激光掃描；精密測量；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，約占鐵路貨車總數的15%，是我國石油、化工產品、植物油等關系國計民生的大宗散裝液體貨物的主要運輸工具，也是國家強制檢定的容量計量器具；罐式集裝箱是日益增多的適合鐵路、公路、水路聯運的新興運輸設備。鐵路罐車和罐式集裝箱（簡稱罐車（箱））在空罐時經過容積檢定，得出容積表——罐體的不同高度和相應容積的數據表，裝載后根據容積表、液位、溫度、密度等參數對裝載貨物量進行計算，這種方式既是石油等散裝大宗貨物貿易結算的依據，也是鐵路運輸部門制定安全裝載量的依據。

隨著鐵路建設、裝備及國家物流產業的發展，鐵路貨運提速、重載并舉，罐車（箱）制造技術有了較大發展。筒體為錐體和錐筒型的罐車已成為罐車發展的主要方向；罐式集裝箱除圓筒形狀外還有弧板式等復雜幾何形狀的箱體。罐車（箱）容積檢定目前在國內外都主要采用幾何測量法和容量比較法。幾何測量法是采用鋼卷尺等計量器具通過測量容器的有關幾何特征值，經計算得出其容積表的方法，一般用于常規檢定；容量比較法是用高一級標準量器，通過介質與被檢容器進行直接比較，經過溫度修正求其標準溫度下容積表的方法，一般用于仲裁檢定、科研和新產品容積認證，容量比較法試驗室見圖1。幾何測量法操作人員勞動強度大、人為因素對測量誤差影響較大、罐內殘余介質危害人身安全，并隨著貨運重載的需求，筒體結構為錐體和錐筒型的罐車成為主流，采用幾何測量法測量不規則或變形較大的容器時測量誤差大，成為其發展瓶頸；容量比較法準確度較高，但測量時間較長，且需要把被測容器調運到中國鐵道科學研究院東郊分院的全國唯一鐵路罐車容積量傳實驗室，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。

目前，激光測量儀器用于容積計量領域的主要是全站儀。在國內，全站儀是石油立式儲罐和球形儲罐的容積檢定手段之一，而罐車（箱）相對于石油立式儲罐、球形儲罐來說容積較小、型號多樣、結構復雜，理論和實驗都證明全站儀不適用于罐車（箱）容積測量。

圖1 容量比較法試驗室

近年來，德國、美國等發達國家嘗試使用三維激光掃描儀來測量立式儲罐的容積。由于同屬容量計量領域，三維激光掃描技術有用于罐車（箱）容積測量的可行性，但三維激光掃描技術應用于罐車（箱）容積測量的難度要大于應用于立式儲罐。首先，立式儲罐的容積遠大于罐車（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，立式儲罐最大容積可達20萬m3，在激光測距、測角具有相同誤差而要使容積測量準確度不降低的情況下，測量罐車（箱）容積的難度要遠大于測量立式儲罐的難度；其次，罐車（箱）罐壁的材質、附件、顏色、光滑程度、干濕程度和罐內浮塵等情況比立式儲罐復雜得多，導致反射率的復雜性，也給測量帶來了較大難度。另外，罐車（箱）測量時的掃描路徑、數據建模及容積計算等都不同于立式儲罐。

為滿足貿易結算和鐵路運輸安全對罐體容積計量準確、智能、高效、安全、環保等方面的需要，研究三維激光掃描精密測量技術及罐車（箱）自動檢定系統（簡稱系統），提出罐車（箱）容積三維激光掃描測量方法[1]，設計了罐車（箱）容積三維激光掃描自動檢定系統，對獲取點云和處理點云技術進行研究，通過與容量比較法、幾何測量法等方法進行比較分析，對測量不確定度、重復性進行了試驗驗證。

1 研究內容

三維激光掃描技術的容積測量在計量領域的研究應用尚處起步階段，對于容積相對較小的罐車（箱），為保證容積測量準確度需要更高的激光掃描測距[2]、測角準確度；并且受型號繁多、罐體結構復雜、復雜罐壁情況和罐內浮塵等因素的影響，對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測量罐車（箱）容積的先例。

1.1 設計開發

首先，提出罐車（箱）容積三維激光掃描測量系統設計，即通過采用激光對罐車（箱）內壁進行三維掃描，獲得高密度、高準確度的罐壁三維坐標點集（點云），通過將點云去雜、平滑、修補、精簡后，進行空間三角網格建模[3]、渲染，并計算出罐體容積，匯總輸出為容積表。

系統包括從獲取數據到處理數據及數據輸出的全過程，由機電控制模塊、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、倒置應用、防塵、防水、防爆問題，消除了作業人員遭受罐內含氧量不足，有毒、有害、腐蝕介質對人身安全造成的危害。機電控制設備借助輔助安裝機構進行三維激光掃描。

三維激光掃描模塊采用激光測距技術和精密分度技術[4]，用激光作為光源進行高速電子測距，基座中的電機帶動主機在水平方向按照預定分度緩慢旋轉，棱鏡在垂直方向按照預定分度高速旋轉，接收器接收由罐壁反射回來的激光，實現三維全方位激光掃描[5]。掃描過程中，根據罐車（箱）的型號和參數建立數學模型，確定激光在罐內壁的掃描順序和采樣密度，規劃并設定激光掃描路徑，形成各種適用于不同型號罐體的標準化掃描路徑。

圖2 系統框架

掃描采用測距、測角相結合的方法，在準確控制垂直和水平分度的同時測距[6]，對罐體進行三維激光掃描，獲得代表罐壁上海量測量點空間位置的極坐標參數，即高密度、高準確度的罐內壁三維坐標點集（點云）[7]。為了利用極坐標參數構建出完整的罐體三維空間輪廓及后續計算，需要進行數據讀取并將讀取后的數據（點云）進行去雜、空間置平等處理[8]，然后將預處理好的數據進行空間三角網格建模并進行模型渲染[9-10]，罐體建模圖見圖3。同時按參照高度（罐體豎直徑方向）進行切分，分別計算出各個切分塊的體積，最后匯總輸出為容積表，點云數據處理軟件界面見圖4。

1.2 試驗驗證

綜合考慮激光掃描的不同測距原理及罐體形狀、材質、裝載介質、銹蝕程度、干濕表面等不同因素對三維激光掃描的影響，選取不同型號罐車（箱）開展容積測量試驗（見圖5）。

圖3 罐體建模圖

圖4 點云數據處理軟件界面

圖5 現場容積測量試驗

通過試驗結果與準確度較高的容量比較法測量結果進行比較分析，驗證了三維激光掃描法的準確、可靠；重復性試驗結果表明，此方法的測量重復性較好，將重復性數據用于測量不確定度評定，測量結果的擴展不確定度為3×10-3，修正因子k=2。抽調不同罐車（箱），同時采用三維激光掃描法、容量比較法、幾何測量法進行測量，抽樣結果表明三維激光掃描法準確度優于幾何測量法。試驗過程和結果還表明，項目研究的三維激光掃描法自動化程度高、快速、便捷、安全、適應性較強，減輕了人員勞動強度。

1.3 技術創新

（1）通過三維激光掃描獲取復雜罐體結構、罐壁情況的容器表面點云數據的技術，首次實現了對罐車（箱）容積快速、準確的現場自動測量，滿足了罐車（箱）的檢定需求，保證鐵路貨物運輸安全。

（2）首次提出點云容積DTi計算方法，在保證準確度的前提下顯著減少計算過程、縮短計算時間，并能降低對點云質量的要求，從而降低對測量條件的要求。

（3）本項目首次設計、開發了標準化的罐（箱）點云預處理流程，實現簡單、規范、快速的點云預處理操作。

（4）研究儀器倒置入罐、倒置測量技術，研發儀器倒置懸掛裝置，并采用點云定向技術，操作人員不必進罐，在罐外即可完成對罐體的掃描。

（5）編寫點云容積計算軟件，自動計算容積、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，保證人機及工作現場安全。

2 推廣應用及社會經濟效益

自應用推廣以來，該研究成果極大促進了罐車（箱）等中大容器計量檢定技術的發展；對國家鐵路罐車容積計量站及各分站等國家法定計量檢定機構的技術進步和鐵路運輸企業、鐵路車輛制造（維修）企業、中石油和中石化等企業的經濟效益起到了重大的推動作用。項目應用在保護生態環境和人民財產、防災減災方面發揮了重要作用。

該系統具有測量準確度高、快速、便捷、安全、自動化程度高、適應性較強的特點。研究成果的推廣應用極大地減輕了人員勞動強度，很好地解決了幾何測量法存在的操作復雜、測量結果易受人為因素影響等問題。同時，解決了在工作過程中作業人員及設備易遭受損害的問題。研究成果使得測量準確度大幅提高，測量不確定度由4×10-3減小到3×10-3（k=2）。該項目已在國家鐵路罐車容積計量站及各分站等全國范圍內鐵路罐車檢定機構推廣應用，取得了較好的檢定檢測收益，得到了用戶的高度評價。

罐車（箱）的安全裝載量為容積的83%～95%。鐵路運輸企業通過采用或間接應用項目成果，解決了準確控制安全裝載量的問題；通過點云掌握罐體形變情況，用于罐體安全檢測，降低安全事故風險，消除眾多造成鐵路沿線環境污染的隱患；縮短了車輛檢定時間，提高了車輛周轉效率，提升了罐車（箱）的運輸能力；提高了全路罐車運輸燃油的計量準確度，對增加機務段經濟效益具有重要作用。

項目成果為鐵路車輛制造（維修）企業縮短新造及廠修罐車（箱）出廠時間，為提高企業產能等方面打下良好基礎[11]。而且，鐵路車輛制造（維修）企業可采用罐體點云數據進行工藝分析，提高產品質量，促進罐車（箱）設計與生產的技術進步。

通過該系統而獲得的容積表和充裝量，以其準確度高、方便快捷等特點贏得了中石油、中石化等企業的一致認可并被推廣應用。該測量結果為中石油、中石化等企業減少貨物貿易結算的計量誤差[12]、提高企業經濟效益、提升企業形象作出了突出貢獻。研究成果被中石油、中石化等企業應用推廣的同時，正逐步在民航、軍隊、物流等領域推廣應用。

3 結束語

三維激光掃描精密測量技術及罐車（箱）自動檢定系統實現了精密測量，測量準確度高、重復性好，測量擴展不確定度為3×10-3（k=2），較現有規程要求有較大提高；具有快速、便捷、自動化的特點，操作人員無需進罐，減小人員勞動強度，提高作業安全性；儀器安全性較好，可實現多工況復雜環境現場測量。項目在貿易結算、鐵路運輸安全、國家能源戰略儲備及罐車（箱）等中大容量容器制造（維修）企業設計、工藝技術的進步方面將發揮重要作用，具有廣闊的應用前景和顯著的社會經濟效益。

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邵學君：中國鐵道科學研究院標準計量研究所，研究員，北京，100081

龐 慶：中國鐵道科學研究院標準計量研究所，工程師，北京，100081

張志鵬：中國鐵道科學研究院標準計量研究所，助理研究員，北京，100081

周寶瓏：中國鐵道科學研究院標準計量研究所，副研究員，北京，100081

齊 超：中國鐵道科學研究院標準計量研究所，研究實習員，北京，100081

責任編輯 盧敏

U272.4

A

1672-061X（2015）02-0091-04

鐵道部科技研究開發計劃項目（2011Z009-A）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學會科學技術獎二等獎。