三維激光掃描在核電維修中的應用

李潮偉　陳志　李紅軍　羅緒珍

【摘 要】以核電廠反應堆一回路主設備穩壓器為對象，將三維激光掃描應用于放射性環境下核島內維修現場環境的測繪。確定了穩壓器三維激光掃描方法及三維模型建立原則，并對建立的三維模型進行了準確性分析，將三維模型結果應用于核電維修工作中。

【關鍵詞】三維激光掃描；穩壓器；三維模型

0 引言

核反應堆內的維修工作具有維修工藝復雜、質量可靠性要求高、進度要求高等特點，為了保證維修工作的順利進行，通常需要在廠外建立模擬驗證平臺，而模擬驗證平臺的真實程度將直接影響維修工藝在實際維修工作中的可執行性。我國早期建設的核電站存在現場真實環境圖紙收集整理難度大的問題，給模擬驗證平臺搭建工作帶來一定的困難。本文采用三維激光掃描技術對核電廠反應堆一回路主設備穩壓器上部、下部及其相關的周圍環境進行測繪。根據測繪結果對穩壓器模擬驗證平臺進行設計優化，同時，規劃維修設備進入施工地點的最佳路線及擺放位置。

1 三維激光掃描原理簡介

三維激光掃描技術是利用三維激光掃描儀從某個方向發射一個激光脈沖，然后接受通過透鏡反射回來的信號，根據發射信號和接受信號的時間差和輔助指南針、高度傳感器、陀螺儀的位置信息等，通過計算機計算得出某個點的三維坐標。三維激光掃描儀會發射數以萬億計的激光脈沖，得到數以萬億計的點的三維坐標，在空間上形成點云，最終通過計算機處理得出實體結構的三維模型。

2 三維激光掃描方法

2.1 多基站掃描

使用三維激光掃描對穩壓器現場環境的場景進行數據采集，由于場景較大，區域比較復雜，因此，采取多基站掃描方式，多基站的采集方法可保證數據收集的準確性，全面性。

2.2 誤差分析

利用多基站定位技術，無縫拼接技術，完成多站點的三維激光掃描點云的無縫拼接工作，形成實際場景完整的掃描點云，保證誤差在2mm內。

2.3 中心定位

對拼接完好的點云進行中心定位，并且根據中心對點云進行基于設備的點云分割，然后完成基于點云的三維數字化模型的創建。

3 三維模型建立

3.1 三維模型建立的分類原則

3.1.1 重點零件

穩壓器上封頭的四根接管是需要嚴格控制建模精度的零件，使用最細致的模型分類原則。采用客觀實物與三維數字化模型1：1的對應關系，即現實環境中真實存在的一個零件，在三維模型中，同樣對應一個模型零件，方便單獨零件的單獨提取和測量等。

3.1.2 非重點區域的零件

非重點區域的零件是指重點區域以外區域所包含的零件。由于此類區域的零件對精度的要求較低，所以為了提高建模效率，對此區域內零件的建模，不做零件細分，可以多實體處在一個零件內，比如廠房建筑等。

3.2 三維模型修正原則

首先需要了解，為什么三維模型需要修正：

3.2.1 零件加工過程誤差

一般的零件在設計過程中一定是由標準的直線，標準的圓弧等構成，但是在生產過程中不可避免的有誤差產生。

比如管道類零件，弧段部分可以放大為一個一個直線段組成。

3.2.2 數據采集修正

三維模型的逆向創建的基礎是由三維激光掃描儀數據采集的，大部分的逆向都是由自由曲面創建的，這樣生成的模型在弧度上是不均勻的，所以根據需求，會作相應的修正。

3.3 主要修正內容

主要的修正對象為穩壓器的重要零件，包括：穩壓器上封頭的3根弧形接管和穩壓器下封頭的1根弧形接管。由于接管在加工過程中產生的加工誤差，以及在逆向過程中點云的影響，根據需要，在誤差允許的范圍內，進行了相應的修正，并對修正差值進行了記錄說明（圖1）。

圖1

4 三維模型準確度分析

為了驗證模型的準確程度，將建立的模型分別與照片、相關圖紙和現場實際測量尺寸進行了對比分析。

4.1 激光掃描結果與相關圖紙的差異說明

對于重點零件，以及重點區域的零件嚴格按照三維激光掃描結果，遵循現場客觀存在的真實情況，同時參照圖紙來完成三維模型的創建過程。

4.2 激光掃描結果與現場照片的差異說明

本次項目對于重點零件，以及重點區域的零件嚴格按照三維激光掃描結果，遵循現場客觀存在的真實情況，但是對于實際維修時需要去除的或者某些臨時放置的物品，進行選擇性的去除。比如保溫層，在三維激光測繪時，只拆除一部分，而在實際維修時，可將干涉的保溫層全部拆除，因此，在后期逆向過程中，直接選擇去除保溫層。

4.3 激光掃描結果與現場測量尺寸的差異說明

穩壓器上封頭接管尺寸為維修工作的重點零件尺寸，接管將直接用于維修設備的安裝。在核島現場，采用鋼板尺和外卡鉗對接管尺寸進行了測量，將測量值與三維建模結果進行了對比分析，見下表，實際測量結果與三維建模尺寸一致性良好（表1）。

5 三維模型的應用

根據三維模型的空間尺寸特征，對穩壓器模擬驗證平臺進行了優化設計，主要包括兩點：①在穩壓器上部增加模擬閥門及閥門支架的結構；②在穩壓器下部增加裙座及與裙座相連接的支架。采用三維模型，對參加維修工作的人員進行了現場環境培訓，使維修人員充分了解現場環境，同時，根據三維模型的特征，規劃了維修設備進入施工地點的最佳路線及擺放位置。

6 結語

采用三維激光掃描技術實現了穩壓器及周邊環境的測繪，建立了系統的三維模型，模型的準確度滿足需求，為穩壓器模擬驗證平臺的優化設計提供了依據，同時也為對維修人員的現場環境培訓提供的基礎模型。

【參考文獻】

[1]張會霞，朱文博.三維激光掃描數據處理理論及應用[M].電子工業出版社，2012.

[2]謝宏全，侯坤.地面三維激光掃描技術與工程應用[M].武漢大學出版社，2013.

[責任編輯：王楠]