三維激光掃描儀在風力發電機塔筒形變監測中的應用

黃晶晶

（甘肅省地質勘查開發局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050）

習近平總書記提出“綠水青山，就是金山銀山”的理念，讓人們更加認識到保護人類居住環境的重要性。風能作為一種清潔能源，大力發展既能獲得一定的經濟效益，同時又不會對環境造成污染，于國于民都是一件好事。甘肅風力資源豐富，隨著國家支持力度的增強，越來越多的風力發電廠建設運行，投入運行的風力發電機也逐漸增多，風力發電機的運行環境、運行安全、運行效率等問題也慢慢凸顯出來，從而受到了多方關注。

風力發電機塔筒是整個風力發電機組的支撐部分，為整個風力發電機組的安全運轉提供保障。在風力發電機組長期循環運轉的影響下，可能會使風力發電機塔筒傾斜、彎曲、變形，從而導致整個機組異常運行甚至發生倒塌事故。為了避免發生風力發電機塔筒傾斜的事故，需要及時掌握風力發電機塔筒的外部形變情況。為防止此類事故的發生，風力發電廠會定期組織安排人員對風力發電機塔筒進行監測。風力發電機塔筒一般高度均在50m 以上，塔筒材料一般為合金鋼，但是一旦風機塔筒吊裝完成，想在風力發電機塔筒外側做測量標志，利用傳統的監測手段監測其形變、彎曲等情況，工作難度相當大。利用三維激光掃描技術檢測風力發電機塔筒的異常形變是目前較為先進、高效的測量技術，它具有非接觸、高密度、高精度、數字化、自動化等特點，可以很好的補充傳統測量監測方面的不足，極大的縮短了外業作業時間，減小返工的可能性，有效解決了傳統風力發電機塔筒形變監測中存在的時效性、精確性、安全性等問題。

文章數據來自地面型Riegl VZ-2000 三維激光掃描儀采集的某發電廠風力發電機塔筒的點云數據。該風力發電廠塔筒高度高于65m，海拔高度在1200m～1350m 之間，常年氣溫處在-20°～28°之間。處理軟件為武漢海達數云技術有限公司提供的HD_3LS_SCENE 等系列軟件以及美國MathWorks出品的matlab 軟件。

1 點云數據獲取

根據風力發電廠的地形、環境以及考慮到風力發電機塔筒的形狀、位置等情況，本次監測在風力發電機塔筒附近布設兩個監測點，掃描視場角保持在360°/100 以上，兩次獨立測站掃描得到的點云數據也不能互不影響。本次實驗數據為該廠A 區1#風力發電機塔筒數據。

2 點云數據處理

2.1 點云數據拼接、去噪點及切片處理

點云數據拼接、去噪點及切片處理過程主要利用武漢海達數云技術有限公司提供的HD_3LS_SCENE、HDPt Vector 軟件。

所采集的點云數據拼接、去噪點后，將建立的塔筒模型從最底部整數位置開始每間隔4m 高度裁出一個厚度為0.05m，由點云數據組成的圓環形切片。如圖1，圖2 所示。

圖1 總點云數據及去噪點后數據對比

圖2 去噪后和切片點云數據俯視圖

2.2 利用matlab 軟件編程提取切片圓心坐標

三維激光掃描儀在獲取點云數據時，每個點都有其在該獨立坐標系中的固定坐標(X，Y)，通過在近似同一高度H（0.05m 范圍內）的所有點數據（X1,Y1），（X2,Y2），…（Xn,Yn）坐標進行擬合，求出圓心坐標（x,y）。同一高程切片數據都應滿足方程

對同一高度H（0.05m 范圍內）的所有點坐標數據，進行最小二乘擬合計算：

當取得最小值時的（x,y），即為高度H 上切片圓圓心坐標。

依據此編程語言可在Matlab 軟件中很輕松的計算出每個切片圓心坐標(xi，yi)。表1 為風力發電廠A 區1#風力發電機塔筒切片圓心坐標及傾斜率計算記錄表：

表1 A 區1# 風機塔筒切片圓心坐標及傾斜率計算結果

由此表，也可以做出X-H 曲線圖來反應縱向傾斜分量的變化趨勢,Y-H 曲線圖來反應橫向傾斜分量的變化趨勢,D-H 曲線圖來反應傾斜量隨著高度變化的趨勢。這三種曲線圖可以很直觀的分析風力發電機塔筒是否發生彎曲，以及可能發生彎曲的部位和程度。

2.3 計算風機塔筒傾斜率

以風力發電機塔筒最底部圓環圓心坐標（x1，y1)與風力發電機塔筒頂部圓環圓心坐標（xn，yn)平行距離除以兩切片間塔筒高度H 為傾斜率i。

由表1 計算的結果可以看出，A 區1# 風力發電機塔筒傾斜率在0.3681‰～1.9801‰之間。

根據規范要求，當風力發電機塔筒高度在60m≤H≤80m，傾斜率低于5‰時，則表示該風機形變在可控范圍內，由此可以判斷，該風力發電機暫時無安全隱患。

3 結論

為確保風力發電機組安全、正常運行，對風力發電機塔筒進行長期的形變監測工作是風力發電廠后期維護工作中的一項基本需求。由于傳統的測量方法一般是以觀測監測點的位移和高程差值變化來判斷，無法直觀詳盡的反映風機塔筒結構的形變趨勢。三維激光掃描儀在數據采集中，明顯比全站儀、RTK 占據優勢，大量的點云數據分析對風力發電機塔筒監測結果會更準確，更全面。采用相應軟件也可以清晰直觀的表達出風力發電機塔筒的形變、傾斜情況。對于業主方而言，在人力、物力、財力上也得到了很好的節約。