三維激光掃描技術(shù)在船體建造中的應(yīng)用分析

單兵兵 劉洪飛 方字彬

江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司 上海 201913

引言

由于目前我國的自然水系發(fā)達(dá)，湖泊、江河、海洋資源眾多，擁有1.8萬多公里沿海海岸線及12.3萬公里遍布全國各地的航行路線，古往今來我國的造船業(yè)都十分發(fā)達(dá)，是一個世界知名的船舶業(yè)生產(chǎn)大國。現(xiàn)在，憑借先進(jìn)的工程信息技術(shù)如在三維激光掃描等技術(shù)手段的幫助下，我國船舶工程行業(yè)的發(fā)展水平已經(jīng)呈現(xiàn)出了一種水漲船高的態(tài)勢。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)，顧名思義就是采用三維激光對物體進(jìn)行掃描和檢測的掃描方式，從而獲得被檢測的物體三維數(shù)據(jù)。它們的主要組成部分是三維激光掃描儀和一些相關(guān)電腦軟件。激光掃描儀主要指的是一種利用激光掃描儀器對檢測到的物體進(jìn)行三維測量的一種工作原理，通過主動地向其他檢測到的激光并同時收到激光檢測物體在整個表面所產(chǎn)生的三維反射信號，以便對其他檢測到的物體進(jìn)行測量，記錄和分析計算被檢測到的物體在密集點位置上的三維坐標(biāo)、反射頻率和它們形狀紋理等參數(shù)，可快速地重新復(fù)建一個從輸入到檢測一個物體的三維模型和不同的線、面、體形狀的信息[1]。

1.2 三維激光掃描技術(shù)的特點

相對于傳統(tǒng)的工程測繪，三維激光掃描技術(shù)可以實現(xiàn)精準(zhǔn)地在三維空間內(nèi)描寫設(shè)施物體位置、形狀，在信息完整性、精度、操作效率等各個方面都比傳統(tǒng)的測繪技術(shù)更加明顯。它的主要特點有以下幾個方面：

1.2.1 非接觸式測量。測量為非接觸式，不影響測量區(qū)域的正常工作。

1.2.2 詳細(xì)測量。僅需幾分鐘就可以有針對性地為復(fù)雜的環(huán)境和幾何結(jié)構(gòu)物提供一個詳細(xì)的三維影像。

1.2.3 自動整合。可以直接集成各種高精度的傳感器（GPS、羅盤、高度計、傾角儀、多軸補(bǔ)償器等），自動模擬和復(fù)制所有的掃描數(shù)據(jù)庫，并形成完整的三維實體模型。

1.2.4 便攜性。部分廠商掃描儀重量僅有5kg，容易攜帶，可在不借用外部設(shè)備的條件下工作。

2 船體建造的三維數(shù)據(jù)采集

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，深刻改變了我們中國傳統(tǒng)的制造業(yè)，從產(chǎn)品的組織構(gòu)思到日常的維護(hù)保養(yǎng)等環(huán)節(jié)，每一項技術(shù)在生產(chǎn)操作的整個過程中必須用信息化、數(shù)字化形式完成。由于現(xiàn)代化船舶的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對生產(chǎn)精度的技術(shù)要求很高，品種多批量小，在其生產(chǎn)建造和工藝流程中的變動量大，配套裝備多，對于現(xiàn)代化的船舶產(chǎn)品制造柔性化、快速反饋等技術(shù)要求很高，因此，迫切需要用一種更加數(shù)字化的技術(shù)手段來替代傳統(tǒng)船舶的制造、保養(yǎng)和維護(hù)管理模式。

2.1 初步設(shè)計

對于新型輪船的設(shè)計而言，船體的設(shè)計常常采用對母型輪船進(jìn)行改裝的一種新穎設(shè)計形式。母型輪改造設(shè)計中雖然有時候還會需要一些詳細(xì)的關(guān)于母型輪改造的數(shù)據(jù)提供我們參照，但往往都會出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)丟失，尤其最重要的就是在母型輪改造船型線上出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)丟失，那就必須經(jīng)過三維測量之后才能夠準(zhǔn)確得到，而三維測量可以給我們提供一個相應(yīng)的解決方案。

2.2 建造過程精度控制

船體在其建造的過程中，因為受到各種自然客觀條件的影響，結(jié)構(gòu)件、分段、總部及其主尺寸等在設(shè)計圖紙的公稱尺寸之間都存在著較大的偏差，通過這種測量方法我們就可以準(zhǔn)確地獲取到一個船體的總部形態(tài)特點，同時還能夠?qū)⑺行枰獪y量的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，計算出船體三維拼裝的精度和誤差，得出其用于建造真實的材料，進(jìn)而控制并且指導(dǎo)施工流程，減少了船體三維的拼裝誤差，能夠顯著地提高它的建造技術(shù)水平與質(zhì)量[2]。

2.3 完工存檔

船體建造順利地完成，除了依靠基礎(chǔ)性原理等已經(jīng)完工的資料外，為了便于監(jiān)管，整理準(zhǔn)確的三維模型和數(shù)據(jù)也是今后普遍需要的。

3 三維掃描技術(shù)在船體建造的應(yīng)用

3.1 船體測量應(yīng)用

相較于全站儀船體立體的檢測，通過三維激光掃描測量，便于精度管理點的全覆蓋測量，檢測人員不需要專人放置標(biāo)靶，也無須登高作業(yè)，可以安全、快速地整合測量數(shù)據(jù)，通過比較設(shè)計模型數(shù)據(jù)和3D掃描數(shù)據(jù)，可以利用目視化管理加速對船體分段的精度管理工作。

3.2 船體OTS（one-time-setting）應(yīng)用

不用確定標(biāo)靶的位置，直接進(jìn)行任意測量即可，使得測量時間及分析時間實現(xiàn)最小化。使用全站儀測量時不會漏掉測量點，因為部材的厚度都已經(jīng)進(jìn)行了標(biāo)識，所以不用考慮理論性的位置。

3.3 船體變形應(yīng)用

通過主板的變形引起的扁平度尺寸變化，可以通過顏色輕易地確認(rèn)，也可以輕易得到變形量修改信息，并快速進(jìn)行修改分段比較薄的情況，在放置時產(chǎn)生了變形的情況，可以確認(rèn)下沉量，這樣在放置時就可以準(zhǔn)備對應(yīng)方法和強(qiáng)化基準(zhǔn)。

3.4 工程監(jiān)理

船體的建造特別是改裝工程項目，一般都會采用復(fù)雜的船體設(shè)計和施工過程，而由于大部分海工建筑物項目的材料費和人力資源的成本極其昂貴，在施工期間還必須根據(jù)設(shè)計、現(xiàn)場相互匹配的實際情況，對其進(jìn)行實時的監(jiān)視：在整個項目正式啟動之前，對整個施工過程都是進(jìn)行了測繪和記錄；項目施工作業(yè)完成后，對整個過程再一次進(jìn)行了掃描施工和建模操作，快速分析了設(shè)計過程中的偏差及物量狀態(tài)；該工程在施工全部完成后，存檔的文件可以供用于后期的工程變更[3]。

4 結(jié)束語

綜上所述，三維激光掃描測量技術(shù)是一套成本少、投入風(fēng)險小、效果好的創(chuàng)新型測量方法，能夠被廣泛應(yīng)用于船體的各個制造周期。隨著我國船舶行業(yè)的進(jìn)步和飛速發(fā)展，建造、升級、改裝、維護(hù)維修以及測量監(jiān)控等工作日趨多樣化和快捷，運用三維激光掃描技術(shù)將有助于大幅度地降低風(fēng)險，提高工作效率，減少生產(chǎn)成本，提升企業(yè)整體的市場競爭力。