大型油罐容量计量中3D空间建模方法研究与比对试验分析

第 31 卷 第 2 期 仪 器 仪 学 报 Vol.31 No. 2 2010 年 2 月 Chinese Journal of Scientific Instrument Feb. 2010 大型油罐容量计量中 3D 空间建模方法研究 与比对试验* 王金涛，刘子勇，张 珑，郭立功，暴雪松，佟 林 （中国计量科学研究院 北京 100013） 摘 要：油罐的容量计量是石化企业生产运行的核心工作之一。为了提高计量检定效率，提出一种基于三维激光扫描原理的 油罐容量全自动测量方法。讨论了一种扫描点云数据分析方法，通过三角网格和曲面拟和的方法计算出不同液位高度对应的 油罐容积值。设计了对比试验系统，选取 60 m3 和 37 m3 两个油罐为研究对象，根据 OIML R71 和 R80 的技术要求，以 0.025%准确度的容量比较法测量值为参考依据，三维激光扫描方法进行油罐容量测量具有好的复现性，而测得的容量值相 对偏差满液位量程处可达 0.4%，验证了这种方法的有效性，而且有效提高了油罐容量检定工作效率。 关键词：油罐; 容量; 计量; 3D 空间建模方法; 比对试验 中图分类号：TB9 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：460.4030 Research on 3D laser scanning method for tank volume metrology and its comparison experiment analysis Wang Jintao, Liu Ziyong, Zhang Long, Guo Ligong, Bao Xuesong, Tong Lin （National Institute of Metrology, Beijing 100013, China） Abstract：Tank volume metrology in one of the core tasks in petroleum companies. In order to improve the cali- bration efficiency, an automated measuring method for tank volume based on 3D laser scanning is proposed. Point cloud of tank scanning data is analyzed, and the tank volumes for different liquid levers are calculated based on triangular mesh and surface fitting. A comparison experimental system was designed, and two tanks (60m3 and 37m3) were used as the experimental objects. The measurement result from volumetric method with accuracy of 0.025% was regarded as the reference according to technical regulations of OIML R71 and R80. The reproduci- bility of the 3D laser scanning method was tested. The measured relative error is 0.4%, which verifies the pro- posed measuring method. The calibration efficiency of tank volume is improved significantly by using the pro- posed 3D laser scanning method. Key words：tank; volume; metrology; 3D laser scanning method; comparison experiment 1 引 言 大型油罐是国际间大宗能源贸易结算的主要计量储 存器具，属强制检定计量设备。作为国民经济生命线系 统之能源系统的重要组成部分，大型油罐在商业、军事、 民用、交通、航空，特别是石化行业中有着非常广泛的 应用，主要包括立式罐、卧式罐和球形罐等。如何利用 先进的计量方法，精确测量出容量一直是大型储罐运行 的核心部分，研究其精密计量方法具有重要的现实意义。 国内外很多学者和研究机构对大型油罐的容量计量 方面进行了大量研究，提出了几何测量法、金属膜渗透 法、罐体表面应变法、超声法和近景摄影测量方法等研 究方法[1-7]。由于 OIML R71 和 R80 测量允差的要求，除 了几何测量法应用于国内外计量交接使用外，其他方法 都还处在研究中。但是几何测量法中，都是要求大型油 罐具有规则几何形状且无变形，即理想的几何体，例如 收稿日期：2009-08 Received Date：2009-08 *基金项目：质检公益性行业科研专项基金（AHY0711）、博士基金(22-ATGQDB0901)资助项目 422 仪 器 仪 表 学 报 第 31 卷 立式罐为理想圆柱体处理。而油罐的变形是不规则的， 特别是大型油罐，如果当作规则几何体测量就不能体现 实际物理三维几何特征，势必加大与容量真值之间的误 差，造成大量描述罐体物理几何模型信息的丢失，在这 种不完备信息基础上建立起来的简化罐体模型与真实物 理模型是有很大误差的。 而且现有几何测量方法需要在油罐清空后人工进入 罐内使用钢卷尺等设备进行操作，存在清罐作业费用大、 污染环境、测量方法自动化程度低、劳动强度大、罐内残 留有害气体对检定人员存在安全隐患等不足，随着油罐的 大型化，对容量计量的自动化程度要求也会越来越高。 为了满足油品贸易交接和油罐使用单位精细化管理 的要求，本文使用激光三维扫描建模方法进行油罐容量 计量的研究，提出了一种能够满足不确定度 0.4% (k=2) 计量要求的自动化油罐容量计量检定装置及方法。 2 油罐容量三维激光扫描方法 2.1 三维激光扫描测量系统 作为最近发展迅速的一种新技术，三维激光扫描技术 可用于物体表面的非接触空间信息获取，具有数据获取速 度快、实时性强、数据量大、主动性强、点位密集、精度 较高等优势，已成为空间数据获取的重要技术手段[8-10]。 三维激光扫描设备包括激光测距模块、激光扫描模块、 CCD 模块和控制校正模块等，在设备内通过 2 个同步反 射镜快速而有序地旋转, 将激光脉冲发射体发出的窄束 激光脉冲依次扫过被测区域，通过脉冲法或者相位法等 原理获得测距值，激光脉冲横向扫描角度值和纵向扫描 角度值由精密时钟控制编码器进行测量。将三维激光扫 描设备置于油罐内，调整至水平位置，以设备坐标系为 测量基准，其中坐标系原点位于三维激光扫描设备中心、 Z 轴为铅垂线方向、X 轴为水平度盘零方向，如图 1 所示。 图 1 三维激光扫描测量坐标系统 Fig.1 The definition of the coordinate system used in the 3D laser scanning system 在这个空间坐标系中油罐罐壁上每一个测量点的坐 标为： cos cos cos sin sin p p p p p p p p p p p x r y r z r β α β α β ⎧ =⎪ =⎨⎪ =⎩ (1) 通过激光扫描测量的方法，以点云 iP∑ (x,y,z)的形 式快速、大量获取储罐表面的阵列式几何图像数据，为 建立罐体三维空间模型和容量计算提供了技术支撑。 2.2 基于三维点云的油罐容量计算方法 第 1 步，进行点云数据噪声点的剔除 在对罐体表面坐标数据采集过程中，由于受测量设 备的精度、测量速度、操作者经验和被测表面质量等诸 多因素影响，不可避免地会产生误差数据点，为了保证 计算精度，需对测量数据进行处理，主要内容包括数据 噪声点的剔除。以每一个数据点为中心，设计包含奇数 个数数据点的滑动窗口，调整一定的距离阈值，借助于 中值滤波算法进行噪声点剔除[11-13]。 第 2 步，进行点云数据的约减 由于油罐的空间尺寸大，所以测量点云数据的密度 很高，通常在百万点数量级，其中存在大量的冗余数据， 影响到后续算法的效率，因此需要进行约减。由于油罐 表面大多为规则的二次曲面，可以采用采取等间距均匀 简化方法进行数据约减。 第 3 步，进行离散点云的网格化和曲面拟合 利用三角网格(triangular mesh)对于复杂几何形状的描述 能力，实现点云数据拓扑结构的连接，为曲面拟和、形成有 封闭的边界表面提供条件。由于油罐点云数据是由激光测量 设备按照一定规律采集的，呈线性排列，因此采用以四边域 为基础的B 样条或NURBS 曲面构造方法进行曲面重构。 第 4 步，不同液位高度的容积计算 油罐容量计量的目的是为了求出从计量基准点开始 某一水平高度下油罐内的容积。通过以上步骤得到了油 罐的三维闭合曲面几何模型，为闭合空间Ω，以图 1 中 的坐标系建立参考位置，构建一系列平行于 xoy 平面的 水平面 iS∑ ，其中 Si的方程为 z=Ln，n=1, 2, …, N。则 面 Si 以下空间Ω的体积为不同液位高度下的容积，按照 黎曼积分的方法，容积 Vn的计算公式为： [ ( , ) ] d n n D V f x y L σ= −∫∫ (2) 其中 ( , )z f x y= 为空间Ω在平面 Si以下的曲面方程， 且这部分空间在 xoy 平面上的投影为有界闭区域 D。 3 试验与分析 3.1 比对试验系统介绍 油罐计量方法中最准确的是容量比较法，以 37 m3 第 2 期 王金涛 等：大型油罐容量计量中 3D 空间建模方法研究与比对试验分析 423 和 60 m3 油罐为试验对象，进行本文方法与容量比较法 的比对与验证。 首先将光电测量设备放置于油罐内进行点云数据采 集。采用的三维激光扫描设备点最小间隔为 2 mm，25 m 处测距最大允差为±2 mm，最大扫描距离 80 m，水平视角 范围为 360°，垂直视角范围为 320°，采样率为 120 000 点/秒，扫描油罐时间为 2 min。为了进行复现性测试， 在每个油罐的两个不同位置分别进行测量一次。 然后，进行容量比较法的油罐校准。具体操作要求 参 OIML R80 和 JJG 641–1990 规程，使用最大允差 ±0.025%的标准金属量器组、量油尺(分度值为 1 mm，最 大允许误差±0.5 mm)和测温仪(最大允许误差±0.1 ℃)完 成油罐的容量标定，得到的油罐容量表作为比对依据， 测量时间约 4 h[14-15]。 按照上面讨论的方法计算出基于三维激光扫描方法 的容量表，与容量比较法的容量表进行比对。 3.2 试验数据分析 以 37 m3油罐为例，油罐扫描之后得到的点云数据 如图 2 所示，整个油罐模型由 10 094 547 个数据点构成， 可以看出三维激光扫描设备能够实现罐体空间高分辨率 的数据采集，点云数据量大，与以往几何法测量结果相 比，可以更加准确地进行油罐罐体空间几何特征描述。 图 2 油罐三维扫描试验点云数据 Fig.2 The point cloud of scanning data 根据上述算法计算出不同液面高度对应的容积值， 两个油罐复现性测试结果如表 1 所示。 表 1 不同油罐容量测量方法测量容积值比较 Table 1 Comparison experiment results for different tanks 液面高度/m 37 m3油罐测量 位置1 V37_1 /m3 37 m3油罐测量 位置2V37_2/m3 相对偏差 │V37_1–V37_2│/ V37_1 60 m3油罐测量 位置1V60_1/m3 60 m3油罐测量 位置2V60_2/m3 相对偏差 │V60_1–V60_2│/ V60_1 0.1 0.43 0.69 0.605 0.71 0.71 0.009 0.2 1.45 1.79 0.236 1.97 1.97 0.003 0.3 2.78 3.18 0.143 3.53 3.55 0.006 0.4 4.35 4.80 0.104 5.42 5.46 0.008 0.5 6.09 6.59 0.081 7.57 7.63 0.008 0.6 7.98 8.51 0.067 9.92 9.97 0.005 0.7 9.98 10.52 0.054 12.43 12.49 0.005 0.8 12.06 12.63 0.047 15.07 15.15 0.005 0.9 14.21 14.80 0.041 17.83 17.91 0.005 1.0 16.41 17.00 0.036 20.67 20.74 0.003 1.1 18.63 19.22 0.032 23.60 23.53 0.003 1.2 20.84 21.38 0.026 26.58 26.52 0.002 1.3 23.05 23.57 0.023 29.63 29.57 0.002 1.4 25.22 25.73 0.020 32.69 32.64 0.002 1.5 27.34 27.83 0.018 35.81 35.73 0.002 1.6 29.37 29.83 0.016 38.88 38.83 0.001 1.7 31.30 31.73 0.014 41.96 41.92 0.001 1.8 33.10 33.49 0.012 45.01 44.97 0.001 1.9 34.74 35.06 0.009 47.93 47.98 0.001 2.0 36.16 36.40 0.007 50.88 50.92 0.001 2.1 37.29 37.42 0.004 53.75 53.79 0.001 从表 1 中的数据进行分析，三维激光扫描方法进行 油罐容量测量具有好的复现性，即使对于最小的 37 m3 油罐而言，在满量程的复现性仍能保证 0.4%。 以容量比较法测量值为参考标准，三维激光扫描方 法的测量值相对偏差如图 3 和图 4 所示。 424 仪 器 仪 表 学 报 第 31 卷 图 3 37 m3 油罐三维激光扫描方法和容量 比较法的测量值相对偏差 Fig.3 The relative volume error between 3D scanning method and volumetric method for 37 m3 tank 图 4 60 m3 油罐三维激光扫描方法和容量 比较法的测量值相对偏差 Fig.4 The relative volume error between 3D scanning method and volumetric method for 60 m3 tank 图 3 和图 4 中的数据说明：以容量比较法测量值为 参考标准，随着液位升高，三维激光扫描方法和容量比 较法测量值的相对偏差逐渐减小；37 m3油罐测量值全液 位量程相对偏差平均为 7.5%，但主要大的相对偏差集中 于低液位位置，60 m3 油罐测量值全液位量程相对偏差平 均为 0.35%，满液位量程处二者与容量比较法测量值的 相对偏差达到 0.4%。 三维激光扫描方法的测量速度快，仅需要 2 min，可 以有效提高检定工作效率。 4 结 论 1)根据 OIML R71 和 R80 的技术要求，提出了一种 基于 3D 空间建模原理的油罐容量全自动测量方法； 2)提出了一种油罐扫描点云数据分析方法，可以有 效计算出不同液位高度对应的容积值； 3)对比试验表明，三维激光扫描方法进行油罐容量 测量具有好的复现性，而且以容量比较法为参考依据， 三维激光扫描方法测得的容量值相对偏差小，验证了这 种方法的有效性，而且使用三维激光扫描方法可以有效 提高检定工作效率。 致 谢 感谢全国铁路罐车容积计量站和 FARO 公司在对比 试验方面提供的配合。 参考文献 [1] 廉育英 . 容量计量技术 [M]. 北京：北京计量出版 社,2006. 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He works in Volume Laboratory, National Institute of Metrology as an as- sistant research fellow now, and the main research field is volume metrology method.