三维激光扫描技术在船舶行业的应用

内容摘要：摘要：介绍了三维激光扫描技术，分析了船舶与海洋工程测量数据需求及三维扫描技术可提供的解决方案，探讨其

摘要：介绍了三维激光扫描技术，分析了船舶与海洋工程测量数据需求及三维扫描技术可提供的解决方案，探讨其在船舶全生命周期的应用前景。

关键词：激光扫描；船舶；点云技术

中图分类号：U671.99 文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the 3D laser scanning technology， analyzes the survey requirement of ship engineering and the solutions for it by using 3D laser scanning technology ， and discusses its application prospect in the whole life of ships.

Key words： 3D Laser scanning； Ship； Cloud point

1 引言

隨着科技的进步，制造业快速地向数字化、信息化、网络化、智能化转变，智能制造日益成为世界先进制造业发展的重要方向。船舶工业作为工业的集大成者，正朝着智能化、信息化大步迈进。三维激光测量技术作为一种全新的现代测量技术，为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，其在精度、速度及操作性上拥有巨大的优势。三维激光扫描技术在国外应用较为广泛，但在国内工业领域还处于起步阶段，研究及推广三维激光扫描技术在船舶行业的应用，将进一步提高我国船舶工业的数字化设计与制造的综合能力。

2 三维激光扫描技术

2.1 三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术，顾名思义是采用激光发射的方式来获取被测物体的三维立体数据信息[1]。其主要构成为三维激光扫描仪及相关的计算软件。

激光扫描仪是利用激光测距的原理，通过主动发射激光并同时接受由自然物表面反射的信号进行测距，记录并计算被测物体表面密集的点的三维坐标、反射率及纹理等信息，可快速复建出被测量物体的三维模型及各种线、面、体信息。

2.2 三维激光扫描技术的特点

相对于传统工程测绘，三维激光扫描技术能够实现在三维空间内精确描述设施对象位置、形态，在数据完整性、精度、作业效率等方面均优于传统测绘技术。其主要的特点如下：

（1）非接触式测量

测量为非接触式，不影响测量区域的正常工作；

（2）详细测量

仅需几分钟就能针对性地对复杂的环境和几何形状提供详细的三维图像；

（3）数字建档

可通过兼容软件轻松导入所有常用的数据，为工业指导和后期改造提供解决方案；

（4）彩色扫描

可集成彩色照相机，自动获取几千万及无色差彩色叠加，进行照片般逼真的三维扫描；

（5）自动整合

可集成高精度传感器（GPS、罗盘、高度计、倾角仪、多轴补偿器等），自动拟合所有的扫描文件，并形成完整的三维实体模型；

（6）便携性

部分厂商扫描仪重量仅有5 kg，容易携带，可在不借用外部设备的条件下工作。

3 船舶行业的三维数据采集

信息技术的飞速发展深刻的改变着传统制造业，从产品的构思、初步设计、详细设计、工程管理、物资采购、生产制造、品质控制、日常维护、改造升级直至拆检的产品全生命周期，每一个环节均与信息化、数字化紧密相连。

船舶产品复杂、精度要求高，品种多批量小、建造过程变化大、配套设备多，对产品生产的柔性化和快速响应要求高，迫切需要以数字化技术来改造传统的船舶制造及维护模式[2]；船舶产品设计、制造、维修、检修、评估、智能质量控制、船舶运行维护中，三维数据的采集及分析数字化、智能化趋势愈发明显。

3.1 初步设计

对船舶设计而言，新船设计常采用母型船改造的设计方法[3]。母型船改造设计法需要详细的母型船数据供参考，但往往存在数据的缺失，特别是母型船型线数据缺失需要通过测量得到，而三维测量可提供相应的解决方案。

3.2 建造过程精度控制

船舶与海洋工程在建造过程中，因为受到各种客观条件的限制，结构件、分段、总段及主尺寸等与图纸的公称尺寸存在偏差，通过测量获取船舶构件的形体特征，同时对测量数据进行分析处理，计算构件三维拼接误差，得出建造的真实数据，进而控制和指导施工过程，减少船舶整体拼装误差，可显著提高建造水平和质量。例如船体外板线型，由于加工工艺和变形等影响，外板的最终形态常与设计形态有一定差异，三维测量技术可高效准确获得点云数据，进而通过高性能的软硬件对数据进行分析，最终获得准确的线型数据。

3.3 完工存档

船舶与海洋工程设施建造完成，除了基础原理等完工资料外，为了方便管，理准确的三维模型数据也是今后普遍的需求[4]。

3.4 资产管理与可视化

有了完工三维点云数据，后续可在模型中添加设备资料及日常维护记录，这种直观且可视化操作对于船员的培训及日常维护具有较大的促进作用。

3.5 工程评估

船舶在运营过程中，经常受到各种外力、腐蚀的作用，加之人为因素的影响，会产生变形与损坏，导致不满足正常的使用要求；另外，由于科技的进步，使得船舶的技术状况变得陈旧落后，需要对船舶进行修理或者升级改造。利用高效而准确的测绘技术，对工程进行相应的测量、勘察及检验，通过比对相关规范及标准数据，经过综合评估可获得改造的具体需求。

3.6 改造方案的论证

修理或者改造需求基本明确后，往往需要现场调研。传统的调研方式就是由船体、机械、管道、暖通空调、电仪等多个专业现场调研，受环境、人力、时间等因素限制，往往效率不高；而基于精准的扫描技术，仅需少量人力的扫描作业，即可记录整个现场设施的布局，用直观的方式讨论并完善实施方案，可显著提高工作效率。

3.7 干涉检查

船舶与海洋工程修理及改造工程需要花费大量的时间对设备及周边环境进行测量，特别是原有设施图纸资料缺失的情况下，如果没有准确的测量数据，改造后的设施可能会与原有设施产生干涉导致修改和返工，不利于工程周期及成本的控制。

3.8 船舶监控

隨着航运业的不断发展，区域航道内的船舶通行量也快速增加，基于三维扫描技术可快速获取航道的船舶通行量并同时获取船舶的外形信息，为航道发展定位、基础设施建设以及航道管理策略制定提供依据。此外，船舶趋向大型化，为了保证船舶靠泊更加安全、高效，可利用基于激光三维视觉的船舶靠泊监测技术，提取船舶靠泊时船首、船尾相对码头的距离与速度等船舶动态靠泊参数，为船舶靠泊提供安全保障[5]。

4 三维扫描技术在船舶行业的应用

4.1 作业安全

安全是所有作业的第一要求，且安全监管部门的要求越来越高，所有的作业均需满足相应的HSE监管规定。

船舶及海洋工程行业需要进行大量的测绘作业，而其环境通常较为复杂及危险，激光扫描技术为非接触式测量、高效测量，可减少暴露在工作环境中的时间，减少作业人员往返现场的次数，降低潜在危险，特别是降低舱室、高温高压区、高空区域等恶劣环境对作业人员的伤害。

4.2 效率与成本

相对于传统的测量方式，三维测量技术可大大缩短工程的设计及施工周期，而且整个设计及施工可更为优化及合理。

4.3 工程监理

船舶与海洋工程特别是改装项目，一般采用复杂的设计和施工流程，而海工项目物料成本非常昂贵，工程期间需要对设计/现场匹配情况进行监控：

项目开工前，对整个工程进行测绘存档；

项目完成后，对整个工程再次扫描建模工作，快速对比设计偏差和物量情况；

项目完成后，存档以用于后期的工程改造。

4.4 工程质量