Применение 3D наземного лазерного сканирования в моделировании цехов промышленных предприятий

Эффективность наземного лазерного сканирования и 3D моделирования в промышленности на примере выполненного проекта

Крайне эффективно использование инновационной технологии наземного 3D лазерного сканирования в трехмерном моделировании цехов различных промышленных предприятий. В качестве прекрасного примера 3D сканирования в промышленности приведем проект по построению трехмерной цифровой модели относительно большого участка сталеплавильного цеха металлургического завода в городе Волгограде, который по данным проведенного лазерного сканирования был успешно выполнен специалистами нашей инженерной компании в марте 2005 года. Необходимый для 3D моделирования участок представлял собой часть стены цеха, на которой были закреплены трубы и различные металлические конструкции, и съемную часть (крышку) сталеплавильного резервуара.

Сложности при выполнения 3D лазерного сканирования на действующем металлургическом производстве

Процесс выплавки стали непрерывный, поэтому выполнять работы по 3D лазерному сканированию цеха предстояло в непосредственной близости от раскаленных печей, различных котлов, подъемных кранов, железнодорожных линий с движущимися составами, что могло вызвать определенные затруднения, связанные с периодическим попаданием в створ лазерного луча посторонних предметов, резкими перепадами температуры, вибрацией и запыленностью.

Тем не менее, такие сложнейшие условия практически никак не отразились на качестве полученной измерительной информации.

Полевые работы: рекогносцировка, инструктаж, геодезическая привязка сканера и лазерное сканирование

Работы на объекте заняли всего полтора дня. В первый день проводился инструктаж бригады инженеров по технике безопасности и рекогносцировка объекта. В ходе рекогносцировки были выбраны места установки лазерного сканера и электронного тахеометра, который был необходим для геодезической привязки точечной модели. Кроме этого, были определены места размещения сфер, предназначенных для сшивки сканов, полученных с разных станций. Во второй день было выполнено лазерное 3D сканирование объекта и семи сфер, координаты центров которых были получены электронным безотражательным тахеометром Nikon NPL-632. Трехмерное лазерное сканирование металлургического цеха осуществлялось 3D лазерным сканером Trimble GX — самой передовой на тот момент сканирующей системой.

Результаты 3D лазерного сканирования и камеральные работы, включающие трехмерное моделирование

В результате проведенного 3D лазерного сканирования объекта было получено четыре скана с двух станций. Средняя плотность съемки составила 10 мм. Общее количество отсканированных точек — 4,2 миллиона. Время, затраченное инженерами на лазерное сканирование — 4 часа. Камеральные работы осуществлялись в два этапа. На первом этапе была выполнена сшивка сканов, то есть объединение сканов, полученных с разных станций, в единую координатную систему. Сшивка сканов была произведена в автоматическом режиме с использованием сфер. Используя координаты данных сфер, полученные с помощью безотражательного тахеометра Nikon NPL-632, точечная модель объекта была ориентирована в заданной системе координат. Погрешность сшивки составила 7 мм. Время, затраченное на сшивку сканов, составило 1 час. На втором этапе камеральных работ была построена 3D модель объекта. Для трехмерного моделирования использовалось программное обеспечение 3Dipsos, которое позволяет вписывать в «облака» точек соответствующие им графические примитивы, такие как сфера, конус, цилиндр и прочие. Помимо этого, программное обеспечение 3Dipsos дает возможность по заданным параметрам или с использованием дополнительных библиотек встраивать в «облака» точек более сложные объекты, такие как лестницы, перила, уголки, швеллеры и многие другие. На этот этап работ было затрачено 6 чел./дней.

Результаты выполненных работ по наземному лазерному сканированию и 3D моделированию цеха завода

Таким образом, конечным результатом всего комплекса проведенных на данном объекте работ явилась построенная по результатам трехмерного наземного лазерного сканирования 3D модель участка стены цеха металлургического завода и крышки сталеплавильного резервуара, которую можно экспортировать в CAD-системы с целью дальнейшей обработки. Полученная цифровая 3D модель может использоваться для решения задач обратного проектирования, инспектирования (сравнения модели, полученной методом 3D лазерного сканирования, и проектной модели, а также выявления величин различных отклонений и характера их распределения), уточнения конструкторской документации, построения обмерных чертежей и планов. На основании такой модели можно выполнять работы по проектированию и модернизации оборудования. Готовая трехмерная модель может быть передана в самые разнообразные системы автоматизированного проектирования: AutoCAD, Bentley, AVEVA, Intergraph.

Дальнейшее использование 3D моделей, построенных по результатам лазерного сканирования

Трехмерные модели, связанные с базами данных, содержащими полное описание объекта (тип, диаметр, наполнение труб, марки металлов и прочих характеристик), с успехом используются в дальнейшем в качестве пространственной основы автоматизированных систем управления производством (АСУП). Используя трехмерную модель цеха или его участков, можно решать задачи обучения персонала, прогнозирования внештатных ситуаций, мониторинга и многие другие. Выполнение подобной работы с применением традиционных приборов и методов измерений (тахеометров, фотограмметрии) заняла бы в несколько раз больше времени и на полевой цикл, и на следующую за ним обработку. В среднем, технология наземного лазерного сканирования позволяет сокращать время на выполнение полевой части работ до 80-90%. Приведенный пример еще раз весьма ярко и убедительно доказывает эффективность применения лазерного сканирования для выполнения исполнительной съемки, а также и для полноценного 3D моделирования сложных промышленных объектов.