趙煥宇 唐 奎 / 大連市計(jì)量檢定測(cè)試所

0 引 言

臥式金屬罐，簡(jiǎn)稱(chēng)臥式罐，作為儲(chǔ)存液體的計(jì)量器具，廣泛應(yīng)用于油庫(kù)、加油站等。目前國(guó)際上對(duì)臥式罐的計(jì)量，主要依靠流量計(jì)或由流量計(jì)改裝的一些子系統(tǒng)來(lái)完成?；蛘哂锰坠艹?、半徑規(guī)等方法由人工測(cè)量得到油罐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前我國(guó)主要的測(cè)量手段和國(guó)際上基本相同，大都是采用流量計(jì)和液位儀相結(jié)合的方式，對(duì)油罐進(jìn)行測(cè)量。手段更原始的，就是直接使用套管尺和半徑規(guī)等設(shè)備由計(jì)量人員進(jìn)入油罐內(nèi)部直接測(cè)量。但是這兩種方法弊端都非常明顯。如：在用流量計(jì)和液位計(jì)做混合法測(cè)量時(shí)，必須要有一個(gè)空的計(jì)量罐（一般都是額外再用一個(gè)油罐車(chē)），同時(shí)要求流量計(jì)的準(zhǔn)確度要高、液位也要穩(wěn)定，要排除氣泡等，目前的準(zhǔn)確度大約只能做到千分之五。并且計(jì)量一個(gè)普通的臥式罐時(shí)間大約要1 d，給企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)帶來(lái)非常大的困擾。 用人工法進(jìn)行計(jì)量時(shí)，準(zhǔn)確度很難控制，并且由于計(jì)量人員要在油氣環(huán)境下進(jìn)行工作，對(duì)人身健康非常不利。準(zhǔn)確度方面更是難以保證[1]。

通過(guò)測(cè)量?jī)x器自動(dòng)對(duì)臥式罐容量進(jìn)行檢定和數(shù)據(jù)處理，是臥式金屬罐檢測(cè)標(biāo)定的發(fā)展趨勢(shì)，是石油公司及計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的迫切需求。

1 技術(shù)原理及測(cè)量方法

臥式罐容積標(biāo)定系統(tǒng)主要包括主檢測(cè)儀、控制器和計(jì)算機(jī)，它們之間通過(guò)傳輸信號(hào)線連接。主檢測(cè)儀由旋轉(zhuǎn)軸、傾斜軸及激光探測(cè)器三大部分構(gòu)成，工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理

進(jìn)行臥式儲(chǔ)罐容積標(biāo)定時(shí)，將主檢測(cè)儀倒置于儲(chǔ)罐罐口，將激光探測(cè)器伸入罐內(nèi)適當(dāng)位置，通過(guò)設(shè)置控制器內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，將相關(guān)的命令通過(guò)RS232通信線纜傳輸至主檢測(cè)儀，此時(shí)旋轉(zhuǎn)軸沿水平面 0°～360°旋轉(zhuǎn)，傾斜軸沿豎向臺(tái)面 0°～180°旋轉(zhuǎn)，通過(guò)Z軸調(diào)整俯仰角a，對(duì)應(yīng)每一角度a，T軸帶動(dòng)激光在一圓周內(nèi)以角度間隔b測(cè)量一組數(shù)據(jù)，采用相同方法從a由0°測(cè)到180°即可完成全部測(cè)試。如此循環(huán)，將整個(gè)儲(chǔ)罐分割為若干個(gè)斷面，直至測(cè)量完所有斷面數(shù)據(jù)，儀器自動(dòng)停止。然后相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)主機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過(guò)議定的算法得到臥式金屬罐的罐容積。

2 測(cè)量數(shù)據(jù)分析及后期處理

臥式罐由中部的圓柱部分和兩頭的堵頭構(gòu)成，因此可分別進(jìn)行幾何形體的擬合，最后綜合主體和堵頭，則可得到臥式罐的容積等信息。本方案的關(guān)鍵在于如何利用離散的點(diǎn)云擬合高精度的形體。分析臥式罐的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，主要分為柱體的圓柱擬合和堵頭的二次曲面擬合。

面對(duì)海量點(diǎn)云（見(jiàn)圖2），數(shù)據(jù)處理時(shí)要盡量避免同時(shí)操作整個(gè)數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的思想為將掃描點(diǎn)云按其空間位置進(jìn)行“分塊”，數(shù)據(jù)處理時(shí)可以將操作的點(diǎn)集縮小到每個(gè)小的分塊，從而加快數(shù)據(jù)處理的速度，提高效率。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有格網(wǎng)結(jié)構(gòu)、八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)和KD樹(shù)結(jié)構(gòu)等。格網(wǎng)法直接將點(diǎn)云分割成大小相等的多個(gè)小方格，原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，但它在分割時(shí)沒(méi)有考慮到掃描點(diǎn)云是表面數(shù)據(jù)，中間是空洞的特點(diǎn)，因此造成浪費(fèi)；另外，它的搜索速度較慢。KD樹(shù)是一種動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，即根節(jié)點(diǎn)不同，或者插入的順序不同，都會(huì)造成最后的分割結(jié)構(gòu)不同；八叉樹(shù)法采用遞歸的方法進(jìn)行分割，點(diǎn)越密的區(qū)域分割越細(xì)，分割比較合理，計(jì)算速度快，效率高[4]。因此，本方案采用八叉樹(shù)法管理數(shù)據(jù)（示意如圖 3）。

圖2 海量點(diǎn)云

圖3 八叉樹(shù)法管理數(shù)據(jù)

由于三維空間中的圓柱體需要確定軸向的姿態(tài)，圓柱狀的擬合相對(duì)于平面和球的擬合要復(fù)雜，特別是在進(jìn)行圓柱擬合時(shí)，迭代初值的確定直接影響擬合結(jié)果。先后有學(xué)者利用RANSAC法、遺傳算法、高斯映射法、距離函數(shù)參數(shù)化法等進(jìn)行圓柱體擬合，但有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：無(wú)法得到穩(wěn)定可靠的擬合結(jié)果。為了克服上述方法的缺點(diǎn)，使圓柱擬合既穩(wěn)定又可靠，提出了將基于RANSAC算法的高斯映射所獲取的穩(wěn)定的圓柱擬合參數(shù)作為初始值，代入到圓柱距離函數(shù)參數(shù)化法再進(jìn)行非線性最小二乘擬合，保證擬合結(jié)果的正確性。

對(duì)于非線性最小二乘擬合來(lái)說(shuō)，采用Levenberg-Marquardt方法的非線性最小二乘求解，關(guān)鍵在于擬合初值的選取，即盡可能地將初值近似于真實(shí)解，否則會(huì)影響迭代求解速度和精度，甚至?xí)?dǎo)致迭代發(fā)散，得不到正確的解。本方案采用高斯映射法獲取初始值。

高斯映射是指將曲面上任一點(diǎn)的單位法向量的起點(diǎn)平移到坐標(biāo)原點(diǎn)的過(guò)程。圓柱體(不包括兩個(gè)端部)的高斯圖是高斯球上過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一個(gè)平面與高斯球所交圓弧曲線上的點(diǎn)集，因此圓柱體軸線向量與其高斯圖所在平面的法向量平行。為了獲取較好的初值，利用圓柱體軸線方向向量與其高斯圖所在平面的法向量平行的特性（原理見(jiàn)圖4）。由于目前國(guó)內(nèi)的臥式金屬罐存在各種形狀的堵頭，因此暫定用二次曲面進(jìn)行擬合。

圖4

3 主要特點(diǎn)

根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)油單位、用油單位以及檢定單位所掌握的數(shù)值很難達(dá)到相對(duì)的一致，而通過(guò)相對(duì)繁瑣的計(jì)量方法給出的數(shù)值的不確定度又非常大，因此獲得高精度的油罐容積表，是計(jì)量檢定單位和臥式金屬罐使用單位的迫切需求[5]。

本裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的臥式金屬罐檢測(cè)，主要特點(diǎn)有：

1）在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，對(duì)罐體內(nèi)部空間的掃描成像和罐體內(nèi)部本身的情況相對(duì)一致，且數(shù)值準(zhǔn)確。臥式罐檢定結(jié)果的總不確定度不大于0.4%。

2）如遇到罐體傾斜的情況也不會(huì)影響到掃描結(jié)果所讀出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

3）罐體變形或罐壁有異物的情況下（如：地埋罐）儀器收回的數(shù)據(jù)圖像中可顯示出罐體內(nèi)部存在問(wèn)題位置的所在。

4）可人工對(duì)儀器進(jìn)行罐體內(nèi)部的掃描點(diǎn)數(shù)、角度等具體數(shù)值進(jìn)行控制，大大提高了掃描結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

5）針對(duì)罐種的不同可以對(duì)罐體兩端堵頭形狀進(jìn)行選擇性擬合。

6）設(shè)備進(jìn)行防爆改裝安全可靠，可適用于加油站（如：中石化、中石油）、儲(chǔ)油單位、用油單位、計(jì)量所、各大院校。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維模擬、實(shí)物重構(gòu)、虛擬現(xiàn)實(shí)等理論的相繼提出，人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)已從平面二維空間，逐漸轉(zhuǎn)向空間三維立體模式?；邳c(diǎn)云擬合方法設(shè)計(jì)的臥式罐容積檢測(cè)裝置，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，以其非接觸、掃描速度快、獲取信息量大、自動(dòng)化程度高、操作快速簡(jiǎn)捷、明顯降低勞動(dòng)強(qiáng)度、數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，并具有良好的數(shù)據(jù)管理功能。另外，罐體充液產(chǎn)生的彈性變形或罐體內(nèi)部的局部變形都會(huì)對(duì)罐容量產(chǎn)生影響，本方法能很好地對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行修正（幾何法對(duì)這一變化狀態(tài)忽略不計(jì)），本方法用于臥式金屬罐的計(jì)量和檢測(cè)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

[1]孫大勇. 地埋臥式金屬罐容積測(cè)量的探討[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007，34（9）： 8-10.

[2]傅青喜，范勇，閆鳳霞，等. 鐵路罐車(chē)容積新型檢定設(shè)備的研究[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào)，2007，28（3A）： 244-246.

[3]J.P.Damion, Means of Dynamic Calibration for Pressure Transducers,Workshop on the Measurement of Transient Pressure and Temperature,Gaithersburg, Mariland, 22-23 April 1991.

[4]劉曉平，翁曉毅，陳皓，等. 運(yùn)用改進(jìn)的八叉樹(shù)算法實(shí)現(xiàn)精確碰撞檢測(cè)[N]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17（12）：2631-2635.

[5]劉子勇. 容量計(jì)量[M]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009.