潘志遠(yuǎn)，周新聰，李 然，范世東

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000)

升船裝置是一種用于升降船舶的大型機(jī)械,具有量程大、運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快等特點(diǎn)[1]。本次研究對象為一個通航規(guī)模較大的垂直升船裝置，盡管已經(jīng)配備了比較完善的運(yùn)行控制系統(tǒng)，獲取了相關(guān)設(shè)備的日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，但是沒有采集船廂的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)。船廂是升船裝置核心部分，它能夠在升船裝置運(yùn)行時，作為承載船舶的工具上下運(yùn)動。如何準(zhǔn)確且及時地獲取船廂姿態(tài)信息，對提高船廂維護(hù)保障的針對性、時效性具有十分重要的意義[2]，有必要對升船裝置船廂進(jìn)行姿態(tài)檢測和分析。

三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對大量空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，它的優(yōu)勢是采集方式靈活、速度快、誤差小、密度高、且具有可測量性，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括反射強(qiáng)度信息和物體顏色信息等[3]。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)迅速且無接觸地對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度掃描[4]，可以應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的表面數(shù)據(jù)測量[5]。本次研究工作采用Trimble SX10三維激光掃描儀對升船裝置船廂的關(guān)鍵部位進(jìn)行姿態(tài)檢測，能夠高效地獲取高質(zhì)量的船廂結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，配合Trimble Realworks軟件，能夠快速獲得船廂姿態(tài)分析結(jié)果。

1 升船裝置的運(yùn)行原理

本次研究對象是一個大型全平衡式垂直升船裝置[6]，最大可以滿足2 000 噸級船舶的通行要求，船廂的實(shí)際水域尺寸為80 000×15 000×3 000，上、下閘首落差80 m。升船裝置包括塔柱、船廂、平衡裝置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和齒輪齒條驅(qū)動機(jī)構(gòu)等[7]。當(dāng)升船裝置正常運(yùn)行時，升船裝置的平衡裝置能夠完全平衡船廂結(jié)構(gòu)、設(shè)備、船舶和水的總質(zhì)量。該升船裝置可以裝載船舶進(jìn)行上升和下降運(yùn)轉(zhuǎn)。上升運(yùn)轉(zhuǎn)方式為：船廂在底部位置停留時，連通底部工作門和對應(yīng)的間隙密封裝置，等待水進(jìn)入之后，打開底部船廂門和對應(yīng)的臥倒門，船舶駛進(jìn)船廂；在船舶停穩(wěn)、升船裝置調(diào)試完成后，關(guān)上底部船廂門和對應(yīng)的臥倒門，等待水排出后，啟動間隙密封機(jī)構(gòu)和縱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，鎖定裝置進(jìn)入對接鎖定狀態(tài)；開啟驅(qū)動機(jī)構(gòu)，船廂在前2 m的高度內(nèi)保持0.01 m/s2的加速度向上運(yùn)行，之后維持0.2 m/s的速度繼續(xù)上升，在此期間，鎖定裝置在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)使下會一直工作；當(dāng)船廂上升到與頂部?？课恢孟嗑? m時，變成加速度為0.01 m/s2的減速狀態(tài)，直到船廂停留在上游位置；松開鎖定裝置，連通頂部工作門和對應(yīng)的間隙密封裝置，等待水進(jìn)入之后，打開頂部船廂門和對應(yīng)的臥倒門，船舶駛?cè)胪獠克?。下降運(yùn)轉(zhuǎn)方式與上升類似[7]。

升船裝置的船廂內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，且與塔柱有相互力的作用[8]。誤載水深、溫度、風(fēng)力等因素可能導(dǎo)致船廂姿態(tài)，進(jìn)而影響船廂與塔柱的配合[9]。為了避免長時間運(yùn)行過程中因船廂姿態(tài)變化導(dǎo)致的問題，需要進(jìn)行姿態(tài)檢測，統(tǒng)計有關(guān)數(shù)據(jù)，分析不同工作狀態(tài)下，船廂姿態(tài)變化規(guī)律，為長期觀察研究升船裝置船廂狀態(tài)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。鑒于此，有必要開展升船裝置船廂姿態(tài)分析研究。

2 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描是通過大范圍的激光發(fā)射和回傳而實(shí)現(xiàn)的，一段高質(zhì)量的激光從掃描儀的發(fā)射裝置出發(fā)，接觸到待測目標(biāo)物表面后反射回來，掃描儀可以記錄激光信號傳播的時間，從而準(zhǔn)確計算出發(fā)射器和物體的距離S[10]。

三維激光掃描儀的空間坐標(biāo)系是根據(jù)儀器自動生成的，三維坐標(biāo)系統(tǒng)原理見圖1，整個掃描系統(tǒng)由發(fā)射器和物體的距離S、2個方向的測角和測量輔助機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。三維空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)就是裝置內(nèi)激光射出的起點(diǎn)，Z軸正方向是垂直于地面向上的方向，X軸和Y軸位于同一個水平面，其中Y軸正方向是激光發(fā)射方向，X軸正方向是垂直于YOZ平面向右的方向。掃描儀的反射鏡可以測量P點(diǎn)所在位置的橫向測角α和縱向測角θ，間接算出P點(diǎn)的X、Y、Z這3個軸距，掃描點(diǎn)P三維空間坐標(biāo)表達(dá)式為：

Trimble SX10三維激光掃描儀具有高效率、高速度、高像素、高精度、非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，可以精準(zhǔn)地測得目標(biāo)對象表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測量誤差不超過2 mm，每秒能掃描26 600個點(diǎn)，最遠(yuǎn)能測量到600 m以外的物體數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)都可讀取坐標(biāo)位置、真實(shí)色彩和反射率等有關(guān)內(nèi)容，滿足要求。

圖1 三維坐標(biāo)系統(tǒng)原理圖

3 技術(shù)路線

Trimble SX10三維激光掃描儀在升船裝置船廂姿態(tài)測量中，主要包含：檢測方案與控制網(wǎng)設(shè)計、工點(diǎn)掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與分析[11]等內(nèi)容。

3.1 檢測方案與控制網(wǎng)設(shè)計

為了方便項目快速順利完成，應(yīng)該在測量數(shù)據(jù)之前規(guī)劃好具體方案。方案設(shè)計時，要勘查測量現(xiàn)場，了解測量目標(biāo)的實(shí)際狀態(tài)，確定掃描對象的具體范圍和空間分布[12]。經(jīng)過現(xiàn)場考察，確定采集數(shù)據(jù)部位為船廂下底面橫梁。選定測量時間為11月份，天氣晴朗，光線條件良好，室外氣溫約為15 ℃，風(fēng)力為微風(fēng)。由于測量是在船廂正常運(yùn)行條件下進(jìn)行，因此船廂誤載水深為±0.1 m。本次研究設(shè)計的測量工況為不同的船廂所處位置和船廂載重，船廂位置包括下游和上游2個?？课恢茫瑤d重包括空載和裝載船舶2個狀態(tài)。采集數(shù)據(jù)控制網(wǎng)的設(shè)計滿足被測對象的精度和分辨率需求。選擇自由設(shè)站法，設(shè)站時，需確保任意1個站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)能夠連接2個已知站點(diǎn)，以空間交會的方式設(shè)站，且掃描儀和船廂需處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。

SX10掃描儀有粗略、標(biāo)準(zhǔn)、精細(xì)3種掃描密度可供選擇。為了不干擾升船裝置日常工作，需要控制掃描測量時間，掃描范圍設(shè)置為船廂下底面橫梁，其它結(jié)構(gòu)不進(jìn)行掃描。當(dāng)船廂靜止?？坑谙掠挝恢脮r，在船廂底部平臺設(shè)站，由于設(shè)站位置與測量對象距離較近，單個設(shè)站只能部分測量船廂底部結(jié)構(gòu)，因此選擇對稱設(shè)多個站掃描測量，選用標(biāo)準(zhǔn)掃描密度。當(dāng)船廂靜止?？坑谏嫌挝恢脮r，也是在船廂底部平臺設(shè)站，由于設(shè)站位置與測量對象距離較遠(yuǎn)，選擇在平臺正中間設(shè)一個站掃描測量，選用精細(xì)掃描密度。

3.2 工點(diǎn)掃描

在工點(diǎn)掃描過程中，要確保采集到完整且精度滿足要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以便處理和分析數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)之前，要完成相應(yīng)的準(zhǔn)備事項，比如：儀器檢查調(diào)試、人員溝通、后勤服務(wù)等。采集數(shù)據(jù)的步驟如下：在合適的位置架設(shè)儀器，把需要的配件與儀器相連，之后進(jìn)行儀器的對中和調(diào)平。由于本次架設(shè)儀器的地面較為平整，因此儀器安置很方便。按照自由設(shè)站法設(shè)立測量站點(diǎn)。通過小型平板電腦控制掃描儀，框定采集數(shù)據(jù)的范圍，選擇基本參數(shù)。確保參數(shù)設(shè)置正確，開始數(shù)據(jù)采集工作。在每個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集完成后，及時查看已采集數(shù)據(jù)的密度和影像質(zhì)量，確保測量結(jié)果滿足要求。如果有測量數(shù)據(jù)不完整的部位，可對相應(yīng)的點(diǎn)云稀疏部分進(jìn)行高密度掃描。檢查數(shù)據(jù)無誤后，即可換站，重復(fù)前面的操作。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與分析

在船廂數(shù)據(jù)掃描完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Trimble Realworks軟件中，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、分類、噪點(diǎn)剔除、融合、著色和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)切割，可以得到升船裝置船廂下底面的掃描點(diǎn)云模型。運(yùn)用三維檢測技術(shù)，輸入處理后的結(jié)構(gòu)點(diǎn)云模型，對船廂橫梁表面進(jìn)行變形檢測，獲取橫梁不同位置的變形數(shù)據(jù)和坐標(biāo)值，進(jìn)而分析不同狀態(tài)下升船裝置的姿態(tài)。

4 船廂姿態(tài)分析

船廂下底面橫梁是船廂的承重梁，分析橫梁的姿態(tài)，即可得到船廂的姿態(tài)。船廂底部范圍大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，升船裝置運(yùn)行期間，船廂的?？课恢煤褪欠裱b載船舶可能會導(dǎo)致船廂受力的改變以及船廂姿態(tài)的變化。下面分析不同?？课恢煤痛瑤欠裱b載船舶2個因素，對船廂姿態(tài)的影響。

當(dāng)船廂?？吭谙掠挝恢每蛰d時，采集并處理船廂下底面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。船廂下底面有2個橫梁和2個縱梁，橫梁與縱梁相互垂直，提取下底面2個橫梁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在面對船廂下游閘門方向，閘門右側(cè)為橫梁A，左側(cè)為橫梁B；在船廂下底面內(nèi)，縱梁平行于2個船廂閘門，縱梁C靠近下游閘門，縱梁D靠近上游閘門。2個縱梁把橫梁分為3個部分，縱梁C左邊為橫梁左部，縱梁D右邊為橫梁右部，縱梁C和D中間為橫梁中部。選取一個靠近船廂橫梁的水平面為基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)面所在高度為0，獲取橫梁A和B各個部位到基準(zhǔn)面的距離，正值表示高于基準(zhǔn)面，負(fù)值表示低于基準(zhǔn)面。船廂橫梁表面變形值在3 mm以內(nèi)，船舶停在下游位置空載時，橫梁各部分到水平基準(zhǔn)面距離見表1，左部左側(cè)為船廂下游閘門位置，右部右側(cè)為上游閘門位置，左部右側(cè)和中部左側(cè)分別為縱梁C的左右兩側(cè)，中部右側(cè)和右部左側(cè)分別為縱梁D的左右兩側(cè)，中部最高處為整個橫梁最高點(diǎn)。

表1 船廂停在下游位置空載時，橫梁各部分到水平基準(zhǔn)面距離 m

由表1知，在平行于橫梁方向，船廂下底面2個橫梁都呈現(xiàn)向上拱起狀態(tài)，橫梁左右端高度相同，橫梁A最大撓度值為90 mm，橫梁B最大撓度值為100 mm，且橫梁B的整體高度比橫梁A高80 mm左右。在垂直于橫梁方向，橫梁A和B都呈現(xiàn)向內(nèi)側(cè)傾斜的狀態(tài)，即靠近中心線那一側(cè)比靠近船廂邊緣那一側(cè)低20 mm。通過分析得知，船廂的姿態(tài)為：船廂上、下游閘門兩端高度相同；在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)比右側(cè)高80 mm。

當(dāng)船廂?？吭谙掠挝恢?，且裝載1 000噸級船舶時，橫梁各部分到水平基準(zhǔn)面距離見表2。由于船舶停靠在偏向船廂下游閘門位置，則船廂的姿態(tài)為：船廂下游閘門位置比上游低10 mm，在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)比右側(cè)高80 mm。

當(dāng)船廂停靠在上游位置空載時，橫梁各部分到水平基準(zhǔn)面距離見表3，船廂的姿態(tài)為：船廂下游閘門位置比上游高40 mm；在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)和右側(cè)高度相同。當(dāng)船廂?？吭谏嫌挝恢?，且裝載1 000噸級船舶時，橫梁各部分到水平基準(zhǔn)面距離見表4，船廂的姿態(tài)為：船廂下游閘門位置比上游高30 mm；在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)和右側(cè)高度相同。

表2 船廂停在下游位置載船時，橫梁各部分到水平基準(zhǔn)面距離 m

表3 船廂停在上游位置空載時，橫梁各部分到水平基準(zhǔn)面距離 m

表4 船廂停在上游位置載船時，橫梁各部分到水平基準(zhǔn)面距離 m

對比表1和表2，表3和表4的數(shù)據(jù)可知：當(dāng)船廂位于下游或者上游?？课恢脮r，船舶?？吭谄虼瑤掠伍l門位置，會導(dǎo)致船廂的姿態(tài)改變，即船廂下游閘門位置與上游位置的高度差下降；在面對船廂下游閘門的方向，左、右側(cè)高度差不改變。對比表1和表3的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)船廂空載時，船廂位于下游?？课恢煤蜕嫌瓮？课恢玫淖藨B(tài)有較大不同。當(dāng)船廂位于下游?？课恢脮r，上下游閘門兩端高度相同，在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)比右側(cè)高；而當(dāng)船廂位于上游停靠位置時，下游閘門位置比上游高，在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)和右側(cè)幾乎等高。

5 結(jié)束語

1)本次研究運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)，測量升船裝置的船廂在不同狀態(tài)下的姿態(tài)。測量儀器的精度滿足測量要求，可獲取船廂結(jié)構(gòu)的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)分析得到船廂姿態(tài)結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的，為后續(xù)升船裝置船廂的維護(hù)保障研究提供數(shù)據(jù)支持。

2)船廂下底面橫梁呈現(xiàn)中間凸起兩側(cè)凹陷的拱形，且表面是凹凸不平的，表面變形值在3 mm以內(nèi)。當(dāng)船廂位于下游?？课恢们铱蛰d時，2個橫梁的最大撓度值分別為90 mm和100 mm。船廂的姿態(tài)是：上下游閘門兩端高度相同，在面對船廂下游閘門的方向，左側(cè)比右側(cè)高80 mm。

3)船廂?？课恢玫牟煌褪欠裱b載船舶，都會導(dǎo)致船廂姿態(tài)的改變。