CN105737751A - 立式储罐变形监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立式储罐变形监测系统，其特征在于，所述系统包括：数据处理装置、定位装置，安装在所述第一基准点的全站仪、安装在所述第二基准点的反射棱镜，安装在每个所述测绘点的三维激光扫描仪，以及在所述立式储罐外罐壁上与所述测绘点对应设置的多个扫描标靶组；所述测绘点分布于所述立式储罐外侧四周，所述第一、第二基准点与所述立式储罐之间的距离远大于所述测绘点与所述立式储罐之间的距离。本发明的立式储罐变形监测系统及方法，通过使用三维激光扫描对立式储罐扫描并进行相应的数据处理，可以实现对立式储罐整体几何变形安全状况的连续监测。

Description

立式储罐变形监测系统及方法

技术领域

本发明涉及储罐安全管理及测量技术领域，尤其是涉及一种大型立式原油储罐的变形安全监测系统及方法。

背景技术

大型立式储罐具有节省钢材、占地少、投资省、便于操作、管理等优点。发达国家建造、使用大型储罐已有近30年的历史，随着生产的需要和我国石油战略储备计划的实施，近些年大型立式储罐在国内也得到了迅速发展。影响立式储罐安全运营的因素很多，而储罐大型化使罐底和管壁的应力分布和变形情况也变得非常复杂，通常罐体局部凹凸、椭圆度、最大倾斜度，基础沉降等几何尺寸是很重要的指标，如果这些指标过大，将导致储罐浮顶密封圈密封不严，引起油气浓度偏高，容易发生火灾；同时罐体发生局部变形和不均匀沉降后，超过一定限度会使得储罐不能完全利用或根本无法使用，并造成生产和人员安全隐患，一旦发生事故，损失将十分惨重。因此对立式储罐，特别是大型立式储罐的几何变形进行安全监测是十分必要的。

传统上，对小容积金属储罐可以通过搭梯使用围尺法测量凹瘪等变形，但该方法无法准确测量出发生较大变形的罐壁凹瘪容积。大型金属储罐安全检测通常是使用光学参比法和光电法对储罐变形进行测量。光学参比法需要使用光学垂准仪、水平直尺、移动式磁性标尺仪等，但其在罐壁变形复杂时，会产生较大的测量误差。光电法测量储罐变形一般采用全站仪和GPS等，但该方法属于单点式监测，也就是只能以点观测而获取较少观测点的形变数据，无法获取局部和整体变形细节，并且设备现场安装难度较大，不能满足实际生产需求。

三维激光影像扫描技术是20世纪90年代中期开始出现的一项高新技术，它具有许多新的特性及功能，将其引入到变形监测领域，探索其在该领域的应用方法及理论，具有极其现实的意义。

唐琨等(基于三维激光扫描的建筑物变形监测方法研究，测绘地理信息，2013，38(2)，54-56)提出利用三维激光扫描监测建筑物基于中心线上节点坐标偏移的方法进行建筑物变形监测。该方法测量精度较高，在使用时主要利用标靶构成的基准面作为测量截面的基准面。但该方法获得的监测数据是中心线上节点坐标的个别监测点数据，无法反应整体变形细节信息，因而无法应用于立式储罐的安全监测。

中国专利“一种利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法”(CN102607447A)提出了一种利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法，该方法可以对变形阶段滑坡、开挖边坡、变形体的形变进行快速监测。该监测方法要求在固定站点周围布置一定数量的反射体，并且要保证反射体在整个监测过程中固定不动，然后根据参照目标反射中心利用反射体来配准不同时间序列下的扫描文件反应形变量，但实际测量中受应用环境空间等客观因素限制，很难保证反射体固定不动或难于找到能安装不动反射体的空间位置，降低了该方法的实用性，因此也无法应用于立式储罐的几何变形安全监测。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种立式储罐变形监测系统及方法，通过在远离立式储罐的位置设置基准点，将三维激光扫描的坐标转换成基准点的大地坐标，可以实现对立式储罐整体几何变形安全状况的连续的精确的监测。

为实现上述发明目的，本发明的提供一种立式储罐变形监测系统和检测方法。

一方面，本发明提供一种立式储罐变形监测系统，包括：

数据处理装置、定位装置、安装在所述第一基准点的全站仪、安装在所述第二基准点的反射棱镜、安装在每个所述测绘点的三维激光扫描仪，以及在所述立式储罐外罐壁上与所述测绘点对应设置的多个扫描标靶组；

所述测绘点分布于所述立式储罐外侧四周，所述第一、第二基准点与所述立式储罐之间的距离远大于所述测绘点与所述立式储罐之间的距离；

所述定位装置用于测量所述第一、第二基准点的大地坐标，所述数据处理装置获得所述定位装置的定位数据、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据并分析得出所述立式储罐的变形情况。

其中，每个所述扫描标靶组至少包括三个标靶点，并且所述每个扫描标靶组中的各个标靶点排列成除直线外的其他形式。

其中，所述扫描标靶组中至少一个扫描标靶组具有三个标靶点，并且所述三个标靶点呈三角形分布。

其中，所述全站仪用于测量所述标靶点呈三角形分布的扫描标靶组中的每个标靶点的坐标。

其中，所述测绘点与所述立式储罐的罐壁之间的距离为0～300m。

其中，所述第一、第二基准点之间的距离为0.8d～2.0d，其中，d为所述立式储罐的直径。

另一方面，本发明还提供一种立式储罐的变形监测方法，应用上述立式储罐变形监测系统，所述方法包括：

S1，测量第一、二基准点的大地坐标；

S2，测量标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的测量坐标；

S3，用三维激光扫描仪扫描每个测绘点并存储扫描的点云数据文件；

S4，对所述第一、第二基准点的大地坐标、所述标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标和所述点云数据文件进行处理，分析所述立式储罐的变形情况。

其中，所述步骤S4具体包括：

S41，对每个所述测绘点的点云数据文件进行处理，得到立式储罐整体的点云数据文件；

S42，对所述第一、第二基准点的大地坐标和所述标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标进行坐标解算，将所述标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标转换为标靶中心大地坐标；

S43，利用标靶中心大地坐标将所述立式储罐整体的点云数据文件进行坐标结算，转换成大地坐标系下点云数据文件；

S44，对所述大地坐标系下点云数据文件进行三维空间建模，分析所述立式储罐的变形情况。

其中，所述步骤S41具体包括：

对每个所述测绘点的点云数据文件进行预处理编辑，去除其中的噪声点后进行点云数据文件拼接，得到所述立式储罐整体的点云数据文件。

其中，所述步骤S44具体包括：

对不同时间测量的所述大地坐标系下点云数据文件分别进行三维空间建模，进行模型匹配和对比分析，根据不同时间所述立式储罐各个数据点的坐标变化分析所述立式储罐的变形情况。

本发明的立式储罐变形监测系统及方法，利用激光测距原理可以全方位、快速、连续、自动地获取目标数据，具有高精度、高密度、高效率和低成本的优点；同时，通过在远离立式储罐的位置设置基准定，将三维激光扫描的数据的坐标转换成基准点的大地坐标，从而可以避免测绘点的坐标变化引起的扫描数据的误差增大，从而可以真实描述立式储罐的整体结构及形态特性，以快速、准确地生成三维数据模型，得到立式储罐不同方位和角度的几何参数值，实现对立式储罐的整体监测，有效避免了传统变形监测手段基于点数据进行变形分析造成的局部性和片面性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例的立式储罐变形监测系统结构示意图；

图2示出了本发明的实施例的对立式储罐进行变形监测的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明实施例的立式储罐变形监测系统的结构示意图。

参照图1，本发明的一个实施例的立式储罐变形监测系统包括：数据处理装置、定位装置、安装在第一基准点5的全站仪8、安装在第二基准点6的反射棱镜7，安装在每个测绘点4的三维激光扫描仪9，以及在所述立式储罐1外罐壁上与所述测绘点4对应设置的多个扫描标靶组3。

测绘点4沿立式储罐1外侧四周均匀分布，为了提高测量精度和测量效率，优选地，可以在立式储罐1的周围设置6个测绘点。且每个测绘点距离立式储罐1的罐壁的距离为0～300m，优选地，设置为0.5dm，其中，d为立式储罐的直径。

第一基准点5和第二基准点6设置在立式储罐1的监测区域的外部，并且第一基准点5和第二基准点6分别与立式储罐1之间的距离远大于测绘点4与立式储罐1之间的距离，并且第一基准点5和第二基准点6之间的距离设置为0.8d～2.0d，优选地可以将第一基准点和第二基准点之间的距离设置为1.5d。

每个扫描标靶组3至少设置3个标靶点，优选设置3个；扫描标靶组3中的标靶点可以是标靶纸也可以是标靶球。以标靶纸为例，标靶纸中圆形图案直径可以是30cm～300cm，优选直径为80cm。并且每个扫描标靶组3的标靶点排列成除直线外的其他形式。另外，最少有一个扫描标靶组具有三个标靶点并且呈三角形分布。在一个实施例中，为了提高测量精度，并且计算简单，该三个标靶点可以设置为等边三角形分布。

每个扫描标靶组的标靶点之间的距离可以根据立式储罐的体积设定，在一个实施例中，每个扫描标靶组的标靶点之间的距离最少为0.5m。优选地，设置为0.45hm，其中h为立式储罐的地面高度。

定位装置用于测量第一基准点5和第二基准点6的大地坐标。在一个实施例中，可以使用高精度的GPS测量仪测量第一基准点5和第二基准点6的大地坐标。

如图1所示，第一基准点5的全站仪8和第二基准点6的反射棱镜7用于测量标靶点呈三角形分布的一个扫描标靶组中的每个标靶点的坐标。

数据处理装置可以通过有线或无线的方式连接到定位装置、全站仪和三维激光扫描仪，用于接收来自定位装置、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据并对数据进行相应的处理和分析，从而得到立式储罐的变形情况。在本发明中，数据处理装置可以是PC、服务器、也可以是工作站。

为了进一步体现本发明提供的立式储罐变形监测系统的优越性，本发明的另一个实施例中，本发明还提供了一种应用上述立式储罐变形监测系统进行变形监测的方法。

图2示出了本发明的实施例的一种立式储罐变形监测系统对立式储罐进行变形监测的方法的流程图。

参照图2，本发明的另一个实施例的立式储罐变形监测方法的具体步骤包括：

S1，使用定位装置测量第一基准点5和第二基准点6的大地坐标。如在一个实施例中，可以使用高精度的GPS测量仪测量第一基准点5和第二基准点6的大地坐标；

S2，进行全站仪定向，然后用全站仪测量标靶点呈三角形分布的一个扫描标靶组的每个标靶点的测量坐标；

S3，用三维激光扫描仪在每个测绘点对立式储罐进行扫描并存储相应的点云数据文件；

S4，对第一、第二基准点的大地坐标、标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标和点云数据文件进行处理，并建立立式储罐的三维空间模型，分析立式储罐的变形情况。

具体地，步骤S4包括：

S41，对每个测绘点的点云数据文件进行预处理编辑，去除其中的噪声后进行扫描点云数据文件拼接，得到立式储罐整体的点云数据文件；

S42，利用坐标解算软件，对第一、第二基准点的大地坐标和标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标进行坐标解算，将标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标转换为标靶中心大地坐标；

S43，利用标靶中心大地坐标将立式储罐整体的点云数据文件转换成大地坐标系下点云数据文件；

S44，对不同时间测量的大地坐标系下点云数据文件分别进行三维空间建模，进行模型匹配和对比分析，根据不同时间的立式储罐各个数据点的坐标变化分析立式储罐的变形情况。

在本实施例中，立式储罐的变形包括基础沉降、倾斜、椭圆度、局部凹凸等变形。

另外，本发明的方法和系统可以对立式储罐进行连续的监测，并且对不同时期的监测数据进行对比，可以实时地监测到立式储罐的变形情况，从而可以对避免事故的发生。

在另一个实施例中，在对20万立方米的大型浮顶原有储罐几何变形安全监测时，该储罐为大型的薄壁圆筒体，通过混凝土环墙设置于地面，储罐几何结构具有回转体的轴对称特性，直径为110m，罐壁高度为24m。

在设置监测系统时，在储罐的四周均匀布置6个测绘点，测绘点具罐壁的距离为55m，在监测区域之外，即在与罐壁的距离远大于55m之外的区域设置第一基准点和第二基准点，其上分别设置全站仪和反射棱镜，并且两个基准点之间的距离为165m。

在与每个测绘点相对的罐壁上贴一个标靶纸，标靶选用圆形图案的标靶纸，图案直径设置为80cm，每个三个标靶纸，并且将三个标靶纸设置为等边三角形分布，标靶纸之间的距离为8m。

在数据处理装置、全站仪和三维激光扫描仪之间建立无线传输系统，从而可以快速、实时地将全站仪和三维激光扫描仪的数据传输到数据处理器。

在系统设置完成后，使用上述系统即可对该原油储罐进行连续的监测，通过数据处理器对监测数据进行处理，从而可以实时地监测到原油储罐的变形情况。

本发明的立式储罐变形监测系统及方法，利用激光测距原理可以全方位、快速、连续、自动地获取目标数据，具有高精度、高密度、高效率和低成本的优点；同时，通过在远离立式储罐的位置设置基准定，将三维激光扫描的数据的坐标转换成基准点的大地坐标，从而可以避免测绘点的坐标变化引起的扫描数据的误差增大，从而可以真实描述立式储罐的整体结构及形态特性，以快速、准确地生成三维数据模型，得到立式储罐不同方位和角度的几何参数值，实现对立式储罐的整体监测，有效避免了传统变形监测手段基于点数据进行变形分析造成的局部性和片面性。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的具体实施技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种立式储罐变形监测系统，其特征在于，所述系统包括：

数据处理装置、定位装置、安装在所述第一基准点的全站仪、安装在所述第二基准点的反射棱镜、安装在每个所述测绘点的三维激光扫描仪，以及在所述立式储罐外罐壁上与所述测绘点对应设置的多个扫描标靶组；

所述测绘点分布于所述立式储罐外侧四周，所述第一、第二基准点与所述立式储罐之间的距离远大于所述测绘点与所述立式储罐之间的距离；

所述定位装置用于测量所述第一、第二基准点的大地坐标，所述数据处理装置获得所述定位装置的定位数据、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据并分析得出所述立式储罐的变形情况。

2.根据权利要求1所述的立式储罐变形监测系统，其特征在于，每个所述扫描标靶组至少包括三个标靶点，并且所述每个扫描标靶组中的各个标靶点排列成除直线外的其他形式。

3.根据权利要求1所述的立式储罐变形监测系统，其特征在于，所述扫描标靶组中至少一个扫描标靶组具有三个标靶点，并且所述三个标靶点呈三角形分布。

4.根据权利要求3所述的立式储罐变形监测系统，其特征在于，所述全站仪用于测量所述标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标。

5.根据权利要求1-4任一项所述的立式储罐变形监测系统，其特征在于，所述测绘点与所述立式储罐的罐壁之间的距离为0～300m。

6.根据权利要求1-4的任一项所述的立式储罐变形监测系统，其特征在于，所述第一、第二基准点之间的距离为0.8d～2.0d，其中，d为所述立式储罐的直径。

7.一种应用权利要求1-6任一项所述的系统进行立式储罐的变形监测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，测量第一、二基准点的大地坐标；

S2，测量标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标；

S3，用三维激光扫描仪扫描所述立式储罐并存储相应的点云数据文件；

S4，对所述第一、第二基准点的大地坐标、所述标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标和所述点云数据文件进行处理，分析所述立式储罐的变形情况。

8.根据权利要求7所述的立式储罐变形监测方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

S41，对每个所述测绘点的点云数据文件进行处理，得到立式储罐整体的点云数据文件；

S42，对所述第一、第二基准点的大地坐标和所述标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标进行坐标解算，将所述标靶点呈三角形分布的扫描标靶组的每个标靶点的坐标转换为标靶中心大地坐标；

S43，利用标靶中心大地坐标将所述立式储罐整体的点云数据文件进行坐标结算，转换成大地坐标系下点云数据文件；

S44，对所述大地坐标系下点云数据文件进行三维空间建模，分析所述立式储罐的变形情况。

9.根据权利要求8所述的立式储罐变形监测方法，其特征在于，所述步骤S41具体包括：

对每个所述测绘点的点云数据文件进行预处理编辑，去除其中的噪声点后进行点云数据文件拼接，得到所述立式储罐整体的点云数据文件。

10.根据权利要求8或9所述的立式储罐变形监测方法，其特征在于，所述步骤S44具体包括：

对不同时间测量的所述大地坐标系下点云数据文件分别进行三维空间建模，进行模型匹配和对比分析，根据不同时间所述立式储罐各个数据点的坐标变化分析所述立式储罐的变形情况。