CN105737752A - 一种立式储罐安全系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种立式储罐安全系统，包括：包括至少一个基准标靶组的标靶组；全站仪测量单元，用于测量基准标靶组中的标靶的基准坐标；三维激光扫描单元，用于扫描待测储罐的表面和标靶组，得到待测储罐表面的储罐点云数据和标靶组中标靶的标靶点云数据；数据采集控制单元，用于获取基准标靶组中的标靶的基准坐标、待测储罐表面的储罐点云数据和标靶组中标靶的标靶点云数据，并发送给数据处理单元；数据处理单元，用于根据数据采集控制单元发来的基准坐标、储罐点云数据和标靶点云数据，生成待测储罐的变形数据。本发明提供的一种立式储罐安全系统，能够较全面地获得储罐的几何变形细节。

Description

一种立式储罐安全系统

技术领域

本发明涉及储罐安全管理及监测技术领域，尤其涉及一种立式储罐安全系统。

背景技术

随着立式储罐的广泛应用，立式储罐的安全也越来越受到重视。立式储罐的罐底和罐壁应力分布和变形情况非常复杂，因此立式储罐特别是大型立式储罐对地基的承载力、稳定性、工后沉降的要求很高。影响立式储罐安全运营的因素很多，其中罐体局部凹凸、椭圆度和最大倾斜度等几何尺寸是很重要的指标，如果这些指标过大超过一定限度后会使得储罐发生应力集中失效而不能完全利用或根本无法使用，并对生产和人员造成安全隐患；对于浮顶立式储罐，几何变形还会导致浮顶密封圈密封不严，引起油气浓度偏高，容易发生火灾；同时罐体一旦发生事故，损失将十分惨重。因此对立式储罐的几何尺寸进行连续的安全监测是十分必要的。

现有技术中，对立式储罐的安全检测手段主要是光学参比法和光电法。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，但是如果罐壁变形较为复杂，则该方法会产生较大的测量误差。光电法测量储罐变形通常采用全站仪和GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系统)等对储罐的关键点进行单点式测量，即以点观测方式而获取部分观测点数据从而间接计算并推断储罐的几何形变数据，因而无法获取储罐的局部和整体几何变形细节，并且该方法的设备安装难度较大，不能满足实际生产需求。

通过上述描述可见，现有技术无法全面地获得储罐的几何变形细节。

发明内容

本发明提供了一种立式储罐安全系统，能够较全面地获得储罐的几何变形细节。

本发明提供了一种立式储罐安全系统，包括：

全站仪测量单元、三维激光扫描单元、数据采集控制单元、数据处理单元，标靶组；

所述标靶组包括至少三个标靶，所述标靶布设于待测储罐表面；

所述标靶组中至少有三个标靶不排布在同一条直线上；

所述标靶组包括至少一个基准标靶组，所述基准标靶组中至少有三个标靶呈等边三角形排布于所述待测储罐表面；

所述全站仪测量单元，用于测量所述基准标靶组中的标靶的基准坐标；

所述三维激光扫描单元，包括至少三个三维激光扫描仪，其中，扫描区域相交的任意两个三维激光扫描仪能扫描到至少一个相同的标靶组；

所述三维激光扫描单元，用于扫描所述待测储罐的表面和所述标靶组，得到所述待测储罐表面的储罐点云数据和所述标靶组中标靶的标靶点云数据；

所述数据采集控制单元，用于获取所述全站仪测量单元测得的所述基准标靶组中的标靶的基准坐标、所述三维激光扫描单元得到的所述待测储罐表面的储罐点云数据和所述标靶组中标靶的标靶点云数据，并发送给所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据所述数据采集控制单元发来的所述基准坐标、所述储罐点云数据和所述标靶点云数据，生成所述待测储罐的变形数据。

进一步地，所述全站仪测量单元，包括：全站仪、棱镜、基准点测试桩、基准点反射桩；

所述全站仪固定在所述基准点测试桩上，所述棱镜固定在所述基准点反射桩上。

进一步地，所述三维激光扫描单元，还包括扫描测绘桩；所述扫描测绘桩沿所述待测储罐四周环向排布，所述三维激光扫描仪固定在所述扫描测绘桩上，其中，每个所述三维激光扫描仪对应一个所述扫描测绘桩。

进一步地，所述数据处理单元，包括：

数据存储子单元，用于存储所述数据采集控制单元发来的所述基准标靶组中的标靶的基准坐标、所述储罐点云数据和所述标靶点云数据。

进一步地，所述数据处理单元，还包括：

去噪拼接子单元，用于去除所述储罐点云数据中的噪声点，根据特征标靶组中标靶的标靶点云数据对去除噪声点的储罐点云数据进行拼接，得到待测储罐整体的点云数据文件；

坐标转换子单元，用于根据所述基准坐标和所述点云数据文件进行坐标转换，得到基准坐标系下的点云数据文件；

三维建模子单元，用于根据所述基准坐标系下的点云数据文件建立所述待测储罐的三维模型；

对比分析子单元，用于对比分析所述三维建模子单元先后建立的三维模型，得到所述待测储罐的变形数据；

其中，所述特征标靶组为扫描区域相交的任意两个三维激光扫描仪均能扫描到的相同的标靶组。

进一步地，所述数据处理单元还包括安全预警子单元，用于判断所述变形数据是否大于预设的安全阈值，当判断出所述变形数据大于所述预设的安全阈值时，发出安全预警。

进一步地，所述去噪拼接子单元，具体用于根据最小包围区域法、等分布密度法、平均曲率流法、均值漂移法，或，双边滤波器法去除所述储罐点云数据中的噪声点。

进一步地，所述去噪拼接子单元，具体用于根据不同三维激光扫描仪测得的同一个特征标靶组中标靶的标靶点云数据计算出坐标变换的旋转矩阵和平移矩阵，根据所述旋转矩阵和所述平移矩阵对去除噪声点的储罐点云数据进行拼接。

进一步地，所述坐标转换子单元，具体用于根据所述基准标靶组中标靶的标靶点云数据和所述基准坐标求出坐标变换参数，根据所述坐标变换参数对所述点云数据文件进行坐标转换，得到基准坐标系下的点云数据文件。

进一步地，所述对比分析子单元，具体用于对比分析所述三维建模子单元先后建立的三维模型，找出发生变形的变形位置，根据所述变形位置处的点云数据计算出所述待测储罐的沉降量、倾斜量、倾斜角度、局部变形量、变形角度。

本发明提供的一种立式储罐安全系统，将全站仪测量技术与三维激光扫描技术结合起来，通过全站仪测量单元来确定基准坐标，通过三维激光扫描单元来全面地获取储罐的表面信息，实时对储罐的变形进行测量，能够较全面地获得储罐的几何变形细节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种立式储罐安全系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

立式原油储罐为薄壁圆筒体，几何结构具有回转体的轴对称特性。储罐投运后，由于储罐内存储介质的自身的重力，会导致储罐地基发生一定的基础沉降，使得储罐发生倾斜，进而引发储罐的变形。储罐越大，这种变形所引发的失稳和破坏失效风险越大。

本发明实施例提供了一种立式储罐安全系统，参见图1，该系统包括：

全站仪测量单元101、三维激光扫描单元102、数据采集控制单元103、数据处理单元104，标靶组105；

所述标靶组包括至少三个标靶，所述标靶布设于待测储罐表面；

所述标靶组中至少有三个标靶不排布在同一条直线上；

所述标靶组包括至少一个基准标靶组，所述基准标靶组中至少有三个标靶呈等边三角形排布于所述待测储罐表面；

其中，为了保证提高全站仪测量单元测量结果的准确性，所述全站仪测量单元位于生产作业区外，所述全站仪测量单元中的全站仪的放置的位置固定不变；

所述全站仪测量单元，用于测量所述基准标靶组中的标靶的基准坐标；优选地，所述全站仪测量单元用于测量呈等边三角形排布的标靶的坐标；

所述三维激光扫描单元，包括至少三个三维激光扫描仪，其中，扫描区域相交的任意两个三维激光扫描仪能扫描到至少一个相同的标靶组；

所述三维激光扫描单元，用于扫描所述待测储罐的表面和所述标靶组，得到所述待测储罐表面的储罐点云数据和所述标靶组中标靶的标靶点云数据；

所述数据采集控制单元，用于获取所述全站仪测量单元测得的所述基准标靶组中的标靶的基准坐标、所述三维激光扫描单元得到的所述待测储罐表面的储罐点云数据和所述标靶组中标靶的标靶点云数据，并发送给所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据所述数据采集控制单元发来的所述基准坐标、所述储罐点云数据和所述标靶点云数据，生成所述待测储罐的变形数据。

上述实施例提供的一种立式储罐安全系统，将全站仪测量技术与三维激光扫描技术结合起来，通过全站仪测量单元来确定基准坐标，通过三维激光扫描单元来全面地获取储罐的表面信息，实时对储罐的变形进行测量，能够较全面地获得储罐的几何变形细节。

需要说明的是：上述系统中有多个标靶组，多个标靶组中至少有一个基准标靶组，特征标靶组和基准标靶组可以为同一个标靶组。

在一种可能的实现方式中，所述全站仪测量单元，包括：全站仪、棱镜、基准点测试桩、基准点反射桩；

所述全站仪固定在所述基准点测试桩上，所述棱镜固定在所述基准点反射桩上。

基准点测试桩和基准点反射桩之间的距离的取值范围为0.8d～2.0d，优选地，基准点测试桩和基准点反射桩之间的距离为1.5d，基准点测试桩距离储罐2d，其中，d为待测储罐的直径。

在一种可能的实现方式中，所述三维激光扫描单元，还包括扫描测绘桩；所述扫描测绘桩沿所述待测储罐四周环向排布，所述三维激光扫描仪固定在所述扫描测绘桩上，其中，每个所述三维激光扫描仪对应一个所述扫描测绘桩。三维激光扫描单元可以安装于生产作业区内，其中扫描测绘桩可以选用6个玻璃钢支架沿储罐四周环形均匀布置，距离待测储罐的罐壁0.5d。

所述扫描测绘桩顶部装有水平仪调整表盘以及三维激光扫描仪对准标记，三维激光扫描仪通过水平仪调整表盘按对准标记固定在扫描测绘桩上，并调节水平状态。

所述扫描测绘桩沿储罐四周环向布置，并且最少为3个，为提高测量精度及测量效率，优选6个。扫描测绘桩距离储罐壁距离可以是0～300m，优选0.5d，高度优选1.2m；扫描测绘桩可以选用钢筋混凝土、钢架、玻璃钢等坚固耐用结构。

在一种可能的实现方式中，所述标靶组布设在与扫描测绘桩相对的待测储罐表面上。标靶可以选用金属薄片标靶或金属球标靶，优选金属薄片标靶。片状标靶可以选用圆形图案，圆形图案直径可以为0.3h，其中，h为待测储罐的地面高度。扫描标靶通过粘结或机械连接方式固定于待测储罐表面。

在一种可能的实现方式中，数据采集控制单元包括控制模块、有线通信模块、无线通信模块、数据存储模块。有线通信模块通过多路复用与全站仪测量单元和三维激光扫描单元进行通信，具体地，为了提高安全性，数据采集控制单元通过防爆电缆分别与全站仪测量单元和三维激光扫描单元相连。无线通信模块与数据处理单元通过无线数据通讯方式进行通信。数据存储模块，用于存储数据。所述无线数据通讯可以是TD-SCDMA(TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，时分同步码分多址)、CDMA2000(Code-DivisionMultipleAccess2000，码分多址2000)、WCDMA(WideCode-DivisionMultipleAccess，宽带码分多址)、WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波互联接入)、CDMA(Code-DivisionMultipleAccess，码分多址)或GPRS(GeneralPacketRadioService，通用分组无线服务技术)其中的任意一种方式，优选GPRS。

在一种可能的实现方式中，所述数据处理单元，包括：

数据存储子单元，用于存储所述数据采集控制单元发来的所述基准标靶组中的标靶的基准坐标、所述储罐点云数据和所述标靶点云数据。其中，数据存储子单元可以选用Oracle数据库，也可以选用SQL(StructuredQueryLanguage，结构化查询语言)Server数据库，优选Oracle数据库。数据存储子单元具有如下功能：数据导入更新、显示检索查询、历史数据模型回放、冗余数据剔除、数据信息管理、数据安全管理。

在一种可能的实现方式中，所述数据处理单元，还包括：

去噪拼接子单元，用于去除所述储罐点云数据中的噪声点，根据特征标靶组中标靶的标靶点云数据对去除噪声点的储罐点云数据进行拼接，得到待测储罐整体的点云数据文件；

其中，所述特征标靶组为扫描区域相交的任意两个三维激光扫描仪均能扫描到的相同的标靶组。

具体地，所述去噪拼接子单元，具体用于根据最小包围区域法、等分布密度法、平均曲率流法、均值漂移法，或，双边滤波器法去除所述储罐点云数据中的噪声点。所述去噪拼接子单元，还可以通过以下方法进行去噪：对明显远离点云的、飘浮于点云上方的稀疏、离散的点，远离点云中心区、小而密集的点以及多余扫描的点进行删除。

另外，所述去噪拼接子单元，具体用于根据不同三维激光扫描仪测得的同一个特征标靶组中标靶的标靶点云数据计算出坐标变换的旋转矩阵和平移矩阵，根据所述旋转矩阵和所述平移矩阵对去除噪声点的储罐点云数据进行拼接。具体地，不同三维激光扫描仪测得的点云数据拼接采用基于特征标靶组的拼接方法完成，即三点到三点的拼接方法，使得相邻的点云图中至少有3个同名标靶。

坐标转换子单元，用于根据所述基准坐标和所述点云数据文件进行坐标转换，得到基准坐标系下的点云数据文件；

具体地，所述坐标转换子单元，具体用于根据所述基准标靶组中标靶的标靶点云数据和所述基准坐标求出坐标变换参数，根据所述坐标变换参数对所述点云数据文件进行坐标转换，得到基准坐标系下的点云数据文件。

三维建模子单元，用于根据所述基准坐标系下的点云数据文件建立所述待测储罐的三维模型；具体地，基于三角形网格蒙片法对点云进行三角化，然后采用曲面拟合的方法构建曲面造型，建立三维模型。

对比分析子单元，用于对比分析所述三维建模子单元先后建立的三维模型，得到所述待测储罐的变形数据。

具体地，所述对比分析子单元，具体用于对比分析所述三维建模子单元先后建立的三维模型，找出发生变形的变形位置，根据所述变形位置处的点云数据计算出所述待测储罐的沉降量、倾斜量、倾斜角度、局部变形量、变形角度。所述对比分析子单元，通过比较同一个扫描范围的数据变形区域，可以通过不同的色彩直观地从宏观方面显示出来，也可以从点坐标变化特征、线变化特征及整体变形特征三个角度对储罐变形特征从微观方面进行变形分析。

需要说明的是：全站仪测量单元、三维激光扫描单元实时地进行测量，或者，周期性地进行测量，数据处理单元对全站仪测量单元、三维激光扫描单元测得的在同一时间段内的数据进行处理，建立三维模型，然后，对以不同时间段的数据为依据建立的三维模型进行对比分析。

在一种可能的实现方式中，所述数据处理单元还包括安全预警子单元，用于判断所述变形数据是否大于预设的安全阈值，当判断出所述变形数据大于所述预设的安全阈值时，发出安全预警。具体地，所述变形数据包括待测储罐的沉降量、倾斜量、倾斜角度、局部变形量、变形角度。所述预设的安全阈值包括：待测储罐的沉降量的安全阈值、倾斜量的安全阈值、倾斜角度的安全阈值、局部变形量的安全阈值、变形角度的安全阈值。安全预警子单元分别将变形数据与对应的安全阈值进行比较。另外，针对一种变形数据可以预先设置两个以上不同级别的安全阈值，将测得的变形数据分别与不同级别的安全阈值进行比较，根据测得的变形数据所在的级别发出对应安全预警信号。

在一种可能的实现方式中，所述立式储罐安全系统还包括监测设备管理单元、统计查询展示单元、系统日志单元，分别通过数据接口与数据存储子单元相连。其中，监测设备管理单元用于监测预警硬件的远程控制，具备不同工作单元测量参数设置、预警阈值设置、不同工作单元电池电量监测、系统故障诊断等功能；统计查询展示单元用于对不同期测量建立的储罐三维模型数据、储罐整体沉降量、倾斜量和倾斜角度、局部变形量和变形角度等数据记录数据时间、统计计算，并提供统计图、报表、图形化数据浏览查询以及三维可视化模型展示功能；系统日志单元用于提供通讯信息、操作日志等查询服务。

上述实施例提供的一种立式储罐安全系统，通过三维激光扫描单元全方位、快速、连续、自动地获取待测储罐的数据，在数据采集的效率、模型数据精度、监测工作的难易程度、数据处理的速度和数据分析的准确性等方面具有明显优势，有效避免了传统变形检测手段基于点数据进行变形计算分析造成的局部性和片面性，具有高精度、高密度和高效率的优点，能够较全面地获得储罐的几何变形细节。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种立式储罐安全系统，其特征在于，包括：

全站仪测量单元、三维激光扫描单元、数据采集控制单元、数据处理单元，标靶组；

所述标靶组包括至少三个标靶，所述标靶布设于待测储罐表面；

所述标靶组中至少有三个标靶不排布在同一条直线上；

所述标靶组包括至少一个基准标靶组，所述基准标靶组中至少有三个标靶呈等边三角形排布于所述待测储罐表面；

所述全站仪测量单元，用于测量所述基准标靶组中的标靶的基准坐标；

所述三维激光扫描单元，包括至少三个三维激光扫描仪，其中，扫描区域相交的任意两个三维激光扫描仪能扫描到至少一个相同的标靶组；

所述三维激光扫描单元，用于扫描所述待测储罐的表面和所述标靶组，得到所述待测储罐表面的储罐点云数据和所述标靶组中标靶的标靶点云数据；

所述数据采集控制单元，用于获取所述全站仪测量单元测得的所述基准标靶组中的标靶的基准坐标、所述三维激光扫描单元得到的所述待测储罐表面的储罐点云数据和所述标靶组中标靶的标靶点云数据，并发送给所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据所述数据采集控制单元发来的所述基准坐标、所述储罐点云数据和所述标靶点云数据，生成所述待测储罐的变形数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述全站仪测量单元，包括：全站仪、棱镜、基准点测试桩、基准点反射桩；

所述全站仪固定在所述基准点测试桩上，所述棱镜固定在所述基准点反射桩上。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维激光扫描单元，还包括扫描测绘桩；所述扫描测绘桩沿所述待测储罐四周环向排布，所述三维激光扫描仪固定在所述扫描测绘桩上，其中，每个所述三维激光扫描仪对应一个所述扫描测绘桩。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元，包括：

数据存储子单元，用于存储所述数据采集控制单元发来的所述基准标靶组中的标靶的基准坐标、所述储罐点云数据和所述标靶点云数据。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元，还包括：

去噪拼接子单元，用于去除所述储罐点云数据中的噪声点，根据特征标靶组中标靶的标靶点云数据对去除噪声点的储罐点云数据进行拼接，得到待测储罐整体的点云数据文件；

坐标转换子单元，用于根据所述基准坐标和所述点云数据文件进行坐标转换，得到基准坐标系下的点云数据文件；

三维建模子单元，用于根据所述基准坐标系下的点云数据文件建立所述待测储罐的三维模型；

对比分析子单元，用于对比分析所述三维建模子单元先后建立的三维模型，得到所述待测储罐的变形数据；

其中，所述特征标靶组为扫描区域相交的任意两个三维激光扫描仪均能扫描到的相同的标靶组。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元还包括安全预警子单元，用于判断所述变形数据是否大于预设的安全阈值，当判断出所述变形数据大于所述预设的安全阈值时，发出安全预警。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述去噪拼接子单元，具体用于根据最小包围区域法、等分布密度法、平均曲率流法、均值漂移法，或，双边滤波器法去除所述储罐点云数据中的噪声点。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述去噪拼接子单元，具体用于根据不同三维激光扫描仪测得的同一个特征标靶组中标靶的标靶点云数据计算出坐标变换的旋转矩阵和平移矩阵，根据所述旋转矩阵和所述平移矩阵对去除噪声点的储罐点云数据进行拼接。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述坐标转换子单元，具体用于根据所述基准标靶组中标靶的标靶点云数据和所述基准坐标求出坐标变换参数，根据所述坐标变换参数对所述点云数据文件进行坐标转换，得到基准坐标系下的点云数据文件。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述对比分析子单元，具体用于对比分析所述三维建模子单元先后建立的三维模型，找出发生变形的变形位置，根据所述变形位置处的点云数据计算出所述待测储罐的沉降量、倾斜量、倾斜角度、局部变形量、变形角度。