第29卷第4期振動、測試與診斷Vol. 29 No. 42009年12月Dec.2009Journal of Vibration , Measurement & Diagnosis氣化爐三維掃描測量與數(shù)據(jù)處理林礪宗李志豪顏晶李昌取(華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院上海 ,200237)摘要以德士古氣化爐耐火磚的內(nèi)壁蝕損檢測設(shè)備為基礎(chǔ),對采集到的點云數(shù)據(jù)做了進(jìn)-步處理。通過對數(shù)據(jù)的篩選和剔除,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)點的平滑降噪細(xì)化和精簡.然后利用點云對整、網(wǎng)格劃分和分色顯示等方法,最終完成了內(nèi)壁腐蝕情況的三維建模.重點討論了點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理及后處理的方法,并根據(jù)內(nèi)壁耐火磚的腐蝕閾值,提出了一種氣化爐內(nèi)壁腐蝕區(qū)域的識別與分割方法。對耐火磚的腐蝕分析、氣化爐的生產(chǎn)與維修提供了可靠依據(jù),并在工程應(yīng)用中獲得了一致認(rèn)可。關(guān)鍵詞激光掃描 內(nèi)壁蝕損 點云區(qū)域識別 無線傳輸中圍分類號TP271火磚、背襯磚及保溫磚以。向火面耐火磚結(jié)構(gòu)設(shè)計采引言用了拱頂、直簡和渣口磚相對獨立,并可單獨更換的結(jié)構(gòu)。在實際使用過程中,向火面耐火磚受到強(qiáng)烈的煤氣化是指將固體煤轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w(煤氣)的腐蝕而需要定期進(jìn)行更換和維護(hù)。煤炭熱加工過程。氣化爐是煤氣化工藝的關(guān)鍵設(shè)備，由于對爐體內(nèi)璧三維信息測量的采樣密度要求通常在高溫高壓的工藝條件下進(jìn)行生產(chǎn),內(nèi)壁耐火不高(點距在5~15 mm即可),因此采用點光源的磚的腐蝕損耗相當(dāng)嚴(yán)重。為了確保設(shè)備的安全生產(chǎn)，激光位移傳感器作為主要測量儀器。為了獲取整個需要對氣化爐的耐火磚進(jìn)行定期檢測與維修[1]。氣化爐內(nèi)壁面的三維信息,需要對內(nèi)壁面進(jìn)行包括目前,大多數(shù)生產(chǎn)廠家對耐火磚燒蝕的檢測還主徑向(或稱法向)、周向(或稱環(huán)向)及縱向(或稱軸要依賴人工測量,需要檢修工人下到爐體內(nèi)用皮尺進(jìn)行手工測量。這樣不僅效率低下,而且檢測過于粗糙，向)坐標(biāo)的完整的三維測量。這就意味著必須使激光不能及時準(zhǔn)確地反映耐火磚的整體燒蝕情況,也就不測量探頭旋轉(zhuǎn)起來,進(jìn)而從上到下整圈地對內(nèi)壁面能很好地調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)。針對這種情況,本文研掃描測量,從而得到完整的、關(guān)聯(lián)的全景點坐標(biāo)數(shù)制了一套自動化檢測系統(tǒng)用于氣化爐內(nèi)壁耐火磚的據(jù)。為此,本文設(shè)計了一套以安裝在爐口的檢測平臺腐蝕檢測。根據(jù)實際工作環(huán)境,對原始測量數(shù)據(jù)做了和深人爐體的旋轉(zhuǎn)的中心導(dǎo)桿為主要部件的三維旋預(yù)處理,對各種因素引起的測量數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行修正，轉(zhuǎn)裝置,見圖1。主要檢測儀器安裝在中心導(dǎo)桿下端從而得到了均勻完整的點云數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,對數(shù)的探頭箱中,考慮到檢測過程中的偏差和擾動,在探據(jù)做了進(jìn)一步處理,給出包括平均腐蝕量、最值腐蝕頭箱中還安裝了可以測量導(dǎo)桿偏轉(zhuǎn)角度的全姿態(tài)傳量、腐蝕位置等的數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息,也能夠?qū)α芽p與凹感器.中心導(dǎo)桿則通過線性導(dǎo)軌滑塊與導(dǎo)軌箱連接，坑做出區(qū)域識別提示,避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。此外,為通過交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)上下運動。而導(dǎo)軌箱了用戶使用的直觀方便，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，利用則能在電機(jī)的帶動下繞中心軸產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)。激光OPENGL三維建模功能，建立了爐體內(nèi)壁腐蝕情況位移傳感器的測量數(shù)據(jù)可確定徑向坐標(biāo),檢測中通的可視化圖形模型,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)點的三維重構(gòu),使得過旋轉(zhuǎn)電機(jī)運動時返回的脈沖值可得到周向坐標(biāo),用戶能夠?qū)δ突鸫u的使用情況有更詳細(xì)的了解。同樣利用升降電機(jī)的脈沖值可確定縱向坐標(biāo)，由此1系統(tǒng)方案和數(shù)據(jù)獲取實現(xiàn)中國煤化工內(nèi)壁面的螺旋形掃氣化爐耐火磚的結(jié)構(gòu)主要分為3層;向火面耐描,MHCNMH G完整三維數(shù)據(jù)信息，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處埋提供J殺仟。收稿日期:2008-04-07 ;修改稿收到日期:2008-10-09.450辰動、測試與診郎第29卷中心導(dǎo)桿，采用需要對測量得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。r跟隨轉(zhuǎn)動航窯型材，可以2.1.1無效測量點的 剔除控制盤轉(zhuǎn)動電機(jī)所選取的激光位移傳感器基于光學(xué)激光三角原[轉(zhuǎn)動平臺》升降電機(jī)理進(jìn)行測量,具有特定的測量范圍,量程為185~S爐口1185mm,但上位機(jī)接收到的激光測量數(shù)據(jù)中卻出現(xiàn)了個別超出激光位移傳感器量程范圍的數(shù)據(jù)點。這些測量點一方面是由于環(huán)境因素(溫度、壓力、濕度等)造成激光位移傳感器工作不正常而產(chǎn)生,更重要的原因是由于采用無線射頻通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在現(xiàn)場各種千擾信號的作用下,傳輸過程中不可感光測敏頭避免地會產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤碼。上述兩種原因引起的超出傳感器量程范圍的點稱為無效測量點,應(yīng)該直接予以剔除。2.1.2遮擋點 的處理圖1檢測 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖從激光位移傳感器的發(fā)射窗口射出的激光東在爐體內(nèi)壁表面形成漫反射光,其中一小部分射向激2測量數(shù)據(jù)處理光位移傳感器的探測窗口,經(jīng)傳感器內(nèi)部的凸透鏡匯聚后的光線射向線性CCD器件[3]。激光位移傳感根據(jù)以上檢測結(jié)構(gòu)示意圖和客戶功能要求,本器通過光點在線性CCD器件上的位置計算目標(biāo)測文用Visual C++平臺編制了檢測系統(tǒng)控制程序。量點距離傳感器發(fā)射窗口的距離,如圖2所示。在控制平臺中,預(yù)先設(shè)定了檢測的起點和終點,以及爐體的平均內(nèi)徑,用戶自行設(shè)定檢測時間和檢測點~3的間隔之后,采集系統(tǒng)就能夠通過螺旋形運動,完成67對爐體內(nèi)壁的掃描。由于采用螺旋掃描測量,激光光-s點在內(nèi)壁面上移動形成一條螺旋狀的掃描線,掃描線貫穿整個內(nèi)壁表面。各采樣點在光點移動過程中順序采樣得到并且按照采樣順序存儲在數(shù)據(jù)鏈表最小檢測距離。測最范圈，中,這樣使得各采樣點之間具有良好的拓?fù)潢P(guān)系,便于進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格劃分和點云圖2激光傳感器工作 原理圖建模[]等功能。1-半導(dǎo)體激光器;2-發(fā)射光透鏡;3-接收光透鏡;數(shù)據(jù)處理模塊的作用是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快4-線性CCD元件;5-信號處理器;6/6'-被測物體速有效處理,實時生成能夠真實反映物體形貌的數(shù)字化模型.主要包括對采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理,如平滑降在激光位移傳感器采樣的過程中,由于內(nèi)壁表噪細(xì)化和精簡等。面形狀的影響可能會出現(xiàn)反射光被遮擋而使探測窗數(shù)據(jù)處理過程的關(guān)鍵問題是算法的選擇,主要口接收不到反射光;另--方面受內(nèi)壁表面的粗糙度從處理精度和處理時間兩方面來考慮。數(shù)據(jù)獲取完.以及反射率的影響,即使反射光不被遮擋,也會出現(xiàn)畢之后的第1步就是預(yù)處理,主要有:反射光強(qiáng)度較低的情況。以上兩種原因都會使射向(1)清除不正確的數(shù)據(jù)，獲取有效數(shù)據(jù),為三維線性CCD器件的匯聚光的強(qiáng)度達(dá)不到采樣要求,于建模和可視化做準(zhǔn)備;是傳感器在設(shè)定的采樣時限里無法獲取有效的測量(2)對遮擋點的處理;值4,這樣采樣時限-一到,傳感器就會返回一個位移(3)那些明顯小于平均半徑的值是不存在的，中國煤化工要濾波去噪。MHCNMHGnm的點反映不出該I重r且內(nèi)堅農(nóng)間不什盡具頭的三維信息.可以形2.1點云 數(shù)據(jù)預(yù)處理象地稱之為遮擋點。雖然遮擋點對于測量本身來說為了更好地進(jìn)行點云建模和采集數(shù)據(jù)的處理，沒有實際意義,但不能像無效測量點那樣直接剔除，第4期林礪宗等:氣化爐三維掃描測量與數(shù)據(jù)處理451應(yīng)根據(jù)鄰近點的三維信息分兩種情況進(jìn)行處理。果|e|≥[e]([e]為給定的允差),則認(rèn)為P,是失真(1)對于個別離散的遮擋點,一般是由于投射點,應(yīng)予以剔除。到線性CCD器件上光線強(qiáng)度不夠造成的,可以采用最常用的插值方法處理,即用該測量位置周圍8個方位的8個采樣點的平均值替代。(2)雖然爐體內(nèi)表面有許多凹凸不平的地方,Pu●●Pm如圖3所示,但由于測量過程中激光位移傳感器的激光發(fā)射方向始終與爐體內(nèi)壁面成接近直角,使激圖4弦高差方法光三角測量容易受遮擋的負(fù)面因素降到了最低限2.2點云數(shù)據(jù)后處理度,從而有效避免了區(qū)域性測量盲區(qū)的出現(xiàn)。測量原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理,過濾了外界因素帶來的數(shù)據(jù)波動、氣化爐內(nèi)壁表面凸凹不平引起的測量誤差以及部分失真點引起的偏差,再經(jīng)過點云對整,得到了相對完整和均勻的數(shù)據(jù),為數(shù)據(jù)的進(jìn)- - 步處理和分析做好了準(zhǔn)備。42.2.1 點云對整氣化爐測量的采樣頻率恒定,旋轉(zhuǎn)運動的速度恒定,理論上采樣點應(yīng)沿著掃描線均勻分布.但由于圖3氣化爐內(nèi)壁圖片測量過程中各種因素的影響,實際設(shè)置激光位移傳整個氣化爐的襯里由一塊塊耐火磚砌成,磚縫感器的采樣頻率時會將采樣頻率設(shè)置得比計算得到的采樣頻率高一些,這樣即使測量過程中丟掉一些之間用特別調(diào)配的灰漿灌注。由于灰漿的抗渣性較數(shù)據(jù)點也不會影響最后的建模質(zhì)量。因此,實際測量差,因此,內(nèi)壁面上磚縫腐蝕量較大的地方會有較大獲取數(shù)據(jù)的每圈采樣點數(shù)不可能與建模設(shè)定的點數(shù)的深度變化，呈現(xiàn)出直壁凹槽的特征。測量的激光束完全一致,而且點云數(shù)據(jù)經(jīng)過了上述幾個處理過程，與凹槽方向平行,傳感器接收不到反射光,使這些位各圈采樣點的個數(shù)會變得更加參差不齊。為了方便置出現(xiàn)片狀遮擋點。由于凹槽的深度與內(nèi)部形態(tài)具網(wǎng)格劃分與點云建模,需要進(jìn)行點云對整的操作。有較大的不確定性,因此，凹槽位置形成的測量盲區(qū)點云對整的具體方法是根據(jù)點的柱坐標(biāo)角度值很難通過逆向工程中常用的實物填充法、造型設(shè)計判斷各點所屬的圈數(shù),然后計算各圈的采樣點數(shù)得法和曲線、曲面插值補(bǔ)充等數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)到第幾圈有幾個采樣點。各圈的理論點數(shù)是在測量補(bǔ)全.由于關(guān)系到生產(chǎn)安全,在目前數(shù)據(jù)補(bǔ)全技術(shù)不之前設(shè)定好的，如果某圈實際點數(shù)大于設(shè)定的點數(shù),夠成熟的情況下必須對這些腐蝕量較大的磚縫位置則根據(jù)點數(shù)的差值跳躍式地選擇并予以剔除,使該進(jìn)行特別標(biāo)記,并在氣化爐檢修時對這些位置進(jìn)行圈的實際點數(shù)與理論點數(shù)相同;如果某圈的實際點重點修復(fù)。數(shù)小于設(shè)定的點數(shù),則利用均值方法加以填補(bǔ),選定2.1.3失真點的查找的添加位置同樣要注意在該圈均勻分布,以使點云氣化爐內(nèi)壁上腐蝕大的地方會凹陷下去,雖然對整達(dá)到最好的效果。部分被侵蝕嚴(yán)重的磚縫的深度難以估計,但是由于由于各采樣點間的相鄰關(guān)系明確,基于螺旋狀生產(chǎn)過程中流體對內(nèi)壁的沖蝕是作用于整個內(nèi)壁表掃描線的內(nèi)壁點云數(shù)據(jù)采用三角化方法構(gòu)建三維模面的，所以內(nèi)壁上的凸起地方的凸起高度是有一定型,點云對整后的網(wǎng)格劃分如圖5所示。限度的,如果個別測量點的測量值明顯小于周圍點2.2.2內(nèi)壁三 維模型的分色顯示.的測量值,則這個測量點被認(rèn)為是失真點.根據(jù)氣化爐內(nèi)壁的工程圖,建立了氣化爐內(nèi)壁產(chǎn)生失真點的原因很多,主要包括測量環(huán)境、被面的中國煤化工專曲面特征,所以氣測爐壁表面的復(fù)雜性以及傳輸誤碼等。首先對所有化爐MYHCNMH(點的深度坐標(biāo)值決的測量點采用弦高差法方法以檢查,對于查找出的定,半徑值.實際測量點失真點采用二次樣條插值進(jìn)行處理.如圖4所示,連的半徑值與該點深度所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)半徑值的差即為接檢查點P的前后兩點,計算P,到弦的距離|e|,如該點的腐蝕量值.振動、測試與診斷第29卷的識別，數(shù)據(jù)鏈表B用來存放這個腐蝕區(qū)域的腐蝕采樣點;(2)在數(shù)據(jù)鏈表A中查詢P:點的所有鄰接點，將查詢到的鄰接點(假設(shè)這些點的標(biāo)號依次為P2~P,)添加到數(shù)據(jù)鏈表B中,并將這些點從鏈表A中刪除;(3)在數(shù)據(jù)鏈表A中查詢P:點的所有鄰接點，圖5網(wǎng)格劃分圖對這些鄰接點的操作如步驟(2)所述,Pr的鄰接點氣化爐的內(nèi)壁建模采用OPENGL.三維建模功標(biāo)記為P+P+**,依次類推;能,運用三角化的網(wǎng)格劃分辦法[°7],先求出每個三(4)依次查詢P,P.-.在數(shù)據(jù)鏈表A中的鄰接角形面片3個頂點腐蝕量的平均值，再根據(jù)計算得點,查到后執(zhí)行的操作與步驟(2)相同,直到數(shù)據(jù)鏈到的平均值指定該三角形面片的顏色,分色構(gòu)建的表B中最后一個腐蝕采樣點被查詢完畢而沒有新的內(nèi)壁模型可以更加直觀地表達(dá)內(nèi)壁上各處耐火磚的鄰接點產(chǎn)生時,則表明第1個腐蝕區(qū)域識別完畢;(5)如果此時數(shù)據(jù)鏈表A中的數(shù)據(jù)點不為空，腐蝕量差異。通過與標(biāo)準(zhǔn)顏色腐蝕量對照圖比較,工則再取1個點作為新的種子點進(jìn)行第2個腐蝕區(qū)域程技術(shù)人員可以非常方便地了解各處耐火磚的腐蝕的識別;狀況,如圖6所示。(6)循環(huán)往復(fù),直到數(shù)據(jù)鏈表A中沒有任何種子點存在,即鏈表A中的所有點都被提取到各個腐蝕區(qū)域中。經(jīng)過以，上數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)了腐蝕采樣點的數(shù)據(jù)分割,為接下來腐蝕區(qū)域的分析計算打下了基礎(chǔ)。2.2.4腐蝕區(qū) 城提示腐蝕區(qū)域識別完畢后,各個腐蝕區(qū)域的點云數(shù)據(jù)被存放在各自對應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈表中。對這些點云數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)-步的分析計算可以得到各個腐蝕區(qū)域的詳細(xì)信息,主要包括腐蝕區(qū)域的中心位置、面積、平均腐蝕量以及該區(qū)域?qū)?yīng)的耐火磚的編號(工程人圖6耐火磚腐蝕狀況圖員為方便耐火磚的維護(hù)用編號來標(biāo)記氣化爐的內(nèi)壁耐火磚),分析結(jié)果如圖7所示。2.2.3腐蝕采樣點的提取與 敷據(jù)分割根據(jù)工藝與設(shè)備的安全生產(chǎn)需求,在數(shù)據(jù)處理部分設(shè)置了內(nèi)壁耐火磚的腐蝕閾值作為耐火磚的安「T■全生產(chǎn)警戒值。超過這個值的區(qū)域被認(rèn)為是不安全的,需要進(jìn)行及時的處理和修護(hù)。前面已經(jīng)計算得到了所有采樣點的腐蝕量值,腐蝕量值超過腐蝕閾值的采樣點稱為腐蝕采樣點。圖7腐蝕區(qū)域提示圖將所有的腐蝕采樣點依次提取出來放在數(shù)據(jù)鏈表A中同,數(shù)據(jù)鏈表A即為腐蝕采樣點的點云集合。這個2.2.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計點云集合可能是一個腐蝕區(qū)域的點云集合,也可能以運動控制系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過激光位移傳感器是多個腐蝕區(qū)域的點云集合,因此,需要對這個點云的位移測量,運用數(shù)據(jù)的無線傳輸技術(shù),獲取了氣化集合進(jìn)行數(shù)據(jù)分割才能實現(xiàn)腐蝕區(qū)域的分割識別。中國煤化工僅僅根據(jù)這些原始的數(shù)據(jù)分割的實現(xiàn)方法如下:原，因此要對數(shù)據(jù)做進(jìn)(1)提取數(shù)據(jù)鏈表A的任- -采樣點P放在數(shù)TYH. C N M H G的設(shè)計尺寸可以得到據(jù)鏈表B中作為種子點,同時將P,從數(shù)據(jù)鏈表A中爐體內(nèi)壁各點處詳細(xì)的內(nèi)徑數(shù)據(jù),用測得的內(nèi)壁尺刪除。這樣，建立初始隊列,開始一-個新的腐蝕區(qū)域寸減 去設(shè)計尺寸,就可以得到最終的腐蝕量。圖8為第4期林礪宗等:氣化爐三維掃描測量與數(shù)據(jù)處理某單位德士古氣化爐內(nèi)壁原始測量信息的統(tǒng)計分析熱力，1998,18(6):9-12.結(jié)果。從圖中可以看出,通過對原始數(shù)據(jù)的處理,得到[2] 路興昌,官輝力,趙文吉,等.基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維了爐體整體和分部位腐蝕情況的統(tǒng)計信息(其中A,可視化建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2007,19(7);1 625-B,C,D..代表了不同的耐火磚,而A磚和B磚則不在1 628.系統(tǒng)的測量要求之內(nèi))。這樣就方便了用戶的使用。[3]孫字臣,葛寶臻,張以謨. 物體三維信息測量技術(shù)綜述[J].光電子●光,2004.15<2):248-253.[4] 張軍,盧碧紅.鉤鎖鐵樣件的數(shù)據(jù)采集和模型重建[J].振動、測試與診斷，2006,26(S) :46-49.[5] 張慧,劉偉軍.一種基于小波的三維掃描線數(shù)據(jù)處理方法[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2006, 23(9);8-10.[6] Cureless B, Levoy M. A volumetric method for build-ing complex models from range images [J]. ACMProceedings of Siggraph, 1996, 30;303-312.圖8測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果7] 夭思遠(yuǎn),林礪宗.陳永平,等. OpenGL在鞋檀三維面形測量中的應(yīng)用[].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)●2004.23(2):238-241.3結(jié)束語[8]吳世雄,王 成勇.散亂噪聲點云的數(shù)據(jù)分制[J].機(jī)械工程學(xué)報,2007 ,43(21):230-233.本系統(tǒng)建立了一套以激光掃描檢測為基礎(chǔ)的檢測裝置,通過激光位移傳感器的螺旋線運動,完成了對氣化爐內(nèi)壁蝕損情況的三維掃描。本文對激光掃第一作者簡介:林礪宗男,1961 年11描測量獲取的氣化爐內(nèi)壁點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提出.月生,博士、教授.研究方向為機(jī)電一體了內(nèi)壁腐蝕區(qū)域的分割提取方法,提供了內(nèi)壁耐火化.CAD/CAM.機(jī)器人與數(shù)控技術(shù)。曾磚的腐蝕信息,所生成的內(nèi)壁表面模型以及所作的發(fā)表“基于數(shù)值切割技術(shù)的鞋楦測量數(shù)腐蝕分析為氣化爐生產(chǎn)與維修方案的確定提供了可據(jù)還原方法”(《華東理工大學(xué)學(xué)報》靠的依據(jù)。2008年第34卷第1期)等論文。E-mail :lzlin@ecust. edu. cn參考文獻(xiàn)[1] 王旭賓.德士古煤氣化爐耐火磚問題探討[J].煤氣與中國煤化工MYHCNMHG