Оборудование

Высокоточная съёмка и 3D-моделирование промышленных объектов методом лазерного сканирования

Среди задач, которые приходится решать проектным институтам при планировании промышленных или энергетических объектов, можно выделить две главные: актуализация исполнительной документации объекта, подлежащей реконструкции и контроль качества строительства. Традиционно эти задачи решают бригады изыскателей, регулярно выезжая на объект. На первый взгляд такая технология обследования кажется самой экономичной, однако, как показывает повседневная практика, это далеко не так.

При полевой работе необходимая информация собирается из множества мелких разрозненных кусочков, при этом точность и качество получаемых данных напрямую зависят от уровня профессиональной подготовки исполнителя. Далее, при переводе этой информации в цифровой вид, опять вступает в силу «человеческий фактор», что, в лучшем случае, приводит ко временным задержкам, в худшем — к искажениям, ошибкам, повторным выездам на объект и т.д. Из-за несогласованности между проектированием в 3D-программных комплексах и сбором полевой информации на бумажных носителях значительно увеличиваются временные и денежные затраты. Всё это приводит к снижению качества проектов и, в конечном итоге, к снижению конкурентоспособности проектной организации.
Потребность в комплексных технологиях сбора и обработки в цифровом виде больших объемов точной информации об объектах строительства или реконструкции назрела давно. Эффективным способом решения задач точного сбора и систематизации данных является применение технологии лазерного сканирования. Этот метод способен минимизировать ошибки, вызванные «человеческим фактором».

Лазерное сканирование.

Принцип работы лазерных сканеров основан на выполнении измерений расстояния с помощью лазерного безотражательного дальномера, а также в определении горизонтального и вертикального углов для каждой точки интересующего нас объекта съемки, получая, таким образом, XYZ-координаты.
В электронном тахеометре применяется такой же способ определения координат с точностью позиционирования точек 3-5 мм. Разница заключается в том, что тахеометр производит от одного до трех измерений в минуту, в то время как современный лазерный сканер — от тысяч до сотен тысяч измерений в секунду. Вследствие этого, производительность работ лазерным сканером намного выше, чем традиционными методами.
Скорость измерений при лазерном сканировании регулируется оператором в зависимости от требуемой плотности и точности измерений. Полученный набор в миллион точек называется «облаком точек», который после обработки данных может быть представлен в виде трехмерной модели объекта, плоского чертежа, набора сечений, модели поверхности и т.д.

В отличие от традиционных геодезических измерений, лазерное сканирование позволяет выполнить с высокой детальностью цифровую модель как всего объекта, так и его отдельных частей. Огромное количество измерений позволяет получить наиболее достоверные полевые данные о сложных конструкционных или труднодоступных объектах, которые невозможно получить съемкой традиционными методами — тахеометрами и GPS.
  • За счет высокой скорости и автоматизации процесса, технология лазерного сканирования приводит к существенному росту производительности съемки и позволяет сократить количество полевых бригад.
  • Избыточный объем данных лазерного сканирования позволяет получить максимально объективную информацию, исключив ошибки при полевых измерениях. Данные измерений объекта составляют от нескольких десятков тысяч до нескольких сот миллионов точек, что предусматривает очень высокие требования как к мощности компьютеров, так и к способности программного обеспечения (ПО) обрабатывать гигантские объемы информации. Максимальная производительность работ на полевом этапе и при камеральной обработке данных сканирования может быть достигнута только за счет высокой квалификации специалистов, способных правильно идентифицировать, выделить и моделировать необходимые объекты при огромном объеме исходной измерительной информации.
  • Полученные данные лазерного сканирования легко конвертируются в программы для проектирования и ГИС (например, в AutoCad).
  • Все основные производители ПО для проектирования объектов гражданского и промышленного строительства уже создали в своих программных пакетах модули для работы с данными сканирования. Взаимные усилия производителей сканеров и разработчиков программного обеспечения позволили существенно упростить проектировщикам работу с данными и их импорт.
  • Последние модели сканирующих систем оснащены цифровой фотокамерой. Интеграция фотокамеры и лазерного сканера в одном устройстве позволяет осуществить автоматическое фотографирование объекта в процессе съемки. Это существенно упрощает задачу идентификации объектов сканирования и упрощает камеральную обработку, позволяя совмещать облака точек и цифровые фотографии, если это необходимо.

Важным преимуществом совместного использования технологии лазерного сканирования с программами для проектирования и ГИС является вариативность получаемых результатов.
Например:
  • Облако точек — непосредственный результат сканирования; позволяет заказчику самостоятельно производить простые геометрические измерения;
  • Векторная 3D-модель объекта с различной степенью детализации;
  • Точная модель геометрии объекта с указанием контролируемых отклонений от проектной модели документации;
  • 2D-чертежи: планы, проекции, разрезы, сечения и пр.;
  • Исполнительная документация объекта с указанием всех элементов конструкции и элементов инфраструктуры в соответствии с требованиями СНиП.

Ниже приведен пример съемки элементов сложного промышленного объекта с помощью технологии лазерного сканирования.

Создание трехмерной модели трубопровода горячего промперегрева блока 800МВт Пермской ГРЭС

По заказу проектного института «УралТЭП» специалистами компании «Навгеоком Инжиниринг» был выполнен комплекс работ по лазерному сканированию и детальному моделированию двух ниток трубопровода горячего промперегрева Пермской ГРЭС для последующей реконструкции объекта.
В проектных работах использовалась технология 3D-моделирования. Все этапы жизненного цикла объекта: разработка технологической части, компоновка объекта в 3D-модели с выпуском рабочей документации, ввод в эксплуатацию, ремонтные работы, модернизация, а также вывод из эксплуатации обеспечивались технологическими решениями компании AVEVA.
С самого начала проект реконструкции трубопроводов производился в системе AVEVA PDMS, которая включает в себя специализированный модуль Laser Model Interface для работы с облаками точек, полученными с помощью лазерного сканирования. Данный модуль позволяет работать с реальной геометрией объектов, делая процесс проектирования интуитивным и наглядным. Сочетание технологии сканирования и системы AVEVA PDMS гарантирует получение точной и достоверной исходной информации об объекте.
Традиционно работы по проведению лазерного сканирования объектов выполняются в два этапа: полевой — проведение сканирования; камеральный — обработка данных сканирования и построение моделей объектов. Выполнение полевых работ на данном объекте осложнялось рядом обстоятельств:
1. Повышенная стеснённость и большая насыщенность объекта технологическим оборудованием постоянно ограничивали видимость сканируемых элементов с мест установки прибора. Это значительно затрудняло процесс сканирования и увеличивало число точек стояния прибора .
2. Работы проводились в условиях действующего производства категории «опасный производственный объект».
3. Высота объекта составляла свыше 80м. Трубопровод проходил через 8-этажное здание ГРЭС с очень ограниченными зонами видимости между этажами. Это значительно осложняло создание опорной геодезической сети, необходимой для связывания сканов в единую систему координат.

Лазерное сканирование выполнялось с помощью высокоточной фазовой сканирующей системы Leica HDS6100. Общее количество станций (точек стояния прибора) составило 182. Результатом полевого этапа работ стало сшитое облако точек, содержащее примерно 1,7 млрд. единичных измерений. Геодезическая привязка осуществлялась тахеометром с 32-х точек хода. Полевые работы выполнялись в течение 15 дней бригадой из четырёх специалистов.
На камеральном этапе производилась обработка данных сканирования и 3D-моделирование. Эти работы были выполнены двумя специалистами за 28 дней.
3D-модели выполнялись в масштабе 1:1 методом вписывания в облако точек векторных примитивов. Также проводилось моделирование элементов подвесов трубопроводов, металлоконструкций крепления подвесов и опор трубопроводов, врезок и видимых элементов КИП трубопровода. В результате была создана высокоточная детальная 3D-модель объекта, максимально соответствующая оригиналу.

На завершающем этапе результаты обработки данных были загружены в систему AVEVA PDMS. Импорт осуществлялся посредством модуля Mechanical Interface, доступного в версии 12.0SP5. Mechanical Interface позволяет обмениваться данными через нейтральный формат STEP AP203 практически со всеми известными машиностроительными 3D-пакетами. Размер импортируемого файла составил 43 Мб, общее время загрузки геометрии в PDMS — около минуты. После импорта файла в графическом окне можно было получить визуальное представление об отсканированном объекте. Кроме этого, импортированная геометрия может быть использована и при реконструкции объекта.

В результате выполненных работ были получены и переданы заказчику следующие материалы:
  • 3D-модель объекта с прилегающими конструкциями и оборудованием. Итоговое облако точек состояло из ~ 430 миллионов единичных измерений и было представлено в формате Leica Cyclone.
  • Подробная 3D-модель в формате AVEVA PDMS, содержащая около 1200 элементов объекта.
  • Технический отчёт.
По мнению заказчика, полученная 3D-модель позволяет полностью актуализировать исполнительную документацию по реконструируемым трубопроводам и осуществить проектирование новых линий трубопроводов, используя текущую информацию об объектах.
Поскольку лазерный сканер выполнил большое количество избыточных измерений, то помимо объектов указанных в техническом задании, в область съёмки попали все прилегающие элементы: несущие конструкции здания, технологическое оборудование и соседние трубопроводы. Облака точек, содержащие эти элементы, при необходимости могут быть использованы для решения дополнительных задач заказчика или организации, эксплуатирующей Пермскую ГРЭС.


Авторы:
Сергей Лебедев, Начальник отдела технической поддержки ООО «АВЕВА»
Владимир Семыкин, Ведущий инженер ООО «Навгеоком Инжиниринг»


2010 год


Передача данных в систему AVEVA PDMS с помощью модуля Mechanical Interface

Материалы


к другим проектам