大型油罐容量计量中3D空间建模方法研究与比对试验分析

第３１卷第２期２０１０年２月仪器仪表学报ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、，０１．３１Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０ｌＯ大型油罐容量计量中３Ｄ空间建模方法研究与比对试验分析术王金涛，刘子勇，张珑，郭立功，暴雪松，佟林（中国计量科学研究院北京１０００１３）摘要：油罐的容量计量是石化企业生产运行的核心工作之一。

为了提高计量检定效率，提出一种基于三维激光扫描原理的油罐容量全自动测量方法。

讨论了一种扫描点云数据分析方法，通过三角网格和曲面拟和的方法计算出不同液位高度对应的油罐容积值。

设计了对比试验系统，选取６０ｍ３和３７ｉｎ３两个标准油罐为研究对象，根据ＯＩＭＬＲ７１和Ｒ８０的技术要求，以０．０２５％准确度的容量比较法测量值为参考依据，三维激光扫描方法进行油罐容量测量具有好的复现性，而测得的容量值相对偏差满液位量程处可达０．４％，验证了这种方法的有效性，而且有效提高了油罐容量检定工作效率。

关键词：油罐；容量：计量：３Ｄ空间建模方法；比对试验中图分类号：ＴＢ９文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：４６０．４０３０Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ３ＤｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔａｎｋｖｏｌｕｍｅｍｅｔｒｏｌｏｇｙａｎｄｉｔｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓＷａｎｇＪｉｎｔａｏ，ＬｉｕＺｉｙｏｎｇ。

ＺｈａｎｇＬｏｎｇ，ＧｕｏＬｉｇｏｎｇ，ＢａｏＸｕｅｓｏｎｇ，ＴｏｎｇＬｉｎ（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔｒｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｎｋｖｏｌｕｍｅｍｅｔｒｏｌｏｇｙｉｎｏｎｅｏｆｔｈｅｃｏｒｅｔａｓｋｓｉｎｐｅｔｒｏｌｅｕｍｃｏｍｐａｎｉｅｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃａｌｉ—ｂｒａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｌｌａｕｔｏｍａｔｅｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔａｎｋｖｏｌｕｍｅｂａｓｅｄｏｎ３Ｄｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｏｆｔａｎｋｓｃａｎｎｉｎｇｄａｔａｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔａｎｋｖｏｌｕｍｅｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｒｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｒｉａｎｇｕｌａｒｍｅｓｈａｎｄｓｕｒｆａｃｅｆｉｔｔｉｎｇ．Ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｗｏｔａｎｋｓ（６０ｎ１．５ａｎｄ３７ｍ’１ｗｅｒｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｂｊｅｃｔｓ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｆｒｏｍｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈａｃｃｕｒａｃｙｏｆ０．０２５％ｗａｓｒｅｇａｒｄｅｄａｓｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｏｆＯＩＭＬＲ７ｌａｎｄＲ８０．Ｔｈｅｒｅｐｒｏｄｕｃｉ—ｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅ３ＤｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄＷａｓｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｉｓ０．４％．ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｐｒｏ－ｐｏｓｅｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔａｎｋｖｏｌｕｍｅｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏ—ｐｏｓｅｄ３Ｄｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ．ｔａｎｋ；ｖｏｌｕｍｅ；ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ；３Ｄｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ１引言大型油罐是国际间大宗能源贸易结算的主要计量储存器具，属强制检定计量设备。

作为国民经济生命线系统之能源系统的重要组成部分，大型油罐在商业、军事、民用、交通、航空，特别是石化行业中有着非常广泛的应用，主要包括立式罐、卧式罐和球形罐等。

如何利用先进的计量方法，精确测量出容量一直是大型储罐运行的核心部分，研究其精密计量方法具有重要的现实意义。

国内外很多学者和研究机构对大型油罐的容量计量方面进行了大量研究，提出了几何测量法、金属膜渗透法、罐体表面应变法、超声法和近景摄影测量方法等研究方法１１－７１。

由于ＯＩＭＬＲ７１和ＲＳ０测量允差的要求，除了几何测量法应用于国内外计量交接使用外，其他方法都还处在研究中。

但是几何测量法中，都是要求大型油罐具有规则几何形状且无变形，即理想的几何体，例如收稿日期：２００９—０８ＲｅｃｅｉｖｅｄＤａｔｅ：２００９－０８·基金项目：质检公益性行业科研专项基金（ＡＨＹ０７１１）、博士基金（２２一ＡＴＧＱＤＢ０９０１）助项目万方数据４２２仪器仪表学报第３ｌ卷立式罐为理想圆柱体处理。

而油罐的变形是不规则的，特别是大型油罐，如果当作规则几何体测最就不能体现实际物理三维几何特征，势必加大与容最真值之间的误差，造成大量描述罐体物理几何模型信息的丢失，在这种不完备信息基础上建立起来的简化罐体模型与真实物理模型是有很大误差的。

而且现有几何测量方法需要在油罐清空后人工进入罐内使用钢卷尺等设备进行操作，存在清罐作业费用大、污染环境、测量方法自动化程度低、劳动强度大、罐内残留有害气体对榆定人员存在安全隐患等不足，随着油罐的大型化，对容最计量的自动化程度要求也会越来越高。

为了满足油品贸易交接和油罐使用单位精细化管理的要求，本文使用激光三维扫描建模方法进行油罐容量计量的研究，提出了一种能够满足不确定度０．４％（扛２）计量要求的自动化油罐容量计量检定装置及方法。

２油罐容量三维激光扫描方法２．１三维激光扫描测量系统作为最近发展迅速的一种新技术，三维激光扫描技术可用于物体表面的非接触空间信息获取，具有数据获取速度快、实时性强、数据量大、主动性强、点位密集、精度较高等优势，已成为空间数据获取的重要技术手段睁１０ｌ。

三维激光扫描设备包括激光测距模块、激光扫描模块、ＣＣＤ模块和控制校正模块等，在设备内通过２个同步反射镜快速而有序地旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，通过脉冲法或者相位法等原理获得测距值，激光脉冲横向扫描角度值和纵向扫描角度值由精密时钟控制编码器进行测量。

将三维激光扫描设备置于油罐内，调整至水平位置，以设备坐标系为测量基准，其中坐标系原点位于三维激光扫描设备中心、ｚ轴为铅垂线方向、ｘ轴为水平度盘零方向，如图ｌ所示。

图ｌ三维激光扫描测量坐标系统Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄｉｎｔｈｅ３Ｄｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ在这个空间坐标系中油罐罐壁上每一个测量点的坐标为：ｌ工ｐ２‘ＣＯＳ∥ＰＣＯＳ口Ｐ｛Ｙｐ＝－，ｃｏｓ成ｓｉｎ％（１）【Ｚ，＝ｒ；ｓｉｎｔｉｐ通过激光扫描测量的方法，以点云∑只０∥，ｚ）的形式快速、大量获取储罐表面的阵列式几何图像数据，为建立罐体三维空间模型和容量计算提供了技术支撑。

２．２基于三维点云的油罐容量计算方法第ｌ步，进行点云数据噪声点的剔除在对罐体表面肇标数据采集过程中，由于受测最设备的精度、测量速度、操作者经验和被测表面质最等诸多凶素影响，不可避免地会产生误差数据点，为了保证计算精度，需对测最数据进行处理，主要内容包括数据噪声点的剔除。

以每一个数据点为中心，设计包含奇数个数数据点的滑动窗口，调整一定的距离阂值，借助于中值滤波算法进行噪声点剔除【ｌ卜１３ｌ。

第２步，进行点云数据的约减由于油罐的空间尺寸大，所以测量点云数据的密度很高，通常在百万点数量级，其中存在大量的冗余数据，影响到后续算法的效率，因此需要进行约减。

由于油罐表面大多为规则的二次曲面，可以采用采取等间距均匀简化方法进行数据约减。

第３步，进行离散点云的网格化和曲面拟合利用三角嘲／ｉ６（ｔｒｉａｎｇｕｌａｒｍｅｓｈ）对于复杂几何形状的描述能力，实现点云数据拓扑结构的连接，为曲面拟和、形成有封闭的边界表面提供条件。

由于油罐点云数据是由激光测量设备按照一定规律采集的，呈线性排列，因此采用以四边域为基础的Ｂ样条或Ｍ『ＲＢＳ曲面构造方法进行曲面重构。

第４步，不同液位高度的容积计算油罐容量计量的日的是为了求出从计量基准点开始某一水平高度下油罐内的容积。

通过以上步骤得到了油罐的三维闭合曲面几何模型，为闭合空间口以图１中的坐标系建立参考位置，构建一系列平行于ｘｏｙ平面的水平面∑墨，其中Ｓｉ的方程为ｚ＝厶Ｉ，ｎ＝ｌ，２，…，Ｎ。

则面Ｓｉ以下空间』珀ｑ体积为不同液位高度下的容积，按照黎曼积分的方法，容积Ｕ的计算公式为；屹＝ＩＩ［，（五”一厶】ｄ仃（２）矿其中ｚ＝ｆ（ｘ，Ｙ）为空间口在平面Ｓ以下的曲面方程，且这部分空间在ｘｏｙ平面上的投影为有界闭区域Ｄ。

３试验与分析３．１比对试验系统介绍油罐计量方法中最准确的是容量比较法，以３７ｍ３万方数据第２期王金涛等：大型油罐容最计量中３Ｄ空间建模方法研究与比对试验分析４２３和６０ｍ３油罐为试验对象，进行本文方法与容量比较法如图２所示，整个油罐模型由１００９４５４７个数据点构成，的比对与验证。

可以看出三维激光扫描设备能够实现罐体空间高分辨率首先将光电测量设备放置于油罐内进行点云数据采的数据采集，点云数据量大，与以往几何法测量结果相集。

采用的三维激光扫描设备点最小间隔为２ｍｍ，２５ｍ比，可以更『Ｊ｜１准确地进行湘滞罐体窄问几何特行捕述。

处测距最大允差为垃ｍｉｌｌ，最大扫描距离８０ｍ，水平视角范围为３６０。

，垂直视角范围为３２０。

，采样率为１２００００点，秒，扫描油罐时间为２ｍｉｎ。

为了进行复现性测试，在每个油罐的两个不同位置分别进行测量一次。

然后，进行容量比较法的油罐校准。

具体操作要求参ＯＩＭＬＲ８０和ＪＪＧ６４ｌ—１９９０规程，使用最大允差±ｏ．０２５％的标准金属量器组、量油尺（分度值为ｌＩｎｌＴｌ，最大允许误差±０．５ｍｍ）和测温仪（最大允许误差±０．１℃）完成油罐的容量标定，得到的油罐容量表作为比对依据，测量时间约４ｈ¨¨副。

Ｉ玺ｌ２油罐三维扫描试验点云数据按照上面讨论的方法计算出基于三维激光扫描方法Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｄａｔａ的容量表，与容量比较法的容量表进行比对。

３．２试验数据分析根据上述算法计算出不同液面高度对应的容积值，以３７ｍ，油罐为例，油罐扫描之后得到的点云数据两个油罐复现性测试结果如表１所示。

表１不同油罐容量测量方法测量容积值比较ＴａｂｌｅＩＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔａｎｋｓ３７ｍ３油罐测量３７ｍ３油罐测量相对偏差６０ｍ３油罐测量６０ｍ３油罐测量相对偏差竺！竺：垡里！堕！蟹垡重！竖！型延Ｉ堕＝堡２Ｌ堕！垡里！坠！壁堡曼！堕逍Ｉ堕Ｉ二堡坚匕堕！Ｏ．１０．４３０．６９Ｏ．６０５Ｏ．７１Ｏ．７ｌ０．００９从表Ｉ中的数据进行分析，三维激光扫描方法进行油罐容量测量具有好的复现性，即使对于最小的３７ｍ３油罐而言，在满量程的复现性仍能保证０．４％。