本發(fā)明涉及儲罐安全管理及測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種大型外浮頂儲罐變形監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大型儲罐是石化及管道企業(yè)常用設(shè)備之一，屬于常壓容器、薄壁結(jié)構(gòu)范疇。外浮頂儲罐是大型儲罐的一種常見形式，其特點是不但具有儲存油品蒸發(fā)損耗小，而且罐頂自重受儲液支承，使其受力均勻，故大型儲罐多采用此種形式。但與其他形式的儲罐相比，浮頂儲罐的缺點也是顯而易見的，就是易產(chǎn)生幾何形體變形，嚴重時會影響安全生產(chǎn)。

外浮頂儲罐壁板在制作和安裝過程中如果沒有很好的按程序和標準執(zhí)行，都有可能使壁板的垂直度及橢圓度發(fā)生超差，影響油罐的密封效果；同時外浮頂儲罐幾何形體變形的大小一般隨儲罐投用時間的增加而增加，在使用一段時間后，由于罐內(nèi)液位的升降、地基變形、大風和日照等因素，儲罐發(fā)生一定的變形也在所難免。罐體局部凹凸、橢圓度、最大傾斜度，基礎(chǔ)沉降等幾何尺寸是很重要的指標，如果這些指標過大，會使得儲罐發(fā)生應(yīng)力集中失效而不能完全利用或根本無法使用；此外變形過大將導致儲罐浮頂密封圈密封不嚴，引起油氣濃度偏高，不僅會造成油氣損耗增大，還極易成為火災(zāi)爆炸的源頭，對生產(chǎn)和人員造成安全隱患。因此精確掌握外浮頂儲罐幾何變形并加以安全評估是十分必要的。

目前對大型立式儲罐變形檢定還處于離線狀態(tài)，即需要將儲罐清空，對罐內(nèi)徹底清掃、防腐處理之后進行檢定，對新建的大型立式儲罐經(jīng)過水試壓沉降后，在空罐狀態(tài)下檢定。然而，在實際使用中，由于儲罐使用頻繁，需要連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)、油品周轉(zhuǎn)等客觀因素，致使油庫往往不能按期實施清罐檢查，特別是原油儲罐，清罐周期長達六、七年甚至十年以上。通常，對小容積金屬儲罐采用搭梯使用圍尺法測量凹癟等變形，但該方法無法準確測量出大變形的罐壁 凹癟容積。浮頂儲罐安全檢測通常使用光學參比法和光電法對儲罐變形進行測量。光學參比法需要使用光學垂準儀、水平直尺、移動式磁性標尺儀等，但這種基于單點測量的方式在罐壁變形復雜時，會產(chǎn)生較大的測量誤差。光電法測量儲罐變形一般采用全站儀和GPS等，該方法依然屬于單點式測量，也就是只能以點觀測而獲取較少觀測點的形變數(shù)據(jù)進而推斷整體變形情況，無法獲取局部和整體精確的變形細節(jié)，并且設(shè)備現(xiàn)場安裝難度較大，測量時間比較長，因此對環(huán)境的穩(wěn)定性要求很高，其測量精度和穩(wěn)定性往往受到較大影響，因而檢測效率和精度都無法得到有效保障，不能滿足實際生產(chǎn)需求。另外，現(xiàn)有技術(shù)需要測量的幾何參數(shù)多，操作復雜，人員勞動強度大，而且測量過程中受人為因素影響較大，在測量變形大的罐體時誤差較大；測量過程中罐內(nèi)含氧量不足、有毒、有害、腐蝕介質(zhì)對人身安全會造成一定的危害。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于上述問題，本發(fā)明提供一種外浮頂儲罐變形檢測系統(tǒng)，通過在遠離外浮頂儲罐的位置設(shè)置基準點，將三維激光掃描的儲罐坐標轉(zhuǎn)換到基準點坐標系下絕對坐標，從而實現(xiàn)對外浮頂儲罐整體幾何變形狀況的精確檢測，并計算儲罐關(guān)鍵幾何變形指標，掌握外浮頂儲罐幾何變形安全狀況。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種外浮頂儲罐變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)處理裝置、定位裝置、設(shè)置在所述外浮頂儲罐內(nèi)罐壁頂部的控制點的全站儀，設(shè)置在所述外浮頂儲罐的浮頂上部的至少一組掃描標靶組以及設(shè)置在所述浮頂上部的至少一個測量點的三維激光掃描儀；

其中，所述定位裝置設(shè)置于所述外浮頂儲罐外部的預設(shè)的基準點上，所述基準點設(shè)置在距離所述外浮頂儲罐預設(shè)距離的地面上,所述定位裝置用于測量所述基準點的大地坐標；

所述全站儀用于測量所述基準點與所述控制點之間的方位角以及邊長數(shù)據(jù)以及所述控制點與所述測量點之間的方位角以及邊長數(shù)據(jù)；

所述三維激光掃描儀用于對所述掃描標靶組以及所述外浮頂儲罐的內(nèi)壁進行掃描；

所述數(shù)據(jù)處理裝置獲得所述定位裝置、全站儀和三維激光掃描儀的測量數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理后得到所述外浮頂儲罐的變形情況。

其中，所述定位裝置包括固定墩，強制歸心裝置和反射棱鏡，所述固定墩設(shè)置在每個所述基準點上，所述強制歸心裝置固定在所述固定墩上，所述反射棱鏡設(shè)置在所述強制歸心裝置上。

其中，所述定位裝置還包括GPS測量儀，用于測量每個所述基準點位的大地坐標。

其中，所述掃描標靶組至少為一組，并且每個掃描標靶組中的各個標靶點排列成除直線外的其他形式。

其中，所述掃描標靶組中至少一個掃描標靶組具有三個標靶點，并且所述三個標靶點呈三角形分布。

其中，所述測量點包括第一測量點和第二測量點，所述第一測量點位于所述浮頂表面的正中心，所述第二測量點位于所述浮頂?shù)谋砻?，并且距所述第一測量點預設(shè)距離，所述掃描靶組設(shè)置在所述第一測量點和第二測量點之間的區(qū)域。

其中，所述基準點與所述外浮頂儲罐的罐壁之間的水平距離等于所述外浮頂儲罐的直徑的一半。

其中，所述數(shù)據(jù)處理裝置包括數(shù)據(jù)存儲單元、坐標解算單元、去噪拼接單元、坐標轉(zhuǎn)換單元、三維建模單元和計算分析單元；

其中，所述數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲所述定位裝置、全站儀和三維激光掃描儀的測量數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理后得到的數(shù)據(jù)；

所述坐標解算單元用于根據(jù)所述全站儀測量的所述基準點與所述控制點位的方位角和邊長數(shù)據(jù)，利用后方交會法解算控制點的大地坐標；

所述去噪拼接單元用于去除所述三維激光掃描儀測量的所述儲罐點云數(shù)據(jù)中的噪聲點；

所述坐標轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)所述基準點坐標、控制點坐標和三維激光掃描儀坐標和點云數(shù)據(jù)文件進行坐標轉(zhuǎn)換，得到大地坐標系下的點云數(shù)據(jù)。

所述三維建模單元用于根據(jù)所述大地坐標系下的點云數(shù)據(jù)建立三維模型；

所述計算分析單元根據(jù)所述三維模型，計算所述儲罐的幾何變形指標數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的外浮頂儲罐變形監(jiān)測系統(tǒng)，可在大型外浮頂儲罐工作狀態(tài)下實施，將全站儀測量技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合起來，利用后方交會測量，以自由設(shè)站控制點和罐區(qū)外部穩(wěn)定區(qū)基準點為已知點，并將基準點的絕對坐標系引入掃描儀，從而使掃描儀測量可以自由架站，所測罐體內(nèi)外部點云數(shù)據(jù)坐標，均是基于外部穩(wěn)定區(qū)基準點的高精度數(shù)據(jù)，進而真實描述外浮頂儲罐內(nèi)部的罐體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性，以快速、準確地生成三維數(shù)據(jù)模型，得到外浮頂儲罐不同方位和角度的幾何參數(shù)值，針對外浮頂儲罐的罐壁凹凸、罐體橢圓變形和罐體傾斜沉降進行快速、準確測量，計算關(guān)鍵幾何變形指標從而得到外浮頂儲罐變形情況，有效避免了傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段基于點數(shù)據(jù)進行變形分析造成的局部性和片面性，同時也避免了傳統(tǒng)停罐離線檢測的低工作效率和人力物力消耗。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進行任何限制，在附圖中：

圖1示出了本發(fā)明實施例的外浮頂儲罐變形監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明的一種外浮頂儲罐變形監(jiān)測系統(tǒng)予以詳細描述。

圖1示出了本發(fā)明實施例的外浮頂儲罐變形監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

參照圖1，本發(fā)明實施例提供的一種外浮頂儲罐變形監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

數(shù)據(jù)處理裝置12、定位裝置10、設(shè)置在所述外浮頂儲罐內(nèi)罐壁頂部的控制點4的全站儀11，設(shè)置在所述外浮頂儲罐的浮頂上部的至少一組掃描標靶組9以及設(shè)置在所述浮頂上部的至少一個測量點5的三維激光掃描儀7；

其中，所述定位裝置10設(shè)置于所述外浮頂儲罐外部的預設(shè)的基準點3上，所述基準點3設(shè)置在距離所述外浮頂儲罐預設(shè)距離的地面上,所述定位裝置10用于測量所述基準點的大地坐標并對所述基準點定位；

所述全站儀4用于測量所述基準點與所述控制點之間的方位角和邊長數(shù)據(jù)以及所述控制點與所述測量點之間的方位角和邊長數(shù)據(jù)；

所述三維激光掃描儀7用于對所述掃描標靶組9以及所述外浮頂儲罐的內(nèi)壁進行掃描；

所述數(shù)據(jù)處理裝置獲得所述定位裝置、全站儀和三維激光掃描儀的測量數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理后得到所述外浮頂儲罐的變形情況。

基準點沿著監(jiān)測的外浮頂儲罐的四周布設(shè)一圈，并且基準點距離儲罐距離至少為0.5d，其中d為儲罐直徑，在每個基準點上安裝定位裝置10，定位裝置10包括固定墩，強制歸心裝置和反射棱鏡，所述固定墩設(shè)置在每個所述基準點上，所述強制歸心裝置固定在所述固定墩上，所述反射棱鏡設(shè)置在所述強制歸心裝置上。

另外，在另一個實施例中，也可以使用在強制歸心裝置上設(shè)置球形標靶，并在球形標靶上黏貼反射片，從而代替反射棱鏡。反射片或是反射棱鏡是用于在全站儀在進行測量時，對基準點進行定位。

另外，定位裝置還包括用于測量基準點的大地坐標的設(shè)備，如GPS測量儀。

進一步地，測量點至少包括位于所述浮頂上部正中心的第一測量點5，測量點的選擇位置要求通視條件好，可以使得三維激光掃描儀在有效范圍內(nèi)盡可能多的獲取罐體的特征，提高測量效率，并減少后期數(shù)據(jù)處理誤差。為了提高測量精度，在浮頂上方設(shè)置有多個測量點，如在第一測量點5的一側(cè)設(shè)置的第二測量點6，并且相鄰測量點之間設(shè)置有掃描標靶，所述掃描標靶組至少為一組，并且每個掃描標靶組中的各個標靶點排列成除直線外的其他形式。在優(yōu)選的實施例中，所述掃描標靶組中至少一個掃描標靶組具有三個標靶點，并且所述三個標靶點呈三角形分布。標靶通過固定裝置固定于待監(jiān)測儲罐外浮頂表面，從而保證在監(jiān)測過程中位置嚴格固定。

一個實施例中，所述數(shù)據(jù)處理裝置包括數(shù)據(jù)存儲單元、坐標解算單元、去噪拼接單元、坐標轉(zhuǎn)換單元、三維建模單元和計算分析單元；

所述數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲所述定位裝置、全站儀和三維激光掃描儀的測量數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理后得到的數(shù)據(jù)；另外，數(shù)據(jù)存儲單元還可以具有如下功能：數(shù)據(jù)導入更新、顯示檢索查詢、歷史數(shù)據(jù)模型回放、冗余數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)信息管理、數(shù)據(jù)安全管理。

所述坐標解算單元用于根據(jù)所述全站儀測量的所述基準點與所述控制點位的方位角和邊長數(shù)據(jù)，利用后方交會法解算控制點的坐標；

去噪拼接單元，用于去除三維激光掃描得到的儲罐點云數(shù)據(jù)中的噪聲點，根據(jù)標靶組中標靶點云數(shù)據(jù)對去除噪聲點的儲罐點云數(shù)據(jù)進行拼接，得到待測儲罐整體的點云數(shù)據(jù)文件；具體用于對明顯遠離點云的、飄浮于點云上方的稀疏、離散的點，遠離點云中心區(qū)、小而密集的點以及多余掃描的點等噪聲點進行根據(jù)人工篩除法或系統(tǒng)自動進行刪除；進一步地，所述去噪拼接子單元，具體用于根據(jù)不同掃描測量站點位三維激光掃描儀測得的同一個標靶組中標靶的標靶點云數(shù)據(jù)計算出坐標變換的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)矩陣和所述平移矩陣對去除噪聲點的儲罐點云數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換拼接。

所述坐標轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)所述基準點坐標、控制點坐標和三維激光掃描儀坐標和點云數(shù)據(jù)文件進行坐標轉(zhuǎn)換，得到大地坐標下的點云數(shù)據(jù)。

所述三維建模單元用于根據(jù)所述大地坐標下的點云數(shù)據(jù)建立三維模型；

所述計算分析單元根據(jù)所述三維模型，計算所述儲罐的幾何變形指標數(shù)據(jù)。

進一步地，所述關(guān)鍵幾何變形指標包括：罐壁高度、罐壁局部凹凸變形值、橢圓度、罐壁傾斜度和整體沉降量。

在另一個實施例中，該監(jiān)測系統(tǒng)還包括安全評估預警單元，其具體包括安全評估子單元，用于根據(jù)所述外浮頂儲罐群幾何變形指標數(shù)據(jù)及安全閾值條件評斷儲罐是否滿足安全要求。

安全預警子單元，用于判斷所述幾何變形指標數(shù)據(jù)是否大于預設(shè)的安全閾值，當判斷出所述幾何變形指標數(shù)據(jù)大于所述預設(shè)的安全閾值時，發(fā)出安全預警。

此外，在又一個實施例中，所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括監(jiān)測設(shè)備管理單元、統(tǒng)計查詢展示單元、系統(tǒng)日志單元，分別通過數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)存儲子單元相連。其中，監(jiān)測設(shè)備管理單元用于監(jiān)測預警硬件的遠程控制，具備不同工作單元測量參數(shù)設(shè)置、預警閾值設(shè)置、不同工作單元電池電量監(jiān)測、系統(tǒng)故障診斷等功能；統(tǒng)計查詢展示單元用于對不同期測量建立的儲罐三維模型數(shù)據(jù)、儲罐整體沉降量、傾斜量和傾斜角度、局部變形量和變形角度等數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)時間、統(tǒng)計計 算，并提供統(tǒng)計圖、報表、圖形化數(shù)據(jù)瀏覽查詢以及三維可視化模型展示功能；系統(tǒng)日志單元用于提供通訊信息、操作日志等查詢服務(wù)。

本發(fā)明的外浮頂儲罐變形監(jiān)測系統(tǒng)，可在大型外浮頂儲罐工作狀態(tài)下實施，將全站儀測量技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合起來，利用后方交會測量，以自由設(shè)站控制點和罐區(qū)外部穩(wěn)定區(qū)基準點為已知點，并將基準點的絕對坐標系引入掃描儀，從而使掃描儀測量可以自由架站，所測罐體內(nèi)外部點云數(shù)據(jù)坐標，均是基于外部穩(wěn)定區(qū)基準點的高精度數(shù)據(jù)，進而真實描述外浮頂儲罐內(nèi)部的罐體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性，以快速、準確地生成三維數(shù)據(jù)模型，得到外浮頂儲罐不同方位和角度的幾何參數(shù)值，針對外浮頂儲罐的罐壁凹凸、罐體橢圓變形和罐體傾斜沉降進行快速、準確測量，計算關(guān)鍵幾何變形指標從而得到外浮頂儲罐變形情況，有效避免了傳統(tǒng)變形檢測手段基于點數(shù)據(jù)進行變形分析造成的局部性和片面性，同時也避免了傳統(tǒng)停罐離線檢測的低工作效率和人力物力消耗。

以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的具體實施技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。