金瑞臥式罐計(jì)量系統(tǒng)介紹0729

1、臥式罐計(jì)量系統(tǒng)介紹一、項(xiàng)目的技術(shù)原理臥式罐容積標(biāo)定系統(tǒng)，設(shè)備主要包括主檢測(cè)儀、控制器及與其相連接的PC 機(jī)。主檢測(cè)儀如圖1所示，主要由旋轉(zhuǎn)軸、傾斜軸及激光探測(cè)器三大部分構(gòu)成。 在進(jìn)行臥式儲(chǔ)罐容積標(biāo)定時(shí)，將主檢測(cè)儀倒置于儲(chǔ)罐罐口，將激光探測(cè)器伸入罐 內(nèi)適當(dāng)位置，通過(guò)設(shè)置控制器內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，將相關(guān)的命令通過(guò)通訊線纜傳輸給 主檢測(cè)儀，此時(shí)旋轉(zhuǎn)軸沿水平面0-360旋轉(zhuǎn)，傾斜軸沿豎向臺(tái)面0-180旋轉(zhuǎn)， 如圖2所示，通過(guò)Z軸調(diào)整俯仰角a，對(duì)應(yīng)每一角度a，T軸帶動(dòng)激光在一圓周 內(nèi)以角度間隔b測(cè)量一組數(shù)據(jù)，相同方法當(dāng)a從0測(cè)到180即可完成全部測(cè)試。 如此循環(huán)，將整個(gè)儲(chǔ)罐分割為若干個(gè)斷面，直至測(cè)量完所有斷面

2、數(shù)據(jù)，儀器自動(dòng) 停止，然后保存相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)格式如下所示，（圖1）Z軸調(diào)整激光器 的俯伯角度讓光量跡 激測(cè)軌Z軸調(diào)整激光器 的俯伯角度讓光量跡 激測(cè)軌（圖2 ）測(cè)試數(shù)據(jù)表Z軸（俯仰角a）T軸（旋轉(zhuǎn)角b）測(cè)量距離00L1bL22bL33bL4360Lna0L1bL22bL33bL4360Ln2a0L1bL22bL33bL4360Ln 1800L1bL22bL33bL4360Ln二、測(cè)量數(shù)據(jù)分析上圖為測(cè)量點(diǎn)云的三維效果圖。其中，白色為z軸，紅色為x軸，綠色為y 軸。除去奇異點(diǎn)后，點(diǎn)數(shù)為1874點(diǎn)。從圖中點(diǎn)的分布可以看出，距原點(diǎn)近的地 方點(diǎn)相對(duì)密集，而較遠(yuǎn)的地方，點(diǎn)云相對(duì)稀疏，因此點(diǎn)云分布

3、不均；在遠(yuǎn)離原點(diǎn) 的一段，出現(xiàn)較大的空洞。由于上述原因，若采用構(gòu)網(wǎng)的方式，精度會(huì)受到很大的影響。在這種情況下， 采用形體擬合是最佳的解決方案。1、技術(shù)方案設(shè)計(jì)臥式罐由中部的圓柱部分和兩頭的堵頭構(gòu)成，因此可分別進(jìn)行幾何形體的擬 合，最后綜合主體和堵頭，則可得到臥式罐的容積等信息。本方案的關(guān)鍵在于如何用離散的點(diǎn)云擬合高精度的形體。分析臥式罐的性 質(zhì)，本方案主要分為柱體的圓柱擬合和堵頭的二次曲面擬合。2、技術(shù)實(shí)現(xiàn)2.1數(shù)據(jù)管理面對(duì)海量點(diǎn)云，數(shù)據(jù)處理時(shí)要盡量避免同時(shí)操作整個(gè)數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的思 想為將掃描點(diǎn)云按其空間位置進(jìn)行“分塊”，數(shù)據(jù)處理時(shí)可以將操作的點(diǎn)集縮小 到每個(gè)小的分塊，從而加快數(shù)據(jù)處理的速

4、度，提高效率。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有格網(wǎng) 結(jié)構(gòu)、八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)和KD樹(shù)結(jié)構(gòu)等。格網(wǎng)法直接將點(diǎn)云分割成大小相等的多個(gè)小 方格，原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，但它在分割時(shí)沒(méi)有考慮到掃描點(diǎn)云是表面數(shù)據(jù)，中 間是空洞的特點(diǎn)，因此造成浪費(fèi)，另外，它的搜索速度較慢k-d樹(shù)是一種動(dòng)態(tài) 的結(jié)構(gòu)，即根節(jié)點(diǎn)不同，或者插入的順序不同，都會(huì)造成最后的分割結(jié)構(gòu)不同。 八叉樹(shù)法采用遞歸的方法進(jìn)行分割，點(diǎn)越密的區(qū)域分割越細(xì)，分割比較合理，計(jì) 算速度快，效率高。因此，本方案采用八插樹(shù)管理數(shù)據(jù)。效果如下圖。2.2圓柱擬合由于三維空間中的圓柱體需要確定軸向的姿態(tài)，圓柱狀的擬合相對(duì)于平面 和球的擬合要復(fù)雜，特別是在圓柱擬合時(shí)，迭代初值的確定直接影響擬

5、合結(jié)果。 至今先后有學(xué)者利用RANSAC法、遺傳算法、高斯映射法、距離函數(shù)參數(shù)化法等 進(jìn)行圓柱體擬合。上述方法有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：無(wú)法得到穩(wěn)定可靠的擬合結(jié)果。 為了克服上述方法的缺點(diǎn)，使圓柱擬合的結(jié)果既穩(wěn)定又可靠，提出了將基于 RANSAC算法的高斯映射所獲取的穩(wěn)定的圓柱擬合參數(shù)作為初始值，代入到圓柱 距離函數(shù)參數(shù)化法再進(jìn)行非線性最小二乘擬合，保證擬合結(jié)果的正確性?；贚evenbergMarquardt方法的非線性最小二乘求解的關(guān)鍵在于擬合初 值的選取，即盡可能地將初值近似于真實(shí)解。否則會(huì)影響迭代求解速度和精度， 甚至?xí)?dǎo)致迭代發(fā)散，得不到正確的解。本方案采用高斯映射法獲取初始值。高斯映射指的

6、是將曲面上任一點(diǎn)的單位法向量的起點(diǎn)平移到坐標(biāo)原點(diǎn)的過(guò) 程。圓柱體（不包括兩個(gè)端部）的高斯圖是高斯球上過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一個(gè)平面與高斯 球所交圓弧曲線上的點(diǎn)集，因此圓柱體軸線向量與其高斯圖所在平面的法向量平 行。為了獲取較好的初值，利用圓柱體軸線方向向量與其高斯圖所在平面的法向 量平行的特性。中軸線的方向a和位置，即一條空間直線。在圓柱點(diǎn)云上選擇一個(gè)較好的數(shù) 據(jù)點(diǎn)，作為坐標(biāo)原點(diǎn)，將鍛件點(diǎn)云移到此位置，包括中軸過(guò)的點(diǎn)，計(jì)算原點(diǎn)到中 軸線的距離，作為圓柱的初始半徑R0，到進(jìn)而得到參數(shù)k和p的初值，k = 1/島，p=p=0，并求出原點(diǎn)到中軸線的方向向量n ,進(jìn)而得到初值中、0。已知中軸線的方向a，得a的初

7、值。LM迭代算法目標(biāo)函數(shù) f (X) = min |b (X)|2 (X) = %(X),咒(X),.,咒(X 小 TOC o 1-5 h z k .中(X) = S (S, p ) = ； (|p I2 - 2 p (p 囪)-(p 年)+p 2) +p p 囪11 i 2 iiiii為點(diǎn)云數(shù)目v、_W(X )_評(píng)(X )評(píng)(X )兩(X )評(píng)(X )評(píng)(X )辦 k dp k 聊 k 50 k dk k aa k。ik具體步驟為：Stepl取初始點(diǎn)Stepl取初始點(diǎn)X1和 (都不等于零)，即k = 1，置密度要求為，其中旦1是一個(gè)較小的正數(shù)。Step2如果”(Xw (X|e，則停止計(jì)算，%

8、作為最終解；否則求解線 性方程組(j(x (j(x )tj(X ) + h i)d =-j(x )t中(x )kk k kkk得到d :kd =-( J(X )tJ(X ) + r I)-1 J (X )t中(X )kkk kkkStep3更新使Xk = X + dk，并計(jì)算y = 、f (X.- f( Xk)k J(X )t甲(X )r d + 0.5(d )t (J(X )tJ(X )d kk kkkk k其中(0-1)(0-2)(0-3)Step4 若y k 0.75Step4 若y k 0.25，否則置匕+1 =匕，置k = k +1，轉(zhuǎn)向Step2,繼續(xù)迭代直至收斂。2.3堵頭擬合目

9、前存在各種形狀的堵頭，因此暫定用二次曲面進(jìn)行擬合。三、項(xiàng)目國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀目前在國(guó)際上，對(duì)臥式罐的計(jì)量主要依靠流量計(jì)或由流量計(jì)改裝的一些子系 統(tǒng)來(lái)完成計(jì)量工作?；蛘哂锰坠艹?、半徑規(guī)等方法由人工測(cè)量得到油罐的基礎(chǔ)數(shù) 據(jù)。在我國(guó)，目前主要的測(cè)量手段和國(guó)際上基本相同，大都是采用流量計(jì)和液位 儀相結(jié)合的方式，對(duì)油罐進(jìn)行測(cè)量，手段更原始的，就是直接使用套管尺和半徑 規(guī)等設(shè)備由計(jì)量人員進(jìn)入油罐內(nèi)部直接進(jìn)行測(cè)量。但是這兩種方法弊端都非常明 顯。如：在用流量計(jì)和液位計(jì)做混合法測(cè)量時(shí)，必須要有一個(gè)空的計(jì)量罐（一般 都是額外再用一個(gè)油罐車(chē)），同時(shí)要求流量計(jì)的精度要高、液位也要穩(wěn)定，要排 除氣泡等等，目前的精度大

10、約只能做到千分之五。并且計(jì)量一個(gè)普通的臥式罐時(shí) 間大約要一天，給企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)帶來(lái)非常大的困擾。用人工法進(jìn)行計(jì) 量時(shí)，精度很難控制，并且由于計(jì)量人員要在油氣的環(huán)境下進(jìn)行工作，對(duì)人身健 康非常不利。精度方面更是難以保證。通過(guò)測(cè)量?jī)x器自動(dòng)對(duì)臥式罐容量進(jìn)行檢定和數(shù)據(jù)處理，在全世界來(lái)說(shuō)都屬于 首發(fā)，這套系統(tǒng)完全由北京金旗華瑞科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)，經(jīng)過(guò)不斷的試 驗(yàn)、檢測(cè)和改進(jìn)，技術(shù)日趨成熟，目前已經(jīng)發(fā)展到第三代產(chǎn)品。四、項(xiàng)目主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)1、項(xiàng)目主要內(nèi)容及技術(shù)路線目前，我們的項(xiàng)目的主要內(nèi)容是通過(guò)控制一個(gè)經(jīng)過(guò)防爆改裝的測(cè)量裝置，對(duì) 油罐的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，只需要將儀器架設(shè)在油罐口，操作人員不用進(jìn)入

11、油罐內(nèi)部， 操作儀器進(jìn)行自動(dòng)采樣即可。之后再通過(guò)專(zhuān)用的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。1.1項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容項(xiàng)目的主要技術(shù)內(nèi)容及基礎(chǔ)原理是，通過(guò)一個(gè)可控的數(shù)據(jù)采集裝置，對(duì)油罐 內(nèi)部的空間點(diǎn)的信息進(jìn)行采集，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，從而得到精確的油 罐體積信息。目前數(shù)據(jù)采集裝置已經(jīng)完成，如下圖：主機(jī)控制器工作狀態(tài)1.2項(xiàng)目涉及的關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要是三部分，一是控制一個(gè)高精度的測(cè)量裝置，對(duì) 油罐進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣;二是對(duì)測(cè)量裝置的防爆改裝設(shè)計(jì);三是對(duì)數(shù)據(jù)的后處理分析。2、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)在本項(xiàng)目中，有以下幾個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新：2.1理論創(chuàng)新在當(dāng)前的國(guó)內(nèi)、國(guó)際上利用激光掃描技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)的擬合計(jì)算出相對(duì) 應(yīng)的

12、容量表，是本項(xiàng)目的獨(dú)創(chuàng)。這一理論帶來(lái)的直接好處就是計(jì)量精度的大 大提高，并且需要加油站停工配合的時(shí)間大大減少。2.2結(jié)構(gòu)創(chuàng)新基于以上理論，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上我們進(jìn)行了多種形式的實(shí)驗(yàn)?？紤]了現(xiàn)場(chǎng)檢定的各種實(shí)際情況：如運(yùn)輸?shù)姆奖阈?、儀器的可操作性、儀器的大?。ㄌ?大了不可能從罐口進(jìn)去）、儀器的制造工藝等各方面，從而確定的現(xiàn)在的儀 器外觀和樣式。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶的反應(yīng)良好。3、關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)指標(biāo)3.1產(chǎn)品描述：本裝置可進(jìn)行水平繞豎直軸360旋轉(zhuǎn)和垂直繞水平軸360 旋轉(zhuǎn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)或控制器控制，實(shí)現(xiàn)按預(yù)定步驟進(jìn)行的自動(dòng)運(yùn)行。3.2各部參數(shù)：水平旋轉(zhuǎn)：采用倒置使用的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，分辨率0.00125。配備步進(jìn)電 機(jī)輸入，最佳扭矩下可實(shí)現(xiàn)10 /sec旋轉(zhuǎn)速度。；豎直旋轉(zhuǎn)：倒置使用的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，分辨