一种外浮顶储罐群的变形监测系统的制作方法

本发明涉及储罐安全管理及测量技术领域，尤其涉及一种外浮顶储罐群的变形监测系统。

背景技术：

大型储罐具有节省钢材、占地少、投资省、便于操作管理等优点。发达国家建造、使用大型储罐已有近30年的历史，随着生产的需要和我国石油战略储备计划的实施，近些年大型储罐在国内也得到了迅速发展。外浮顶储罐是大型储罐的一种常见形式，其储存油品蒸发损耗小，而且罐顶自重受储液支承，使其受力均匀，故大型储罐多采用此种形式。外浮顶储罐壁板在制作和安装过程中如果没有很好的按程序和标准执行，都有可能使壁板的垂直度及椭圆度发生超差，影响油罐的密封效果；同时外浮顶储罐几何形体变形的大小一般随储罐投用时间的增加而增加，在使用一段时间后，由于罐内液位的升降、地基变形、大风和日照等因素，储罐发生一定的变形也在所难免。通常罐体局部凹凸、椭圆度、最大倾斜度，基础沉降等几何尺寸都是很重要的指标，如果这些指标过大，将导致储罐浮顶密封圈密封不严，引起油气浓度偏高，不仅会造成油气损耗增大，还极易成为火灾爆炸的源头；同时罐体发生局部变形和不均匀沉降后，超过一定限度会使得储罐不能完全利用或根本无法使用，造成生产和人员安全隐患，一旦发生事故，损失将十分惨重。此外变形过大将导致储罐浮顶密封圈密封不严，对生产和人员造成安全隐患。因此精确掌握外浮顶储罐几何变形是十分必要的。

浮顶储罐安全检测通常使用光学参比法和光电法对储罐变形进行测量。光学参比法需要使用光学垂准仪、水平直尺、移动式磁性标尺仪等，但这种基于单点测量的方式在罐壁变形复杂时，会产生较大的测量误差。光电法测量储罐变形一般采用全站仪和GPS等，该方法依然属于单点式测量，也就是只能以点观 测而获取较少观测点的形变数据进而推断整体变形情况，无法获取局部和整体精确的变形细节，并且设备现场安装难度较大，测量时间比较长，因此对环境的稳定性要求很高，其测量精度和稳定性往往受到较大影响，因而检测效率和精度都无法得到有效保障，不能满足实际生产需求。

另外，对于在一个区域内放置多个储罐的外浮顶储罐群，通过上述方法进行检测或监测，需要测量的几何参数多，操作复杂，人员劳动强度大，而且测量过程中受人为因素影响较大，在测量变形大的罐体时误差较大；测量过程中罐内含氧量不足、有毒、有害、腐蚀介质对人身安全会造成一定的危害。

技术实现要素：

本发明提供了一种外浮顶储罐群的变形监测系统及方法，通过在远离储罐群的区域设置基准点，将三维激光扫描的坐标转换成基准点绝对坐标，能够较全面地实时获得外浮顶储罐群中每个储罐几何变形指标，从而实现对外浮顶储罐群几何变形状况的连续精确监测。

为实现上述发明目的，根据本发明的一个方面，提供一种外浮顶储罐群的变形监测系统，其特征在于，所述系统包括：

数据处理装置、定位装置、设置在每个所述外浮顶储罐顶部的控制点的全站仪，设置在每个所述外浮顶储罐的浮顶上表面的至少一个测量点的三维激光扫描仪以及设置在每个所述外浮顶储罐的浮顶上的相邻测量点之间的至少一组扫描靶组；

其中，所述定位装置设置于所述外浮顶储罐群的周围的预设的基准点上，所述基准点设置在距离所述外浮顶储罐群的最外边的外浮顶储罐的预设距离的地面上,所述定位装置用于测量所述基准点的大地坐标并对所述基准点进行定位；

所述全站仪用于测量所述基准点与每个所述外浮顶储罐的控制点之间的方位角和边长数据以及每个所述外浮顶储罐的控制点与测量点之间的方位角和边长数据；

所述三维激光扫描仪用于对每个所述外浮顶储罐的扫描标靶组、储罐内壁以及浮顶进行扫描；

所述数据处理装置获得每个所述外浮顶储罐的所述定位装置、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据，分别进行数据处理后得到每个所述外浮顶储罐的变形情况。

其中，所述定位装置包括固定墩，强制归心装置和反射棱镜，所述固定墩设置在每个所述基准点上，所述强制归心装置固定在所述固定墩上，所述反射棱镜设置在所述强制归心装置上。

其中，所述定位装置还包括GPS测量仪，用于测量每个所述基准点位的大地坐标。

其中，，每个所述外浮顶储罐的扫描标靶组至少为一组，并且每个扫描标靶组中的标靶点排列成除直线外的其他形式。

其中，所述扫描标靶组中至少一个扫描标靶组具有三个标靶点，并且所述三个标靶点呈三角形分布。

其中，所述测量点至少包括位于所述浮顶上表面正中心的第一测量点。

其中，所述基准点与距离所述外浮顶储罐群最近的外浮顶储罐的水平距离值至少为距离所述外浮顶储罐群最近的外浮顶储罐的直径的一半的值。

其中，所述数据处理装置包括数据存储单元、坐标解算单元、去噪拼接单元、坐标转换单元、三维建模单元和计算分析单元。

其中，所述数据存储单元用于存储所在外浮顶储罐的定位装置、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据以及数据处理后得到的数据。

所述坐标解算单元用于根据所在外浮顶储罐的全站仪测量的基准点与控制点位的方位角和边长数据，利用后方交会法解算该控制点的坐标。

所述去噪拼接单元用于去除所在外浮顶储罐的三维激光扫描仪测量的储罐点云数据中的噪声点，并对去噪后的数据进行拼接，得到该外浮顶储罐整体的点云数据文件；

所述坐标转换单元用于根据所在外浮顶储罐的基准点坐标、控制点坐标和三维激光扫描仪坐标对该外浮顶储罐的点云数据文件进行坐标转换，得到大地坐标下的点云数据文件；

所述三维建模单元用于根据所在外浮顶储罐的大地坐标下的点云数据建立 三维模型；

所述计算分析单元根据所在外浮顶储罐的三维模型，计算该外浮顶储罐的几何变形指标数据。

本发明提供的一种外浮顶储罐群变形监测系统，可在大型外浮顶储罐群工作状态下实施，将全站仪测量技术与三维激光扫描技术结合起来，利用后方交会测量，以自由设站控制点和罐群外部稳定区基准点为已知点，并将基准点的绝对坐标系引入扫描仪坐标系，从而使扫描仪测量可以自由架站，进而真实描述外浮顶储罐内部的罐体结构及形态特性，以快速、准确地生成三维数据模型，得到外浮顶储罐不同方位和角度的几何参数值，针对外浮顶储罐的罐壁凹凸、罐体椭圆变形和罐体倾斜沉降进行快速、准确测量，计算关键几何变形指标并进行安全评估，对不符合阈值要求指标进行安全预警，从而实现动态掌握外浮顶储罐群每个储罐变形状况，有效避免了传统变形测量手段基于点数据进行变形分析造成的局部性和片面性，同时也避免了传统停罐离线检测的低工作效率和人力物力消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的外浮顶储罐群的变形监测系统的基准点布置示意图。

图2示出了本发明的安装在单个外浮顶储罐的监测设备的布置示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的一种外浮顶储罐群变形监测系统予以详细描述。

图1示出了本发明实施例的外浮顶储罐群的变形监测系统的基准点布置示意图。

图2示出了本发明的安装在单个外浮顶储罐的监测设备的布置示意图。

在本发明的一个实施例中，参照图1和2，提供一种外浮顶储罐群的变形监测系统，所述系统包括：

数据处理装置12、定位装置(未示出)、设置在每个外浮顶储罐2内罐壁顶部的控制点的全站仪11，设置在每个外浮顶储罐的浮顶上表面的至少一个测量点7的三维激光扫描仪8以及设置在每个所述外浮顶储罐的浮顶上的相邻测量点之间的至少一组扫描靶组9；

其中，定位装置设置于外浮顶储罐群的周围的预设的基准点10上，基准点10设置在距离所述外浮顶储罐群的最外边的储罐的预设距离的地面上，定位装置用于测量所述基准点的大地坐标并对基准点进行定位；

全站仪11用于测量基准点与每个外浮顶储罐的控制点之间的方位角和边长数据以及每个外浮顶储罐的控制点与测量点之间的方位角和边长数据；

所述三维激光扫描仪用于对每个外浮顶储罐的扫描标靶组9、储罐内壁以及浮顶进行扫描；

数据处理装置获得每个外浮顶储罐的定位装置、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据，进行数据处理后得到每个外浮顶储罐的变形情况。

上述实施例中，基准点10沿着监测的外浮顶储罐群的四周布设一圈，并且基准点距离最近的储罐距离至少为0.5d，其中d为距离最近的储罐直径，在每个基准点上设置定位装置，具体地，定位装置包括固定墩，强制归心装置和反射棱镜，所述固定墩设置在每个所述基准点上，所述强制归心装置固定在所述固定墩上，所述反射棱镜设置在所述强制归心装置上。在本实施例中，每个外浮顶储罐的大小可以是相同的，也可以是不同的，如果每个储罐的大小不同，则基准点距离外浮顶储罐群的距离可以根据情况设定，如其距离可以设定为距离基准点最近的储罐的直径的值。，另外，如果外浮顶储罐的个数比较多，则可以设定为储罐直径的平均值的一半的值。

另外，在另一个实施例中，也可以使用在强制归心装置上设置球形标靶，并在球形标靶上黏贴反射片，从而代替反射棱镜。反射片或是反射棱镜是用于在全站仪在进行测量时，对基准点进行定位。

另外，定位装置包括用于测量基准点的大地坐标的设备，如GPS测量仪。

进一步地，测量点至少包括位于所述浮顶上表面正中心的第一测量点7，测量点的选择位置要求通视条件好，可以使得三维激光扫描仪在有效范围内尽可能多的获取罐体的特征，提高测量效率，并减少后期数据处理误差。为了提高测量精度，在浮顶上方设置有多个测量点，如在第一测量点7的一侧设置的第二测量点6，并且相邻测量点之间设置有至少一个扫描标靶组，在优选的实施例中，每个所述扫描标靶组至少包括三个标靶点，并且每个扫描标靶组中的各个标靶点排列成除直线外的其他形式。此外，扫描标靶组中至少一个扫描标靶组具有三个标靶点，并且三个标靶点呈三角形分布。扫描标靶组通过固定装置固定于每个外浮顶储罐的浮顶上方，从而保证在检测过程中位置的严格固定。

一个实施例中，数据处理装置包括数据存储单元、坐标解算单元、去噪拼接单元、坐标转换单元、三维建模单元和计算分析单元；

具体地，数据存储单元用于存储所述定位装置、全站仪和三维激光扫描仪的测量数据以及数据处理后得到的数据；另外，数据存储单元还可以具有如下功能：数据导入更新、显示检索查询、历史数据模型回放、冗余数据剔除、数据信息管理、数据安全管理。

所述坐标解算单元用于根据所在外浮顶储罐的全站仪测量的基准点与控制点位的方位角和边长数据，利用后方交会法解算该控制点的坐标。

进一步地，坐标解算单元采用全圆测回法测量控制点和基准点的方位角和边长，并利用后方交会法解算控制点位在大地坐标系下的坐标。

所述去噪拼接单元用于去除所在外浮顶储罐的三维激光扫描仪测量的储罐点云数据中的噪声点，并对去噪后的数据进行拼接，得到该外浮顶储罐整体的点云数据文件；具体用于对明显远离点云的、飘浮于点云上方的稀疏、离散的点，远离点云中心区、小而密集的点以及多余扫描的点等噪声点进行根据人工筛除法或系统自动进行删除。

进一步地，去噪拼接子单元，根据不同扫描测量站点位三维激光扫描仪测得的同一个标靶组中标靶的标靶点云数据计算出坐标变换的旋转矩阵和平移矩阵，根据所述旋转矩阵和所述平移矩阵对去除噪声点的储罐点云数据进行坐标 转换拼接。

所述坐标转换单元用于根据所在外浮顶储罐的基准点坐标、控制点坐标和三维激光扫描仪坐标对该外浮顶储罐的点云数据文件进行坐标转换，得到大地坐标下的点云数据文件。

本实施例中，根据所在外浮顶储罐的基准点坐标、控制点坐标和三维激光扫描仪坐标，采用双站极坐标法测量并计算测量点在大地坐标系下坐标，然后将测得的扫描数据进行坐标转换，得到大地坐标下的点云数据文件。

所述三维建模单元用于根据所在外浮顶储罐的大地坐标下的点云数据建立三维模型。

所述计算分析单元根据所在外浮顶储罐的三维模型，计算该外浮顶储罐的几何变形指标数据。

在另一个实施例中，该监测系统还包括安全评估预警单元，其具体包括安全评估子单元，用于根据所述外浮顶储罐群几何变形指标数据及安全阈值条件评断储罐是否满足安全要求。

安全预警子单元，用于判断所述几何变形指标数据是否大于预设的安全阈值，当判断出所述几何变形指标数据大于所述预设的安全阈值时，发出安全预警。

此外，在又一个实施例中，所述监测系统还包括监测设备管理单元、统计查询展示单元、系统日志单元，分别通过数据接口与数据存储子单元相连。其中，监测设备管理单元用于监测预警硬件的远程控制，具备不同工作单元测量参数设置、预警阈值设置、不同工作单元电池电量监测、系统故障诊断等功能；统计查询展示单元用于对不同期测量建立的储罐三维模型数据、储罐整体沉降量、倾斜量和倾斜角度、局部变形量和变形角度等数据记录数据时间、统计计算，并提供统计图、报表、图形化数据浏览查询以及三维可视化模型展示功能；系统日志单元用于提供通讯信息、操作日志等查询服务。

此外，在进一步的实施例中，数据处理装置还对不同时间测量的大地坐标系下点云数据文件分别进行三维空间建模，进行模型匹配和对比分析，根据不同时间所述立式储罐各个数据点的坐标变化分析所述立式储罐的变形情况。

具体地，对储罐的变形情况的分析，其关键几何变形指标包括：罐壁高度、罐壁局部凹凸变形值、椭圆度、罐壁倾斜度和整体沉降量。

另外，数据处理装置对每个外浮顶储罐三维空间模型进行数据计算罐壁高度，对储罐不同高度壁板进行截面圆心拟合及切面处理计算罐壁内半径、局部凹凸变形值、椭圆度，并采用数据插值计算罐壁倾斜度和沉降量，从而得到外浮顶储罐的罐壁凹凸、罐体椭圆变形和罐体倾斜沉降变形情况。

另外，本发明的系统可以对外浮顶储罐群进行连续的监测，可以对不同期的监测数据进行对比确定储罐群中每个储罐的变形情况，也可以对每个外浮顶储罐的三维空间模型进行数据计算从而得到储罐变形指标，从而实时地监测到外浮顶储罐群的变形情况。

上述实施例提供的一种外浮顶储罐群的变形监测系统，通过将全站仪测量技术与三维激光扫描技术结合起来，利用后方交会测量，以自由设站控制点和罐区外部稳定区基准点为已知点，并将基准点的绝对坐标系引入扫描仪测量坐标系，从而使扫描仪测量可以自由架站，进而真实描述外浮顶储罐内部的罐体结构及形态特性，以快速、准确地生成三维数据模型，得到外浮顶储罐内壁不同方位和角度的几何参数值，针对外浮顶储罐的罐壁凹凸、罐体椭圆变形和罐体倾斜沉降进行快速、准确测量，计算关键几何变形指标并进行安全评估，对不符合阈值要求指标进行安全预警，从而实现动态掌握外浮顶储罐变形状况，有效避免了传统变形监测手段基于点数据进行变形分析造成的局部性和片面性，同时也避免了传统停罐离线检测的低工作效率和人力物力消耗。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。