三维激光扫描在核电维修中的应用

李潮伟　陈志　李红军　罗绪珍

【摘 要】以核电厂反应堆一回路主设备稳压器为对象，将三维激光扫描应用于放射性环境下核岛内维修现场环境的测绘。确定了稳压器三维激光扫描方法及三维模型建立原则，并对建立的三维模型进行了准确性分析，将三维模型结果应用于核电维修工作中。

【关键词】三维激光扫描；稳压器；三维模型

0 引言

核反应堆内的维修工作具有维修工艺复杂、质量可靠性要求高、进度要求高等特点，为了保证维修工作的顺利进行，通常需要在厂外建立模拟验证平台，而模拟验证平台的真实程度将直接影响维修工艺在实际维修工作中的可执行性。我国早期建设的核电站存在现场真实环境图纸收集整理难度大的问题，给模拟验证平台搭建工作带来一定的困难。本文采用三维激光扫描技术对核电厂反应堆一回路主设备稳压器上部、下部及其相关的周围环境进行测绘。根据测绘结果对稳压器模拟验证平台进行设计优化，同时，规划维修设备进入施工地点的最佳路线及摆放位置。

1 三维激光扫描原理简介

三维激光扫描技术是利用三维激光扫描仪从某个方向发射一个激光脉冲，然后接受通过透镜反射回来的信号，根据发射信号和接受信号的时间差和辅助指南针、高度传感器、陀螺仪的位置信息等，通过计算机计算得出某个点的三维坐标。三维激光扫描仪会发射数以万亿计的激光脉冲，得到数以万亿计的点的三维坐标，在空间上形成点云，最终通过计算机处理得出实体结构的三维模型。

2 三维激光扫描方法

2.1 多基站扫描

使用三维激光扫描对稳压器现场环境的场景进行数据采集，由于场景较大，区域比较复杂，因此，采取多基站扫描方式，多基站的采集方法可保证数据收集的准确性，全面性。

2.2 误差分析

利用多基站定位技术，无缝拼接技术，完成多站点的三维激光扫描点云的无缝拼接工作，形成实际场景完整的扫描点云，保证误差在2mm内。

2.3 中心定位

对拼接完好的点云进行中心定位，并且根据中心对点云进行基于设备的点云分割，然后完成基于点云的三维数字化模型的创建。

3 三维模型建立

3.1 三维模型建立的分类原则

3.1.1 重点零件

稳压器上封头的四根接管是需要严格控制建模精度的零件，使用最细致的模型分类原则。采用客观实物与三维数字化模型1：1的对应关系，即现实环境中真实存在的一个零件，在三维模型中，同样对应一个模型零件，方便单独零件的单独提取和测量等。

3.1.2 非重点区域的零件

非重点区域的零件是指重点区域以外区域所包含的零件。由于此类区域的零件对精度的要求较低，所以为了提高建模效率，对此区域内零件的建模，不做零件细分，可以多实体处在一个零件内，比如厂房建筑等。

3.2 三维模型修正原则

首先需要了解，为什么三维模型需要修正：

3.2.1 零件加工过程误差

一般的零件在设计过程中一定是由标准的直线，标准的圆弧等构成，但是在生产过程中不可避免的有误差产生。

比如管道类零件，弧段部分可以放大为一个一个直线段组成。

3.2.2 数据采集修正

三维模型的逆向创建的基础是由三维激光扫描仪数据采集的，大部分的逆向都是由自由曲面创建的，这样生成的模型在弧度上是不均匀的，所以根据需求，会作相应的修正。

3.3 主要修正内容

主要的修正对象为稳压器的重要零件，包括：稳压器上封头的3根弧形接管和稳压器下封头的1根弧形接管。由于接管在加工过程中产生的加工误差，以及在逆向过程中点云的影响，根据需要，在误差允许的范围内，进行了相应的修正，并对修正差值进行了记录说明（图1）。

图1

4 三维模型准确度分析

为了验证模型的准确程度，将建立的模型分别与照片、相关图纸和现场实际测量尺寸进行了对比分析。

4.1 激光扫描结果与相关图纸的差异说明

对于重点零件，以及重点区域的零件严格按照三维激光扫描结果，遵循现场客观存在的真实情况，同时参照图纸来完成三维模型的创建过程。

4.2 激光扫描结果与现场照片的差异说明

本次项目对于重点零件，以及重点区域的零件严格按照三维激光扫描结果，遵循现场客观存在的真实情况，但是对于实际维修时需要去除的或者某些临时放置的物品，进行选择性的去除。比如保温层，在三维激光测绘时，只拆除一部分，而在实际维修时，可将干涉的保温层全部拆除，因此，在后期逆向过程中，直接选择去除保温层。

4.3 激光扫描结果与现场测量尺寸的差异说明

稳压器上封头接管尺寸为维修工作的重点零件尺寸，接管将直接用于维修设备的安装。在核岛现场，采用钢板尺和外卡钳对接管尺寸进行了测量，将测量值与三维建模结果进行了对比分析，见下表，实际测量结果与三维建模尺寸一致性良好（表1）。

5 三维模型的应用

根据三维模型的空间尺寸特征，对稳压器模拟验证平台进行了优化设计，主要包括两点：①在稳压器上部增加模拟阀门及阀门支架的结构；②在稳压器下部增加裙座及与裙座相连接的支架。采用三维模型，对参加维修工作的人员进行了现场环境培训，使维修人员充分了解现场环境，同时，根据三维模型的特征，规划了维修设备进入施工地点的最佳路线及摆放位置。

6 结语

采用三维激光扫描技术实现了稳压器及周边环境的测绘，建立了系统的三维模型，模型的准确度满足需求，为稳压器模拟验证平台的优化设计提供了依据，同时也为对维修人员的现场环境培训提供的基础模型。

【参考文献】

[1]张会霞，朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].电子工业出版社，2012.

[2]谢宏全，侯坤.地面三维激光扫描技术与工程应用[M].武汉大学出版社，2013.

[责任编辑：王楠]