造船精度测量分析系统介绍及应用

造船精度测量分析系统介绍及应用孔宁摘要：基于高精度智能全站仪和现代计算机技术的分段检测、搭载、定位造船精度测量分析系统运用于“海洋石油720”船1010分段型尺寸检测定位，本文首先概括了造船精度测量分析系统的原理及功能，系统中坐标系的建立方法，系统中特殊的测量功能，并针对1010分段进行了实际应用，对于其他船型分段检测与定位具有一定的参考作用。关键词：全站仪机载程序精度控制分段检测1造船精度测量分析系统简介：1.1精度测量系统全站仪虽然是角度和距离的测量仪器，但它还配备有微处理器（CPU）系统，具有运行应用程序的能力，并且可与计算机进行联机通讯，以全站仪为主传感器的测量系统已经广泛应用于工程测量和工业计量等领域。由于造船厂环境及检测目标的复杂性，上述测量系统并没有单独为船舶制造业中的工业检测提供针对性的解决方案。随着韩国造船技术的学习和推广，造船精度管理理念的深化，基于全站仪的造船精度系统逐步发展起来。在掌上电脑（PDA）中开发并运行应用程序，用数据线连接并控制全站仪进行测量，接受存储测量数据进而对数据进行简单的计算分析，直到现在都是船厂精度控制数据采集的主要方式。精度测量系统就是开发造船精度系统PDA端的软件。图1PDA+数据线+全站仪精度测量系统精度测量系统是利用VS2008的IDE和C#语言，基于WINCE5.0嵌入式移动平台开发，在分段数据采集、分段型尺寸测量、设计数据对比分析、余量划线、分段搭载定位、水尺划线、主尺度测量等过程中提供简洁、快速、准确的测量、计算、控制，配合已经开发成熟的精度管理三维模拟搭载精度分析系统，在船厂精度管理过程中发挥重要作用。精度测量系统主要原理是：利用全站仪精确测定船舶分段或总段上若干特征点的三维坐标，应用PDA软件将这些特征点的三维坐标用特定的空间直角坐标系来组织，实时计算得到这些特征点的空间相对位置，并能够运用多种数学运算得到这些特征点、线、面间的各种几何量值。该系统具有船体分段型尺寸检测时需要的各种功能，如平面度、直线度、夹角、距离、以及空间圆圆心坐标、半径以及三角形面积；可以根据需要对坐标系进行重新构建或平移、旋转和缩放；借助于双点标靶等工具可以快速测量分段上的隐蔽点；通过移站测量功能获取不可见面点位信息；通过设计测量功能得到分段实际特征点与设计模型对应点的偏差。图2PDA系统主界面及测量界面该系统与其他同类型系统软件的不同之处，新增了船台坐标系，解决了船台斜率问题，为船台分段定位和合拢提供了解决方案；新增了轴线照光、水尺水线等放样功能，可以指导船厂里特殊测量业务；新增了任务测量功能，可以与我所精度分析系统实现接口交互。该系统的普及和使用可以快速提高船厂检测分段的效率，提高经济效益。1.2精度分析系统精度分析系统从多方面为造船分段精度管理业务提供系统支持，包括统一数据库的造船精度数据管理、图形界面的用户友好操作界面、用户自定义的测量指标分析、灵活自定的用户报表定制与输出和功能翔实的精度数据统计分析，目的为全面提高船厂造船精度管理水平。精度分析系统业务流程如下图所示：船舶设计精度管理现场测量分析处理统计分析精度数据库服务器图3精度分析系统业务流程示意图精度分析系统是利用VS2010的IDE和C#语言和C++语言混合开发，基于OpenSceneGragh高性能三维图形引擎人机交互视图，提供多种数据接口支持TRIBON、SPD、CATIA等造船CAD软件，提供专业的图形交互界面，操作简单直观，符合CAD软件操作习惯，专业的整体界面，菜单项，多种分析比对方式应对多种测量坐标系的转换，多种尺寸测量项的计算分析与显示，强大的报表定制与二维制图功能，全过程的精度业务数据录入统计分析功能。图4精度分析系统界面2基本坐标系的建立2.1原点点1，X方向点2坐标系将测量第一个点作为坐标系原点，第一点至第二点的连线在水平面上的投影作为X轴，第一点、第二点确定的铅垂面作为XZ平面，Y轴方向根据右手法则确定，第二点的Y坐标值为0，Z坐标为相对于原点的高度，根据所建立的坐标系对第3点及其其后的各点进行三维坐标测量。图5原点点1，X方向点2坐标系此种坐标系的建立适用于在胎架上、船坞中检核、定位分段。将全站仪置于适当位置，首先以胎架定位中心线或船体合拢定位中线上两点（两点要有一定的水平距离，例如至少要达分段长度的1/2）建立上述坐标系，然后测量其他特征点，得到其三维坐标，便可得到该特征点的距舯半宽，距基点高差，和肋距。2.2X轴点1、点2，Y轴点3坐标系将最先测量的3个点，即点1、点2和点3确定的平面作为XY平面，以点1作为坐标系原点，点1和点2连线方向作为X轴方向，过点1且与XY平面正交的方向作为Z轴方向，坐标轴方向遵循右手法则，建立的坐标系是X轴点1、点2，Y轴点3，根据所建立的坐标系，对第4点及其其后的各点进行三维坐标测量。图6X轴点1、点2，Y轴点3坐标系此种坐标系的建立适用于分段自由状态下，分段的定位与检测。但是此种坐标系的建立精度依附于三点的选择，建议用不同的第3点分别建立该种坐标系测量后检核分段整体尺寸精度。3不可见点的测量方法对无法直接测量的隐蔽点，我们有三种解决方案：3.1移站测量船舶分段测量检测中，通常一个测站很难观测到整个物体表面，然而由于受场地限制，因不通视或后视距离太短，常无法建立工程测量学概念下的控制网。这时移动全站仪，在不同测站上进行观测，各测站观测的坐标，就表示在不同的坐标系内，若在不同站上观测一些公共点，就可以将这些点的坐标归算至一个坐标系。而在精度测量系统中实现了这样的算法，完成了移站测量的功能，这样，在传统分段测量中无法完成的测量任务迎刃而解。图7移站测量3.2隐蔽测量实际分段测量过程中，分段上脚手架或分段自身构件会遮挡住全站仪瞄向待测特征点的视线，导致无法直接测量。在我们测量中采用双点标靶代替单点标靶以避开其他物体对待测点的遮挡。图8双点标靶隐蔽测量将双点标靶的端点对准待测点D，调整旋转轴与吸铁石将标靶固定，并保持测量过程中不动，全站仪分别观测两标靶，获取标靶A、B的坐标，又知标靶A、B间的距离d1以及标靶B到双点标靶端点的距离d2，根据空间几何关系，由空间关系可算得待测点D的坐标。3.3三点圆心测量分段上圆柱形管件的安装定位是一个难题。尤其是管件圆心的精确定位对于整个管件的精确定位至关重要。精度测量软件中测定圆柱形管道或构件圆周上同一面上三点后，能够精确计算得到圆心坐标以及半径，并可以非常方便的与设计尺寸进行对比。这个功能对于划定圆面上角尺线也提供了解决方法。图9三点圆心测量4分段检测定位实例S8001船是国内首艘满足PSPC标准的海洋工程船舶———12缆绳深水物探船“海洋石油720”。“海洋石油720”是一艘由柴电推进系统驱动，可航行于全球I类无限航区的12缆双震源大型物探船。该船总长107.4米，垂线间长96.60米，型宽24米，设计型深9.60米，自持力75天，设计航速16节，载员75人。该船入级中国船级社（CCS），建成后主要从事海上三级地震采集作业。在“海洋石油720”分段检测定位时，采用传统的测量方法显然不能满足精度要求。所以“海洋石油720”分段基本上全部采用全站仪及精度测量分析系统进行检测与定位。1010分段是“海洋石油720”艉部分段，线型较为复杂，更由于其CL.6050构件为双螺旋桨，定位精度要求很高，所以在测量过程中要求基准准确，测量精确，计算无误差。而构件定位过程中还需要“边测量边读偏差边调整”反复进行。4.1测量准备将分段模型导入精度软件并捕捉精度控制点。图10策划理论测量点4.2现场测量根据理论模型上测量点位实地全站仪测量相应数据。图11实地测量控制点4.3内业分析对实测点与理论点进行匹配分析过程。图12理论点测量点匹配分析4.4报表输出自动生成当前视角截图报表。图13分析结果报表输出5结语将高精度全站仪与精度测量分析系统应用于造船精度控制测量分析，建立符合我国船舶制造精度管理需求的测量分析系统，对提高造船质量与效率，降低生产成本，改进船舶工艺技术有着重要的意义。本文是采用全站仪及造船精度分析系统进行分段精度控制测量的相关功能、方法与原理进行了叙述，并结合S8001船1010分段的检测、定位进行了尝试与验证，取得了良好的效果，解决了以往造船测量中遇到的瓶颈性的问题。我们以后会继续深入研究，深入船厂实际，充分发掘全站仪及精度测量分析系统的潜在的功能，在精度管理新阶段的发挥更大的作用。参考文献1孔宁,王智,潘国荣.利用方向余弦建立工业测量坐标系的一种方法[J].工程勘察,2010-072潘国荣,张鹏,孔宁.造船精度控制系统中移站测量的一种实现方法[J].大地测量学与地球动力学,2010-10.3SokkiaProgrammingGuideTotalStationEditionRev1.04,