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海上浮式生产储油卸油船（FPSO）水下单点系泊的锚链是维持该船平衡、保障其安全作业的关键所在，受海洋水文、微生物腐蚀及锚链间的相互长期动态磨损，通常需要对系泊锚链的特定部分进行定期磨损检测，获得系泊锚链特征位置的尺寸，为评估系泊锚链的疲劳强度、系泊力等提供依据。传统检测手段主要是以潜水员手持游标卡尺、水下机器人（ROV）搭载特制卡尺的方法对系泊锚链特征部位的尺寸进行测量，此种方法经济性差、风险高、效率低，且人工量取磨损量的方法偶然误差大，其准确性一直受到局限。 水下三维激光扫描仪是近年来为数不多的水下光学测量设备，相较于水声学原理的设备而言，水下激光扫描仪扫测点云更密、精度更高，已广泛应用于大坝、水电站、水下考古、海洋工程等相关领域的成像测量、冲刷坑、沉积物、裂缝检测、应力应变分析等。为提高系泊锚链磨损检测效率、降低潜水员作业风险、丰富水下检测技术手段，以ROV为载体搭载水下三维激光扫描仪作业的方式应运而生。该方式对水下系泊锚链进行激光扫描，采用特定公共点拼接方法，还原锚链水下真实形状，精确量取系泊锚链及其相邻锚环咬合部位尺寸。同时，为对比检测成果精度，本文利用水上多人量取样本尺寸与水下三维激光扫描获取样本尺寸对比的方法，验证三维激光扫描仪的准确度，此次研究根据实际应用数据验证了水下三维激光数据精确性的可信度。 3 A3 ~9 X9 j# e3 q# {
一、水下作业平台及原理 ⒈水下三维激光扫描仪 水下三维激光扫描设备为加拿大2GRobotics公司ULS-200（图1）中距离激光扫描测量系统。该系统可以实时生成3D点云和可视化结果，采集高密度点云数据，生成真实比例的亚毫米级分辨率3D点云，便于识别微小特征和缺陷。ULS-200指标参数见表1。 , c: @6 K# B4 u6 B- v# g3 O! t
图1 激光扫描仪结构图 表1 ULS-200指标参数 9 ^7 V4 x4 L. R, j6 c6 T
ULS-200三维激光扫描仪通过三角测量技术计算距离，传感器通过测量激光反射回光学传感器的角度，计算到目标表面的距离。扫描仪可以覆盖的区域取决于扫描仪与被扫描目标的距离。扫描仪在每个测量位置沿着激光线计算480个点的位置，这些点分布在50°的激光视角扫宽范围内，扫描仪头部可360°旋转。Z方向扫描范围的高度见式⑴。 H＝2×D×tan25° ⑴ 式中，H为扫描范围Z方向的高度；D为扫描仪几何中心到目标物表面的距离。 目标表面上相邻测量点的测量精度在垂直方向和扫描方向上是不一样的。 Vd＝（2×D×tan25°）/480 ⑵ 式中，Vd为垂直点间距。 水平点间距Hd由与目标的距离和测量步长决定，最小测量步长为0.018°。 Hd＝0.018×(π/180)×D ⑶ ⒉水下机器人 作业过程中ROV使用中海辉固地学服务（深圳）有限公司的125马力CFUV1000系列工作型ROV系统，它是一种浮游式无人缆控水下机器人，如图2所示。它配备有125马力电液压动力单元、4个水平和4个垂直方向的液压推进器、多视角摄像系统、最先进的Schilling Titan4七功能智能机械手和SchillingRigmaster五功能重型机械手，可满足水下三维激光扫描仪的稳固搭载及供电、通讯要求，可抗海流2.5kn。该系统有良好的数据通讯和操控性能。 . p& J! T ?6 c; r
图2 中海辉固CFUV1000系列ROV系统 二、水下三维激光扫测 水下三维激光实施测量前要进行设备标定，以保证设备扫测精度。明确扫测目标物特征点，根据系泊锚链位置和形态，提前设计好三维激光扫描仪的布站方式，以保证多站数据拼接后可全面真实反映出水下锚链的结构（图3），能够在拼接后的点云数据中准确量取出锚链及锚环咬合处的尺寸。
: i' y, B: d8 j3 z5 y图3 三维激光扫测锚链作业示意图 ⒈标定 为确保三维激光数据质量，在正式开始作业之前需对三维激光扫描仪进行水上、水下试扫，对比检验设备精度，达到设备标定的目的。选用与目标物结构相似的标定物，将人工游标卡尺测量结果与三维激光扫测结果作对比，如图4所示，精度满足作业要求后方可将三维激光扫描仪投入使用。
: B0 u4 ^3 j) E7 B8 {+ c图4 设备标定对比 本次标定测量选择的目标物与系泊锚链结构相近，每种方式进行3次，测量得到A、B、C3组数据，分别在ROV布放母船甲板上使用游标卡尺测量标定物相邻锚环咬合处尺寸平均值为68.827mm。 使用三维激光扫描仪在甲板上多站位扫测标定物，采用ICP迭代最近点算法进行多站点云数据配准，拼接后量取得到锚环咬合处尺寸平均值为68.707mm。在水下扫测得到的点云数据经ICP迭代最近点算法配准拼接后，量取得到标定物相邻锚环咬合部位的尺寸平均值为68.73mm。三维激光扫测量取得到的结果与人工游标卡尺测量结果对比，测量误差小于0.2mm满足作业要求。 表2 多组标定成果对比 3 I8 u5 d5 r# W, l$ R6 Y o
⒉锚链扫测 在使用水下三维激光扫描仪对系泊锚链开始扫描之前，ROV机械手搭载液压钢刷对附着在链环上的海生物和钙质层进行清理，清理后待海水浑浊度降低后方可实施三维激光扫描工作。 水下系泊锚链在不同位置处有不同的姿态形态，要得到完整的系泊锚链点云数据进行建模，需在系泊锚链的不同方位布放三维激光扫描仪，且在扫测过程中严格固定三维激光扫描仪，防止其晃动以造成多个站位上点云数据无法拼接或拼接变形的后果，因此在扫描工作进行前提前设计好三维激光扫描仪的布放位置。 为保证三维激光扫描仪与锚链之间的相对位置保持相对静止，研究人员专门设计了一个工装用于固定安装三维激光扫描仪，该工装可夹紧在锚链上以保持三维激光扫描仪与锚链的相对位置关系是稳定的。工装可用ROV机械手进行位置调整，将水下三维激光固定安装在ROV机械手上，通过电缆延长线与ROV水下集控模块连接，由ROV水下集控模块实时回传点云数据到甲板采集单元，如图5所示。
/ G; Q5 N k# q j3 O6 e" @# K图5 水下三维激光测量 ROV入水后，根据设计好的水下三维激光扫描仪布放位置，调整ROV与锚链的相对位置，布放工装，确保锚链及水下三维激光的相对位置关系稳定或相对静止。通过调整用于固定三维激光扫描仪工装的位置，使得水下三维激光扫测覆盖范围达到锚环咬合处的两侧弧顶，确保扫测范围完全覆盖到目标锚链及其锚环咬合处。激光扫描仪采集激光点云数据后，通过ROV脐带缆内的光纤通道将RS485数据传输至水面接线盒，接线盒将RS485信号转换为USB信号，数据处理系统软件再对数据信号进行呈现和处理。本文通过多个站位对锚环咬合部位进行扫测，获得各个站位上的多组点云数据。 ⒊点云数据配准与拼接 ⑴ICP迭代最近点算法 使用水下三维激光或其他方法在不同角度、不同位置获取系泊锚链的三维点云，即使得到的是同一个物体的点云也会存在较大差异，其差异主要是旋转或平移的变化。两组或多组残缺的锚链点云数据拼接成一组完整锚链点云即获得其完整图像，需要通过空间变换把一组点云映射到另一组点云，使得锚链同一位置的点一一对应起来，从而达到点云融合的目的。所以，需要对不同组点云数据集进行拼接。 假定已给两个点云数据集P、Q，点pi∈P，点qi∈Q，给出两个点集的空间变换关系f使它们能进行空间匹配，f为一未知函数，而且两点集中的点数不一定相同。解决这个问题使用最多的方法是ICP迭代最近点法，ICP算法本质上是基于最小二乘法的最优配准方法。该算法重复进行选择对应关系点对，计算最优刚体变换，直到满足正确配准的收敛精度要求，具体如图6所示。ICP算法的目的是找到待配准点云数据与参考元数据之间的旋转参数R和平移参数T，使得两点数据之间满足某种度量准则下的最优匹配。 # S/ d+ Q0 v# y/ x% y5 x% ^8 B
图6 ICP算法点云配准示例图 假设给定两组3D点云数据集P和Q，ICP迭代最近点算法步骤可归纳如下。 ①计算Q中的每一个点在P中的对应最近点。 ②求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移参数和旋转参数。 ③对Q使用上一步中求得的平移和旋转参数，得到新的变换点集。 ④如果新的变换点集与参考点集满足两点集的平均距离小于某一给定阈值，则停止迭代计算，否则新的变换点集作为新的Q继续迭代，直到达到目标函数的要求。 ⑵点云数据拼接 通过ROV水下集控模块实时回传到甲板上的点云数据可即时进行处理，数据处理过程包含有数据预处理、噪点消除、点云数据配准拼接，在拼接好的完整系泊锚链点云模型上量取相邻锚环咬合长度、单环直径。图7为点云拼接步骤示意图。
5 ^5 l+ } E7 ~! o) x; `* P图7 点云数据拼接步骤 数据的拼接效果决定了目标物尺寸的精确性，参照标定物点云数据配准方法，同样使用ICP算法进行相邻两组点云数据的配准计算。计算得到各相邻站位点云数据间的平移参数、旋转参数，以及两组点云数据重合点位的标准误差，与标定目标物拼接过程中的参数对比，各误差参数值更小，即拼接误差更小。 " v8 A! ^. S8 o: D7 M
三、成果对比分析 ⒈三维激光扫测成果 在拼接后的完整锚链图上进行系泊锚链尺寸量取：为避免锚链尺寸量取过程中产生的偶然误差，嵌入模型准确框选测量目标物的特征部位，仅放大需要精确量取尺寸的部位，该方法可避免不同人员对同一目标物量取得到不同结果的情况出现，提升了最终尺寸量取的精度。 如图8所示，对拼接后的锚链进行两处系泊锚链咬合部位及两处锚环单环尺寸的量取，各部位尺寸结果见表3。
i! ~( U6 o) N6 E/ t ^; e图8 水下锚链各部位尺寸量取示意图 表3 三维激光扫测各部位尺寸结果 ⒉卡尺量取结果 作为首次将三维激光扫描仪投入到水下系泊锚链扫测项目的案例，为研究三维激光扫描仪测量成果的严谨程度，将以船级社认可的ROV搭载特制卡尺测量系泊锚链手段，在同次作业中测得的锚链尺寸作为参照对比，卡尺某次作业示意图如图9所示，数据如表4所示。 + b4 M' f' Q" R# O
图9 各部位尺寸量取示意图 表4 卡尺各部位尺寸结果 对比三维激光扫描得到的系泊锚链各部位尺寸与ROV搭载特制卡尺的机械手段测得的系泊锚链尺寸发现：三维激光扫描仪的精度与标定过程中的精度相近，与ROV操控人员手动操控机械手搭载的特制卡尺测量相比，三维激光扫描方法减少了偶然误差，更加精确且可靠稳定。 ⒊结果对比分析 在对某FPSO水下系泊系统9号锚链的抽样测量中，三维激光与卡尺测量分别得出抽样数据的单环锚链直径和相邻锚环咬合处的数据，其测量结果分组对比如表5和表6所示。 表5 卡尺/激光测得各部位单环直径尺寸结果 1 F( v4 S6 ]2 h% b# s; g L
表6 卡尺/激光测得各部位相邻锚环咬合处尺寸结果5 I' b4 j2 k$ A- v" f+ v. ]- N- T' W
通过实际测量对比，发现三维激光在锚链磨损测量中相比于卡尺测量，精确程度更高，所获得的数据更加稳定，相同测量方式下误差更小。对比得出，在单环锚链直径测量中，三维激光与卡尺测量的结果误差范围在1～4mm；在相邻锚环咬合处测量中，三维激光与卡尺测量的结果误差范围在4～10mm。
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四、结论与展望 1 O* F4 V3 q' P" X2 J
本文使用三维激光进行标定测量和水下系泊锚链实物的测量，在保证测量精度及可靠性的基础上，验证了三维激光扫描仪在水下系泊锚链检测领域的可行性。三维激光扫描仪扫测得到的三维点云数据，可从水下实时回传到甲板工作室，即时对数据进行配准拼接得到锚链尺寸，反馈出系泊锚链的磨损程度，有效地解决了长期以来难以定量化测量锚环磨损程度的技术性难题。与传统系泊锚链检测方法相比，水下三维激光扫测的方法降低了潜水员水下作业的风险，避免了特制卡尺直接量取时的偶然误差，提升了系泊锚链检测数据的可靠性，丰富了水下结构物检测的技术手段。在腐蚀锚链疲劳损伤计算时，三维激光技术获得的点云数据可以作为基础数据，校正和调整腐蚀模型，更好地建立锚链疲劳损伤与直径之间的关系，为计算不同腐蚀模型下锚链的年疲劳损伤和累积损伤提供支撑。该技术可以在FPSO、海上浮式风电基础和海洋牧场等海上设施的水下系泊锚链检测中广泛应用。 未来可以探索依据水下三维激光扫描技术采集的高精度丰富点云数据，采用有限元模型对锚链形状变化进行识别和评估，并找出薄弱链环，再通过选择合适的材料退化模型，将薄弱链环的三维点云转化为固体有限元模型进行剩余强度估算，使该项技术逐步发展成FPSO等各类海上设施水下系泊锚链的状态监测、疲劳强度估算、安全性分析和寿命评估的综合检测评估技术。 | 
