Создание цифровой 3D модели цехов завода Тольяттикаучук

ava
Компания


«Акрополь-Гео»

В этой статье речь пойдет о лазерном сканировании для промышленного проектирования, а точнее о проведении исполнительной съёмки предприятия нефтехимического комплекса по производству синтетического каучука.

В интересах выполнения проектной и рабочей документации по реконструкции производств завода были созданы трехмерные цифровые модели четырех цехов по производству изопрена (сырьё для производства каучука). Завод находится в г. Тольятти, это одно из крупнейших нефтехимических предприятий по производству каучука.

Проект выполнялся компанией «Акрополь-Гео», командой профессионалов, успешно применяющих современные гео-технологии в сфере инженерных изысканий. Это специалисты, стоявшие у истоков развития лазерного сканирования в нашей стране. У каждого имеется успешный опыт исполнения десятков аналогичных проектов.

Команда сканировщиков завода Тольяттикаучук

Исполнители проекта

Для наших заказчиков мы успешно восстанавливали исполнительную документацию заводов, проводили обследование промышленных объектов, выполняли точные измерения для контроля строительства, составляли топографические планы и карты, подсчитывали объёмы горных выработок и складов сыпучих продуктов, выполняли архитектурные обмеры зданий, сканировали и моделировали аварийные гидроагрегаты, снимали линейные объекты трубопроводного транспорта и ЛЭП, выполняли трёхмерное моделирование сложнейших промышленных конструкций и т.д.

В настоящее время, для выполнения проектов многие прогрессивные проектные организации используют современные компьютерные технологии проектирования в трехмерном пространстве. Современные 3D-технологии способны точно и детально считывать реальную геометрию существующих объектов. Они направлены на повышение качества конечных проектов, на сокращение сроков выполнения заказов, на полноценное дальнейшее сопровождение проекта (авторский надзор). Для проектирования, инжиниринга и управления проектами промышленных предприятий все активнее используются 3D решения ведущих мировых вендоров, таких как Autodesk, AVEVA, Bentley, ESRI и Intergraph. Лидирующее положение за предприятиями нефтегазовой и энергетической отраслей.

Известно, что перед началом проектирования реконструкции объекта необходимо как можно полнее и точнее собрать пространственные данные, фиксирующие фактическую геометрию как самого объекта реконструкции, так и всех его элементов, компонентов. Это делалось и раньше. Многие проектировщики до сих пор с ужасом вспоминают грандиозные этапы сбора фактической информации. В интересах исполнительной съемки месяцами и годами десятки людей с рулетками, теодолитами и верёвками вручную обмеряли металлоконструкции производственных цехов. Учитывая большое влияние человеческого фактора, допускалась масса ошибок, бесконечные нестыковки, сверки и исправления... И только с приходом трехмерных технологий лазерного сканирования этап предпроектного обследования объекта обрел существенно короткие сроки при беспрецедентном повышении качества, точности и детальности производимых работ.

Ныне, в качестве предпроектных данных проектировщик получает точную компьютерную копию реального объекта - его трехмерную модель. А десятки обследователей с ручными инструментами легко заменяются лишь одним прибором, обслуживаемым одним оператором. При этом, все измерения выполняются без контакта оператора с элементами объекта и сам процесс измерений не является помехой для действующего предприятия. На заводе Тольяттикаучук такие измерительные работы выполнялись импульсным сканером Leica ScanStation С10 и фазовыми сканерами FARO Laser Scanner Focus3D.

Leica C10

Лазерный сканер Leica C10

Учитывая дальность (до 300м), сканер Leica SS C10 использовался лишь для масштабной (каркасной) съемки объектов и для привязки всех сканов к геодезической сети завода. Сканеры FARO LS Focus3D применялись для детального сканирования элементов объекта (это 99% всех работ).

FARO Focus 3D

Лазерный сканер FARO LS Focus3D

Портативность сканера FARO LS Focus3D позволяла быстро и без выключения переносить прибор с одной станции (точки стояния сканера) на другую. Этот сканер очень хорошо зарекомендовал себя при работах в труднодоступных местах и стесненных условиях (большое количество труб, задвижек, фланцев и металлоконструкций на ограниченном пространстве). Емкостной аккумулятор позволял непрерывно работать до 5 часов.

Установка FARO Focus 3D на эстакаду

Нестандартная установка лазерного сканера для лучшего обзора

Полевой этап работ по сканированию завода был выполнен бригадой из 5 специалистов за 34 рабочих дня и состоял из двух частей:

  • Создание геодезической сети съемочного обоснования.

  • Лазерное сканирование элементов объекта.

Технология работ позволяла вести параллельно оба эти процесса.

Рабочее совещание

Рабочее совещание

Работа велась на площади в 5 гектар. Многоуровневые переплетения труб различного диаметра и кабелей, сотни технологических площадок, оборудования, установок, емкостей и печей задавали повышенную технологическую сложность объекта. Условия съёмки были близки к экстремальным: действующее вредное производство, вибрация, шум, высокие температуры трубопроводов, наличие паропроводов высокого давления, вредные химические выбросы и т.п.

Установка на точку хода

Установка на точку хода

Сканированию подлежали все элементы объекта, вплоть до каждого фланца. Для достижения максимального охвата элементов объекта измерениями, в сумме было выполнено 8158 станций. Из них 64 станции — каркасная съёмка Leica SS C10, а основной объём в 8094 сканов — это детальная съёмка с помощью нескольких сканеров FARO LS Focus3D. Общее число единичных измерений (в облаке точек) превысило 12,5 миллиардов. В интересах сокращения времени полевого этапа работы выполнялись по технологии «тотального сканирования». Применение же стандартных методов съёмки и сшивки (регистрации) такого гигантского объема данных потребовало бы увеличение времени полевого этапа в 5-6 раз (имеется ввиду использование порядка 7 сфер или марок на каждый скан). Так же, используя собственные программные разработки, была успешно решена проблема компенсации биений и вибрации.

Облако точек

Облако точек

Камеральный этап состоял из следующих частей:

  • Предобработка сканов c помощью ПО FARO Scene и Leica Cyclone.
  • Уравнивание сканов в специализированном ПО.
  • Регистрация сканов в системе координат завода.
  • Сборка и контроль сшивки сканов производился в ПО Leica Cyclone.
  • Создание 3D модели в ПО Bentley MicroStation.
  • Конвертация 3D модели в формат PDMSmac.

Для финальной сборки уравненных сканов в единое облако точек применялась 64-bit версия ПО Leica Cyclone 7.3.3. Преимущество 64-bit версии Leica Cyclone в использовании всей доступной оперативной памяти компьютера (у наших систем 128Гб). В отличие от аналогичных программных продуктов, ПО Leica Cyclone позволяет более корректно и быстрее работать с гигантскими облаками точек: визуализировать, контролировать качество регистрации, объединять облака, сегментировать по частям для раздачи моделировщикам в качестве заданий.

Цветное облако точек

Цветное облако точек

Следует отметить, что по окончании сборки сканов в Leica Cyclone, финальное облако точек содержало корректную структуру как самих сканов, так и произведённых с ними трансформаций. При необходимости, такую сшивку можно перерегистрировать, трансформировать в иную систему координат, дополнить сканами смежных объектов (при продолжении работ на заводе) и т.д.

Для последующего моделирования в работу поступили все до единой точки из 12,5 миллиардов реальных измерений. Так же, для контроля Заказчик получил прореженные сканы для последующей загрузки в AVEVA LFM. Эти данные были выданы в корректном PTX-формате.

Контроль качества регистрации (сшивки) сканов проводился в программной среде Leica Cyclone. Для оценки точности регистрации полученных точечных моделей в характерных местах выполнялись поперечные сечения. Точки от разных станций были окрашены в разные цвета. Контроль осуществлялся путем визуального анализа и измерений разниц пространственного положения сечений сканов в сшитом облаке точек. Результаты контроля положительные: максимальная разница между точками сканов от разных станций лишь единожды достигла 12 мм, при допуске в техническом задании 15 мм.

Контроль сшивки сканов

Контроль сшивки сканов

Высокая плотность облака точек и достаточное покрытие элементов объекта измерениями позволили успешно дешифрировать и моделировать детали объекта согласно требованиям технического задания. Моделирование выполнялось несколькими камеральными группами и в различном ПО: Bentley MicroStation, Autodesk AutoCAD и Leica Cyclone. Данные лазерного сканирования подгружались программой Leica CloudWorx. Моделирование выполнялось в масштабе 1:1 в полуавтоматическом режиме. Его процесс заключался во вписывании векторных геометрических примитивов в соответствующие сегментированные облака точек. Финальная сборка моделей объекта и доводка производились в среде Bentley MicroStation.

Моделирование элементов и трубопроводов объекта

 

В процессе моделирования постоянно производился контроль результатов работы. Заключительным этапом осуществлялся выходной контроль качества. В совокупности это обеспечило точное соответствие выполненной модели реальным измерениям (облаку точек).

Фрагменты модели в MicroStation

 

При помощи комплексного набора легких в использовании и гибких инструментов MicroStation выполнялось как трехмерное моделирование, так и обобщение данных из других программ. Мощный инструмент 3D визуализации и рендеринга сделал финальную модель цехов более наглядной и реалистичной.

Трехмерные модели цехов завода, подлежащие модернизации

Трехмерные модели цехов завода, подлежащие модернизации

Результаты моделирования были конвертированы в формат AVEVA PDMSmac и переданы заказчику для дальнейшего выполнения проектной и рабочей документации по реконструкции производств завода.

Совмещение 3D моделей с данными лазерного сканирования в проектной среде AVEVA

 

Весь проект по сканированию и 3D моделированию был выполнен за 102 рабочих дня. В результате, в системе координат завода, проектная организация в IMP-формате получила базу данных, содержащую уравненное облако точек и достоверные 3D модели цехов завода в форматах CAD и PDMS.

3D модель завода

Благодаря актуальным и точным исходным данным, проект по модернизации завода был выполнен с высоким качеством!