CN110940271A - 基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能搭载安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造智能检测、监测和安装方法，包括：在厂区、场地布设并施测空间三维测控网，根据三维激光扫描技术和近景摄影测量原理，采用任意设站非接触式方法，测量船舶制造过程中各部件、分段、总段、搭载体特征点的空间三维坐标，实现船舶等大型工业制造尺寸、形状的检测、监测；采用任意设站非接触式方法测量搭载体特征点的空间三维坐标，检测吊装过程中搭载体的变形；采用任意设站非接触式方法测量搭载体特征点的空间三维坐标，与安装位置对应点的空间三维坐标进行比较，实现大型工业搭载安装的智能化。本发明可以提高生产效率，同时实现船舶等大型制造、安装的可追溯性和可重复性。

Description

基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智 能搭载安装方法

技术领域

本发明涉及一种船舶等大型工业制造检测、监测和智能搭载安装方法，具体涉及一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能搭载安装方法。

背景技术

船舶等大型工业制造安装行业对基于空间三维测量控制网在制造、检测、监测和智能搭载安装应用所展现的优势有着强烈的兴趣。现有的船舶装备制造、装备在厂区、场地没有布设、施测统一的测量控制网，只在搭载场地布设了格子网(基准线)，因此船舶制造、安装是以部件尺寸、距离的形式进行设计、制造和安装的，设计、制造、安装的特征点没有坐标的概念。

由于现有船舶制造、安装和制造过程没有赋予特征点坐标，因此制造、安装过程只是采用尺寸和距离的形式表示，所以现有船舶制造、安装各工艺过程是分散的，过程之间没有关联，因此现有制造、安装的精度检测只能采用下列四种方法，分别简述如下：

1.钢尺、卷尺等量具测量法

使用钢尺、卷尺、塞尺等量具直接量取零件、部件、组件、分段、总段、搭载等本身的尺寸或相互之间的间距。该方法是现有船舶制造、装备过程中尺寸较短的边长测量采用的主要方法，测量精度可以达到毫米级。测量过程如图1所示，用尺子2测量加工件1的长度。

其缺点是(1)接触式测量，测量精度受人为因素影响较大，且由于测量时其他工序必须停止作业，因此对船舶制造、装备过程影响较大；(2)由于钢尺、卷尺、塞尺、卡尺、样箱等量具量程的有限性，对大型被测目标体中长度较大的尺寸很难进行高精度的测量；(3)测量的特征点是有限的，对于形状复杂的被测目标体，测量的数据不可能完整的反映其形状；(4)每一个零件、部件、组件、分段、总段、搭载等本身的尺寸或相互之间的间距测量均是在各自的场地分别进行测量的，没有形成一个完整的检测、监控***，测量的每一个特征点没有空间坐标，整个船舶制造、安装过程不可能实现智能化。

2.全站仪等仪器测量法

将激光测距仪、全站仪等仪器架设在被测目标体附近地面的临时固定控制点上，测量被测目标体各个特征点相对于地面临时控制点的空间坐标，计算出零件、部件、组件、分段、总段、搭载本身的尺寸或相互之间的间距。该方法是现有的船舶制造、装备过程中尺寸较长的边长测量的主要方法，测量精度可以达到毫米级。测量过程如图2所示，使用全站仪3测量被测目标体4的特征点5。

其缺点是(1)接触式测量，测量精度受人为因素影响较大，且由于测量时其他工序必须停止作业，因此对船舶制造、装备过程影响较大；(2)由于被测目标体附近地面的固定控制点是根据被测目标体的形状和尺寸临时布设的，地面控制点相互之间的相对精度和可靠性对被测目标体测量的精度和可靠性将产生很大的影响，降低了被测目标体测量的精度和可靠性；(3)测量的特征点是有限的，对于形状复杂的被测目标体，测量的数据不可能完整的反映其形状；(4)每一个零件、部件、组件、分段、总段、搭载等本身的尺寸或相互之间的间距测量均是在各自的场地分别进行测量的，没有形成一个完整的检测、监控***，测量的每一个特征点只是在局部场地的相对空间坐标，整个船舶制造、安装过程不可能实现智能化。

3.近景摄影测量法

近景摄影测量是在被测目标体附近安装量测摄影机，对被测目标体进行摄影，经过数据加工处理，确定被测目标体的大小、形状和几何位置，该测量方法是利用摄影机具有的定长基线，或者使用在被测目标体上布设的控制点，采用摄影测量原理利用左、右片形成立体像对，恢复被测目标体的空间位置，对被测目标体的各个尺寸进行量测。近距离的近景摄影测量可以达到毫米级的精度。测量过程如图3所示，使用近景摄影测量仪8，对被测目标体4分别摄影，得到左右幅摄影像片10，形成立体像对11，利用立体像对11和布设在被测目标体4上的控制点9，即可实现对被测目标体4特征点的测量。

其缺点是(1)该方法是对单个尺寸有限的被测目标体的测量，对大型尺寸的目标很难进行高精度的测量；(2)每一个零件、部件、组件、分段、总段、搭载等本身的尺寸或相互之间的间距测量均是在各自的场地分别进行测量的，没有形成一个完整的检测、监控***，测量的每一个特征点只是在局部场地的相对空间坐标，整个船舶制造、安装过程不可能实现智能化。

4.三维激光扫描技术测量法

在被测目标体上粘贴或安装连接标志点，将三维激光扫描仪设备架设在被测目标体附近的临时固定控制点上，采集被测目标体表面的激光点云，通过地面临时控制点坐标，得到激光点云相对于地面临时控制点的空间坐标，从而实现对被测目标体各部分尺寸和相互之间间距的量测。该方法测量精度可以达到毫米级。其缺点与近景摄影测量方法基本相同。测量过程如图4所示，使用三维激光扫描仪12对被测目标体4进行三维激光扫描，得到三维激光点云13，利用布设在被测目标体4上的控制点9，即可实现被测目标体4特征点的测量。

由上述现有的船舶等大型工业制造、安装测量方法可以看出，现有的测量方法除了其方法本身的局限性外，最重要的一个方面是：每一个零件、部件、组件、分段、总段、搭载等本身的尺寸或相互之间的间距测量均是在各自的场地分别进行测量的，没有形成一个完整的检测、监控***，测量的每一个特征点只是在局部场地的相对空间坐标，整个船舶制造、安装过程不可能实现智能化。现有的测量方法不可能形成完整的检测、监测***，因此整个制造、安装过程没有可追溯性和可重复性。

发明内容

为了实现船舶等大型工业制造检测、监测、搭载安装的智能化，本发明提供基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能搭载安装方法。

本发明的目的是采用如下技术方案实现的：

本发明过程的总流程图如图5所示。一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装方法，包括以下步骤：

步骤一、空间三维测控网布设：在船舶等大型工业制造、搭载安装场地及附近布设测量控制点，形成厂区和场地空间三维测控网；

步骤二、空间三维测控网施测和解算：将步骤一布设的三维测控点，采用精密工程测量方法，通过测量严密平差理论，得到控制点精密三维坐标；

步骤三、任意设站非接触式检测：将船舶等大型工业制造的零部件加工、分段组装、总段组装、搭载体吊装置于步骤一布设、步骤二施测和解算的空间三维测控网所在的场地中，采用三维激光扫描技术、近景摄影测量技术，测量船舶制造、安装过程中各部件、分段、总段、搭载体特征点的空间三维坐标，实现船舶等大型工业制造加工、安装的尺寸、形状的检测、监测，计算出搭载过程中搭载体的变形值，及时发现生产过程中出现缺陷的中间产品、计算出搭载过程中搭载体变形值的大小；

步骤四、任意设站非接触式监测和智能安装：采用三维激光扫描技术、近景摄影测量技术，利用步骤一布设、步骤二施测和解算的空间三维测控网实时测量搭载体特征点的空间三维坐标，与安装位置对应点的空间三维坐标进行比较，实现大型工业搭载安装的智能化。

所述步骤一空间三维测控网布设包含以下步骤：

(1)在厂区周围的稳定区域布设A级测量控制点，作为厂区控制测量的基准点；

(2)在整个厂区坚实地面上布设B级厂区测量控制点，作为场地三维控制测量的基准点，布设在场地附近不影响施工的位置，要求与场地控制点通视；

(3)在制造安装、场地及附近布设场地C级测量控制点，形成三维空间测控网，作为船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装的基础，C级测量控制点布设在制造安装、场地及附近不影响施工的位置，为了开阔固定标志的视野，亦可在安装场地附近不影响施工的位置竖立钢架或水泥墩安装C级测量控制点；

(4)A级和B级测量控制点采用强制观测墩；C级测量控制点标志采用对激光点反射效果较好的材料制成，控制点标志形状和大小根据位置分别采用平面形状和球形；C级测量控制点标志固定在稳定的地面或建筑物、构筑物上；

(5)在控制点标志上或附近设置二维码识别标志。

所述步骤二空间三维测控网施测和解算包含以下步骤：

(1)选择厂区平面坐标系，使厂区投影变形值小于5mm/km；

(2)采用GNSS测量方法，以国家平面控制点为起算数据，联测A级测量控制点，通过平差计算获取A级测量控制点的平面坐标；

(3)采用水准测量方法，以国家高程控制点为起算点，联测A级测量控制点，通过平差计算获取A级测量控制点的高程；

(4)采用GNSS测量方法，以A级测量控制点为起算点，联测B级测量控制点，通过平差计算获取B级测量控制点的平面坐标；

(5)采用水准测量方法，以A级测量控制点为起算点，联测B级测量控制点，通过平差计算获取B级测量控制点的高程；

(6)采用导线测量、三角测量、GNSS测量方法，以B级测量控制点为起算点，联测C级测量控制点，形成平面控制网通过平差计算获取C级测量控制点的平面坐标；采用水准测量、三角高程测量、GNSS高程测量方法，以B级测量控制点为起算点，联测C级测量控制点，形成高程控制网通过平差计算获取C级测量控制点的高程；

(7)A级测量控制点、B级平面测量控制网、B级高程测量控制网、C级平面和高程测量控制网，一起组成三维空间测量控制场。

在船舶等大型工业制造、安装搭载厂区、场地布设了A级测量控制点、B级测量控制点和C级测量控制点，测量了A级测量控制点、B级测量控制点和C级测量控制点的精密平面坐标和高程，将加工体、被测目标体和被测搭载体置于由A级测量控制点、B级测量控制点和C级测量控制点形成的测量控制场中，实现了加工体、被测目标体的长度和形状测量，以及被测搭载体特征点的空间坐标测量。

所述步骤三任意设站非接触式检测包含以下步骤：

(1)采用架设在任意位置的激光扫描仪、近景摄影测量仪，采集被测目标体及C级测量控制点的激光点云，三维激光扫描仪、近景摄影测量仪架设的位置可以是任意的，通过多位置、多方位的数据采集，得到被测目标体表面全部的三维激光点云、影像；

(2)对多站采集的三维激光点云、影像进行数据融合，得到被测目标体表面完整的三维激光点云、像片立体相对和数模；

(3)利用C级测量控制点的三维空间坐标及采集的激光点云、像片立体相对，解算被测目标体特征点的三维坐标；

(4)计算出特征之间的坐标差、或长度，并与设计坐标差、或长度，搭载体变形值，实现船舶等大型工业制造尺寸、形状的检测、监测，及时发现生产过程中出现缺陷的中间产品；

(5)当被检测尺寸误差不大于容许值时，表明加工精度符合要求，否则需要进行改正；或表明搭载体变形值小于容许要求，否则应停止安装进行修正。

三维激光扫描仪、近景摄影测量仪架设的位置可以架设在地面，或者采用起吊设备放在空中，或者采用无人机(含惯性导航***)作为平台进行飞行采集。

所述步骤四任意设站非接触式监测包含以下步骤：

(1)将被测搭载体定义在场地空间三维坐标系中，求取被测搭载体各特征点空间三维坐标；

(2)采用任意设站的三维激光扫描仪、近景摄影测量仪采集被测搭载体及C级测量控制点的激光点云、影像，三维激光扫描仪、近景摄影测量仪架设的位置可以是任意的，通过多位置、多方位的数据采集，得到被测目标体表面全部的三维激光点云、影像；

(3)对多站采集的三维激光点云、影像进行数据融合，得到被测目标体表面完整的三维激光点云、像片立体相对和数模；

(4)利用C级测量控制点的三维空间坐标及采集的激光点云、像片立体相对，解算出特征点的三维坐标；

(5)分别计算特征点解算的坐标和高程与设计坐标和高程的差值，对搭载体的空间位置和姿态进行调整，当特征点实时坐标与设计坐标差值分别不大于安装误差容许值时，表明搭载体到达安装位置，否则，应进一步进行位置和姿态调整直至小于安装误差容许值。

三维激光扫描仪、近景摄影测量仪架设的位置可以架设在地面，或者采用起吊设备放在空中，或者采用无人机(含惯性导航***)作为平台进行飞行采集。

智能制造或者工业制造2025的愿景，是为了打通数据孤岛，实现数据的全局化利用。通过更多的信息采集媒介将原先以不同形式存在的数据采集统一到分析载体中，利用统一的***管理这些数据，将传统生产中无序而大量的数据进行收集和初步的处理，通过对数据的分析利用，提高效率，作出决策，实现整体的提升。因此，本发明提出了基于空间三维测量控制网的船舶等大型工业制造、安装检测、监测和智能搭载安装方法，本发明在厂区、场地布设并施测空间三维测控网，根据三维激光扫描技术和近景摄影测量原理，采用任意设站非接触式方法，测量船舶制造过程中各部件、分段、总段、搭载体特征点的空间三维坐标，实现船舶等大型工业制造尺寸、形状的检测、监测，及时发现生产过程中出现缺陷的中间产品；采用任意设站非接触式方法测量搭载体特征点的空间三维坐标，检测吊装过程中搭载体的变形；采用任意设站非接触式方法测量搭载体特征点的空间三维坐标，与安装位置对应点的空间三维坐标进行比较，实现大型工业搭载安装的智能化。和传统测量***相比，这种测量方式具有很大的竞争力和广阔的发展前景，对船舶等大型制造、安装检测、监测以及搭载安装具有颠覆性的影响，是船舶等大型工业制造、搭载安装智能化发展的必由之路。由于在制造、安装厂区、场地布设了统一的高精度三维空间测量控制网，可以有效降低产品的误差率，提高生产效率，实现船舶等大型工业设备的智能搭载安装，同时实现船舶等大型制造、安装的可追溯性和可重复性。

本发明基于空间三维测量控制网，将整个生产过程置于一个整体的空间三维测量控制场中，通过解算船舶等大型工业产品的各个特征点的空间坐标，对船舶等大型制造、安装全过程进行检测和监测，可以大量减少制造、安装的材料、人工和工期的浪费。

本发明由于在搭载、安装场地布设了固定的高精度的空间三维测量控制网，可以对大型工业搭载、安装过程中的空间位置、姿态进行实时测量和控制，为智能测控和安装提供了前提，从而实现大型工业安装的自动化。

本发明由于在制造、安装场地布设了固定的高精度的空间三维控制网，实现了对被测目标体非接触和任意设站测量，对工业制造、安装过程几乎没有影响，减小了检测、监测的劳动强度，提高了船舶等大型工业制造、安装的效率和效益。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、在厂区、场地布设并施测空间三维测控网，将船舶等大型工业制造、搭载安装过程置于空间三维测控网所在的场地中，将每一个零件、部件、组件、分段、总段、搭载等本身的尺寸或相互之间的间距测量均纳入一个完整的检测、监控***，测量的每一个特征点均赋予空间坐标，打通了数据孤岛，实现了数据的全局化利用。通过更多的信息采集媒介将原先以不同形式存在的数据采集统一到分析载体中，利用统一的***管理这些数据，将传统生产中无序而大量的数据进行收集和初步的处理，通过对数据的分析利用，提高效率，作出决策，实现整体的提升。

2、提高了船舶等大型制造、安装检测、监测效率和质量，降低了成本，减少了浪费。本发明采用任意设站非接触式的产品检测方法，减小了对制造、装备过程、流程的影响，提高了制造、安装检测、监测效率；本发明在厂区、场地布设并施测空间三维测控网，采用三维激光扫描技术和近景摄影测量方法对零部件加工、分段、总段形状进行检测和监测和搭载过程中搭载体的变形监测，提高了检测、监测质量，从而提高了制造、装备的效益，同时实现船舶等大型制造、搭载安装的可追溯性和可重复性。

3、本发明采用任意设站非接触式方式以空间三维测控网为基础，对搭载过程中搭载***置进行实时测量，实现了船舶等大型工业搭载安装的智能化，提高了搭载质量和效率。

附图说明

图1为尺子量测示意图。

图2为全站仪量测示意图。

图3为近景摄影测量影像采集示意图。

图4为三维激光扫描数据采集示意图。

图5为本发明总流程图。

图6为空间三维测控网布点示意图。

图7为测控网测量流程图。

图8为B级测量控制点平面坐标测量示意图。

图9为B级测量控制点高程测量示意图。

图10为C级测量控制点平面坐标、高程测量示意图。

图11为任意设站非接触式检测示意图。

图12为坐标转换示意图。

图13为检测测量流程图。

图14为智能搭载安装测量示意图。

图15为智能搭载安装测量流程图。

图中：

1、加工件，2、尺子，3、设置在临时控制点上的全站仪，4、被测目标体，5、全站仪测量的特征点，8、摄影相机，9、布设在被测体上的控制点，10、摄影像片，11、左右像片重合部分形成的立体相对，12、架设在任意位置的激光扫描仪，13、激光点云，14、厂区附近基础稳定的区域，15、厂区和场地位置，16、A级测量控制点，17、B级测量控制点，18、C级测量控制点，19、B级平面测量控制网、20、B级高程测量控制网，21、C级平面和高程测量控制网，22、被测目标体上的第一个特征点，23、被测目标体上的第二个特征点，24、为被测搭载体。O为测站坐标系原点，M为场地控制点三维空间坐标系原点，X_KZD、Y_KZD、Z_KZD分别为场地控制点三维空间坐标系的三维方向，X_CZD、Y_CZD、Z_CZD分别为三维激光扫描测站坐标系的三维方向，均遵守右手旋转法则。

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案：

一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造智能检测、监测和搭载安装方法包括以下步骤：

步骤一、空间三维测控网布设：在船舶等大型工业制造、安装场地及附近布设测量控制点，形成空间三维测控网。点位分布如图6所示，A级测量控制点16布设在厂区附近稳固区域14如基岩上，作为厂区三维测量控制点；B级测量控制点17布设在场地附近不影响施工的位置的坚实地面上，作为厂区三维测量控制点；C级测量控制点18，点位布设在制造安装、场地及附近可安装固定标志的地方，亦可在安装场地附近不影响施工的位置竖立钢架或水泥墩，作为场地三维控制点，形成由B级平面测量控制网19、B级高程测量控制网20、C级平面和高程测量控制网21组成的空间三维测控网。

(1)被测目标体4为零件、部件、组件、分段、总段、搭载体等；A级测量控制点16，作为厂区控制测量的基准点，布设在厂区周围的稳定区域；B级测量控制点17，作为厂区三维测量控制点，为场地三维控制测量的基准点，布设在场地附近不影响施工的位置的坚实地面上，要求与场地控制点通视；C级测量控制点18，作为场地三维控制点，形成由A级测量控制点16、B级平面测量控制网19、B级高程测量控制网20、C级平面和高程测量控制网21组成的空间三维测控网，点位可分布在制造安装、场地及附近可安装固定标志的地方，为了开阔固定标志的视野，亦可在安装场地附近不影响施工的位置竖立钢架或水泥墩安装C级测量控制点18；

(2)A级测量控制点16和B级测量控制点17采用强制对中观测墩；C级测量控制点18标志采用对激光点反射效果较好的不锈钢等材料制成，控制点标志形状和大小根据位置分别采用平面形状或球形；

(3)C级测量控制点18标志采用固定材料固定在稳定的地面或建筑物、构筑物上；

(4)在控制点标志上或附近设置二维码识别标志。

步骤二、采用精密工程测量方法，形成空间三维控制网。通过测量严密平差理论，得到控制点精密三维坐标。步骤二测控网测量流程图如图7所示，通过选择坐标系，A级、B级和C级控制点测量，得到厂区、场地三维空间测控网成果。

(1)选择厂区平面坐标系，使厂区投影变形值小于5mm/km；

(2)采用GNSS测量方法，以国家平面控制点为起算数据，联测A级测量控制点16，通过平差计算获取A级测量控制点16的平面坐标；

(3)采用水准测量方法，以国家高程控制点为起算点，联测A级测量控制点16，通过平差计算获取A级测量控制点16的高程；

(4)采用GNSS测量方法，测量B级测量控制点17的平面坐标，如图8所示。以A级测量控制点16为起算点，联测B级测量控制点17，通过平差计算获取B级测量控制点17的平面坐标，

(5)采用水准测量方法，测量B级测量控制点17的高程，如图9所示。以A级测量控制点16为起算点，联测B级测量控制点17，通过平差计算获取B级测量控制点17的高程。

(6)采用导线测量、三角测量、GNSS测量等方法，测量C级测量控制点的平面、高程，如图10所示。以B级测量控制点17为起算点，联测C级测量控制点18，形成平面控制网通过平差计算获取C级测量控制点18的平面坐标；采用水准测量、三角高程测量、GNSS高程测量等方法，以B级测量控制点17为起算点，联测C级测量控制点18，形成高程控制网通过平差计算获取C级测量控制点18的高程。

(7)A级测量控制点16、B级平面测量控制网19、B级高程测量控制网20、C级平面和高程测量控制网21，一起组成三维空间测量控制场。

步骤三、将船舶等大型工业制造的零部件加工、分段组装、总段组装、搭载体置于空间三维测控网所在的场地中，采用三维激光扫描技术、近景摄影测量方法，测量船舶制造过程中各部件、分段、总段、搭载体特征点的空间三维坐标，实现船舶等大型工业制造尺寸、形状的检测、监测，及时发现生产过程中出现缺陷的中间产品，搭载体变形值的大小等信息。图11为以三维激光扫描技术为例的任意设站非接触式检测示意图。

(1)采用任意设站的三维激光扫描仪12，采集被测目标体4及C级测量控制点18的激光点云13，三维激光扫描仪12架设的位置可以是任意的，可以架设在地面，可以采用起吊设备放在空中，亦可以采用无人机(含惯性导航***)作为平台进行飞行采集，通过多位置、多方位的数据采集，得到被测目标体4表面全部的三维激光点云13；

(2)以C级测量控制点18为基准点，对多站采集的三维激光点云13进行数据融合，得到被测目标体4表面完整的三维激光点云13和数学模型；

(3)利用3个以上的C级测量控制点18的场地控制点三维空间坐标和采集的相应激光点云13的测站坐标，计算七参数转换的转换参数Δx₀、Δy₀、Δz₀、α、β、γ、m。空间坐标系的转换关系如图12所示，图中O为测站坐标系原点，M为场地控制点三维空间坐标系原点，X_KZD、Y_KZD、Z_KZD分别为场地控制点三维空间坐标系的三维方向，X_CZD、Y_CZD、Z_CZD分别为三维激光扫描测站坐标系的三维方向，均遵守右手旋转法则。

式中Δx₀、Δy₀、Δz₀分别是测站坐标系转换至场地控制点三维空间坐标系的x、y、z的平移量，α、β、γ分别为测站坐标系和控制点坐标系绕x、y、z轴的旋转量，m为测站坐标系和场地控制点三维空间坐标系的尺度比。(x y z)_KZD为C级测量控制点场地三维空间坐标，(x y z)_CZD为控制点激光点测站坐标。

(4)利用公式(1)，将所有激光点云13的测站坐标转换至场地控制点三维空间坐标系中；

(5)通过面、线拟合，或通过人工干预的方法，解算获取特征点22、23的三维空间坐标；

(6)计算出特征点22、23之间的坐标差、或长度，并与设计坐标差、或长度进行比较，实现船舶等大型工业制造尺寸、形状的检测、监测，及时发现生产过程中出现缺陷的中间产品和搭载体变形值。

或

Δs≤Δs_容许 (5)

x₂₂、x₂₃为激光点云解算的特征点22、23的横坐标，y₂₂、y₂₃为激光点云解算的特征点22、23的纵坐标，z₂₂、z₂₃为激光点云解算的特征点22、23的高程，x_22,23、y_22,23、z_22,23为激光点云解算的特征点22、23之间的坐标和高程差，x_22,23设、y_22,23设、z_22,23设为特征点22、23之间的设计坐标和高程差，s_设为特征点22、23之间的设计长度，Δs为特征点22、23之间的实际长度与设计长度之间的差值，Δs_容许为容许差值。

(6)图13为以三维激光扫描技术为例的检测测量流程图。当Δs不大于Δs_容许时，表明加工精度符合要求，否则需要进行改正；或表明采集被测目标体4变形值小于容许要求，否则应停止安装进行修正。

步骤四、采用任意设站三维激光扫描仪12方法实时测量被测搭载体24特征点22、23的空间三维坐标，实现被测搭载体24的智能搭载安装。图14为以三维激光扫描技术为例的搭载体智能搭载安装测量示意图。

(1)将搭载体定义在场地空间三维坐标系中，求取被测搭载体24各特征点空间三维坐标，得到特征点设计的三维坐标x_设、y_设、z_设。

(2)采用任意设站的三维激光扫描仪12，采集被测搭载体24及C级测量控制点18的激光点云13，三维激光扫描仪12架设的位置可以是任意的，可以架设在地面，可以采用起吊设备放在空中，亦可以采用无人机(含惯性导航***)作为平台进行飞行采集，通过多位置、多方位的数据采集，得到被测搭载体24表面全部的三维激光点云13；

(3)对多站采集的三维激光点云13进行数据融合，得到被测搭载体24表面完整的三维激光点云13和数字模型；

(4)采用公式(1)，利用3个以上的C级测量控制点18的场地控制点三维空间坐标和采集的相应激光点云13的测站坐标，计算七参数转换的转换参数Δx₀、Δy₀、Δz₀、α、β、γ、m。

(5)采用公式(1)，将所有三维激光点云13的测站坐标转换至场地控制点三维空间坐标系中；

(6)通过面、线拟合，或通过人工干预的方法，解算获取特征点22、23的三维坐标；

(7)分别计算特征点22、23解算的坐标和高程，并与设计坐标和高程进行比较，对被测搭载体24的空间位置和姿态进行调整，直至各特征点坐标和高程差值符合要求为止。

x_测、y_测、z_测为激光点云解算的特征点的横坐标、纵坐标和高程，x_设、y_设、z_设为特征点在场地空间三维坐标系中的横坐标、纵坐标和高程。

图15为以三维激光扫描技术为例的搭载体智能搭载安装测量流程图。当Δx、Δy、Δz分别不大于安装误差容许值时，表明被测搭载体24到达安装位置，否则，应进一步进行位置和姿态调整直至小于安装误差容许值。

实施例：

为了评估本发明的效能，采用该方法对部件加工形状、搭载体变形监测和搭载体安装测量分别进行了观测，分别描述如下：

1部件加工形状检测

分别采用全站仪和以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术，对异形加工件的形状进行测量。

(1)采用全站仪测量，如图2所示：在临时场地附近布设临时控制网，布设的控制点为5个，测量和平差计算用时55分钟；在临时控制点上架设全站仪对异形加工件的特征点进行测量，共测量65个特征点的三维坐标，测量和计算用时70分钟；将测量的特征点生成数字模型，对特征点间的距离进行量测，并与设计尺寸进行对比，由于利用计算机软件进行计算，花费的时间较少，用时约1分钟。

(2)以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术，如图11所示。采用任意设站的三维激光扫描仪，采集被测目标体及C级测量控制点的激光点云。由于是将加工件置于预先施测的场地测控网中，所以无需进行控制测量；对加工件从6个不同位置进行扫描，共用时10分钟；将扫描的激光点云以场地三维空间控制点为基础进行数据融合，生成数字模型，对特征点间的距离进行量测，并与设计尺寸进行对比，由于利用计算机软件进行计算，花费的时间较少，用时约5分钟。

(3)由于全站仪测量为临时布设测量控制点，且为接触式测量，因此，施测控制点和特征点时，生产过程必须停止作业，而以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术测量时，为任意站非接触式测量，对生产过程没有影响。

(4)由于全站仪测量为有限点的测量，造成测量的形状不能很好的反映形状的特征，根据船舶制造的统计，由于测量原因而造成的材料和工时浪费比例一般达到15％，而采用以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术进行测量，由于测量原因而造成的材料和工时浪费为零。

(5)表1测量的特征点之间长度与设计长度的差值ΔL个数的分布区间、所占比例。采用全站仪方法测量了65个特征点之间的长度，采用三维激光扫描方法测量了427个特征点之间的长度。

(6)表2部件加工形状检测用时和结果总结

2搭载体变形监测

现有的测量方法没有对搭载过程中的搭载体变形测量进行监测，采用以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术可以对搭载体变形测量进行实时监测。

(1)搭载体在吊装过程中处于运动状态，所以采用全站仪等现有方法对搭载体吊装过程中的变形无法进行测量，船舶制造安装过程中只有以试搭载的方法进行，当试搭载不成功时，将产生非常大的影响，造成的材料和工时浪费比例一般达到15％。

(2)以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术，如图14所示，采用任意设站的三维激光扫描仪，实时采集被测目标体及C级测量控制点的激光点云。将扫描的激光点云生成数字模型，对特征点间的距离进行量测，并与设计尺寸进行对比，由于利用计算机软件进行计算，花费的时间较少，用时约2分钟。由于对搭载体的变形进行了实时监测，将大大提高了搭载成功率，造成的工时浪费比例将显著降低，一般为3％。

(3)表3采用三维激光扫描方法测量的特征点之间长度与设计长度的差值ΔL个数的分布区间、所占比例，测量了21个特征点之间的长度。

ΔL分布区间	0≤ΔL＜2mm	2≤ΔL＜5mm	5≤ΔL＜10mm	10≤ΔL≤20mm	容许误差(mm)
						区间内个数	2	8	9	2	20
百分比	9.52％	38.10％	42.86％	9.52％

(4)表4搭载体变形监测方法和结果总结

测量方法	监测可能性	对生产的影响	造成的工时浪费比例
				全站仪测量	无法进行监测	--	15％
以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术	实时监测	无	3％

3搭载安装测量

分别采用场地格子网(基准线)和其他测量器具相结合的方法，和以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术对搭载安装进行测量。

(1)现有的搭载安装基本是采用场地格子网(基准线)、准直测量、垂准测量等方法相结合进行测量，现有的测量方法应根据现场条件选择相应的方法，由于没有固定的场地控制点，其选用的方法随机性比较强，因此不能实现智能化搭载安装，很难进一步提高搭载安装效率。采用该方法，当搭载体尺寸较大，或者搭载体高度较高时，测量的精度有可能明显降低，因为搭载安装的位置和高度是通过准直、垂准方法实现的，当视线受到影响时，只能通过以附近的点、线为基准，逐次标定后续的点、线，形成了误差积累，降低了搭载安装的精度且精度不断降低。

(2)以场地三维空间测量控制场为基础的三维激光扫描技术，如图14所示，采用任意设站的三维激光扫描仪，实时采集搭载体及C级测量控制点的激光点云。将扫描的激光点云生成数字模型，实时测量搭载体的特征点，将测量的特征点与设计的特征点的坐标进行对比，计算出位置差和姿态差值，再将坐标差值和姿态差值传输给吊装***，可以实现搭载安装的智能化，提高了搭载安装的效率。采用该方法，由于有厂区、场地控制场为基础，特征点的坐标是通过场地控制网进行量测的，不存在误差积累的问题，提高了搭载安装的精度。实现该方法的基础是在搭载安装场地布设施测固定的厂区、场地控制点，形成厂区、场地测控网，使搭载安装始终置于测量控制场中。

(5)表5搭载安装场地布设的C级测量控制点的场地控制点坐标系中的三维坐标、测站坐标系中的三维坐标和转换参数。

(6)表6利用表5七参数，将搭载体过程中特征点坐标转换为场地坐标系，并与设计坐标比较，以判断是否安装到位的5次测量过程。

(7)表7搭载体搭载安装监测方法和结果总结

综上所述，该***描述了基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和搭载安装方法的全过程，由于在厂区、场地布设施测了三维空间测量控制场，采用三维激光扫描技术、近景摄影测量技术，实现了对船舶大型部件的数字模型、几何形状以及智能搭载安装空间信息测量。采用该***，可进一步提高船舶等大型工业制造、搭载安装的效率、精度和效益，为工业制造2025在船舶等大型工业制造、搭载安装领域开辟了一条创新之路，填补了船舶等大型工业制造、搭载安装领域的空白，也是船舶等大型工业智慧制造发展的必由之路。

Claims (8)

1.一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、空间三维测控网布设：在船舶等大型工业制造、搭载安装场地及附近布设三维测量控制点，形成厂区和场地空间三维测控网；

步骤二、空间三维测控网施测和解算：将步骤一布设的三维测量控制点，采用精密工程测量方法，通过测量严密平差理论，得到三维测量控制点精密三维坐标；

步骤三、任意设站非接触式检测：将船舶等大型工业制造的零部件加工、分段组装、总段组装、搭载体吊装置于步骤一布设、步骤二施测和解算的空间三维测控网所在的场地中，采用三维激光扫描技术、近景摄影测量技术，测量船舶制造、安装过程中各部件、分段、总段、搭载体特征点的空间三维坐标，实现船舶等大型工业制造加工、安装的尺寸、形状的检测、监测，计算出搭载过程中搭载体的变形值，及时发现生产过程中出现缺陷的中间产品、计算出搭载过程中搭载体变形值的大小；

步骤四、任意设站非接触式监测和智能安装：采用三维激光扫描技术、近景摄影测量技术，利用步骤一布设、步骤二施测和解算的空间三维测控网实时测量搭载体特征点的空间三维坐标，与安装位置对应点的空间三维坐标进行比较，实现大型工业搭载安装的智能化。

2.如权利要求1所述的一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造智能检测、监测和安装方法，其特征在于，所述步骤一空间三维测控网布设包含以下步骤：

(1)在厂区周围的稳定区域布设A级测量控制点(16)，作为厂区控制测量的基准点；

(2)在整个厂区坚实地面上布设B级厂区测量控制点(17)，作为场地三维控制测量的基准点，布设在场地附近不影响施工的位置，要求与场地控制点通视；

(3)在制造安装、场地及附近布设场地C级测量控制点(18)，形成三维空间测控网，作为船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装的基础，C级测量控制点(18)布设在制造安装、场地及附近不影响施工的位置，为了开阔固定标志的视野，亦可在安装场地附近不影响施工的位置竖立钢架或水泥墩安装C级测量控制点(18)。

(4)A级测量控制点(16)和B级测量控制点(17)采用强制观测墩；C级测量控制点(18)标志采用对激光点反射效果较好的材料制成，控制点标志形状和大小根据位置分别采用平面形状或球形；C级测量控制点(18)标志固定在稳定的地面或建筑物、构筑物上；

(5)在控制点标志上或附近设置二维码识别标志。

3.如权利要求1所述的一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造智能检测、监测和搭载安装方法，其特征在于，所述步骤二空间三维测控网施测和解算包含以下步骤：

(1)选择厂区平面坐标系，使厂区投影变形值小于5mm/km；

(2)采用GNSS测量方法，以国家平面控制点为起算数据，联测A级测量控制点(16)，通过平差计算获取A级测量控制点(16)的平面坐标；

(3)采用水准测量方法，以国家高程控制点为起算点，联测A级测量控制点(16)，通过平差计算获取A级测量控制点(16)的高程；

(4)采用GNSS测量方法，以A级测量控制点(16)为起算点，联测B级测量控制点(17)，通过平差计算获取B级测量控制点(17)的平面坐标；

(5)采用水准测量方法，以A级测量控制点(16)为起算点，联测B级测量控制点(17)，通过平差计算获取B级测量控制点(17)的高程；

(6)采用导线测量、三角测量、GNSS测量方法，以B级测量控制点(17)为起算点，联测C级测量控制点(18)，形成平面控制网通过平差计算获取C级测量控制点(18)的平面坐标；采用水准测量、三角高程测量、GNSS高程测量方法，以B级测量控制点(17)为起算点，联测C级测量控制点(18)，形成高程控制网通过平差计算获取C级测量控制点(18)的高程；

(7)A级测量控制点(16)、B级平面测量控制网(19)、B级高程测量控制网(20)、C级平面和高程测量控制网(21)，一起组成三维空间测量控制场。

4.如权利要求2或3所述的一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装方法，其特征在于，在船舶等大型工业制造、安装搭载厂区、场地布设了A级测量控制点(16)、B级测量控制点(17)和C级测量控制点(18)，测量了A级测量控制点(16)、B级测量控制点(17)和C级测量控制点(18)的精密平面坐标和高程，将加工体(1)、被测目标体(4)和被测搭载体(24)置于由A级测量控制点(16)、B级测量控制点(17)和C级测量控制点(18)形成的测量控制场中，实现了加工体(1)、被测目标体(4)的长度和形状测量，以及被测搭载体(24)特征点的空间坐标测量。

5.如权利要求1所述的一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装方法，其特征在于，所述步骤三任意设站非接触式检测包含以下步骤：

(1)采用架设在任意位置的三维激光扫描仪(12)、近景摄影测量仪(8)，采集被测目标体(4)及C级测量控制点(18)的三维激光点云(13)或者影像(10)，三维激光扫描仪(12)、近景摄影测量仪(8)架设的位置可以是任意的，通过多位置、多方位的数据采集，得到被测目标体(4)表面全部的三维激光点云(13)、影像(10)；

(2)对多站采集的三维激光点云(13)、影像(10)进行数据融合，得到被测目标体(4)表面完整的三维激光点云(13)、像片立体相对(11)和数模；

(3)利用C级测量控制点(18)的三维空间坐标及采集的激光点云(13)、像片立体相对(11)，解算被测目标特征点(22)、(23)的三维坐标；

(4)计算出特征点(22)、(23)之间的坐标差、或长度，并与设计坐标差、或长度，被测目标体(4)变形值，实现船舶等大型工业制造尺寸、形状的检测、监测，及时发现生产过程中出现缺陷的中间产品；

(5)当被测目标体(4)检测尺寸误差不大于容许值时，表明加工精度符合要求，否则需要进行改正；或表明被测目标体(4)变形值小于容许要求，否则应停止安装进行修正。

6.如权利要求5所述的一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装方法，其特征在于，三维激光扫描仪(12)、近景摄影测量仪(8)架设的位置可以架设在地面，或者采用起吊设备放在空中，或者采用无人机作为平台进行飞行采集。

7.如权利要求1所述的一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装方法，其特征在于，所述步骤四任意设站非接触式监测包含以下步骤：

(1)将被测搭载体(24)定义在场地空间三维坐标系中，求取被测搭载体(24)各特征点空间三维坐标；

(2)采用任意设站的三维激光扫描仪(12)、近景摄影测量仪(8)采集被测搭载体(24)及C级测量控制点(18)的三维激光点云(13)、影像(10)，三维激光扫描仪(12)、近景摄影测量仪(8)架设的位置可以是任意的，通过多位置、多方位的数据采集，得到被测搭载体(24)表面全部的三维激光点云(13)、影像(10)；

(3)对多站采集的三维激光点云(13)、影像(10)进行数据融合，得到被测搭载体(24)表面完整的三维激光点云(13)、像片立体相对(11)和数模；

(4)利用C级测量控制点(18)的三维空间坐标及采集的激光点云(13)、像片立体相对(11)，解算出特征点(22)、(23)的三维坐标；

(5)分别计算特征点(22)、(23)解算的坐标、高程与设计坐标、高程的差值，对被测搭载体(24)的空间位置和姿态进行调整，当特征点(22)、(23)实时坐标与设计坐标差值分别不大于安装误差容许值时，表明被测搭载体(24)到达安装位置，否则，应进一步进行位置和姿态调整直至小于安装误差容许值。

8.如权利要求7所述的一种基于空间三维测控网的船舶等大型工业制造检测、监测和智能安装方法，其特征在于，三维激光扫描仪(12)、近景摄影测量仪(8)架设的位置可以架设在地面，或者采用起吊设备放在空中，或者采用无人机作为平台进行飞行采集。

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