一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法

技术领域

本发明涉及建筑结构检测设备技术领域，特别是一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法。

背景技术

煤气柜一般采用圆筒形钢结构框架体系，内部采用活塞钢板和密封橡胶膜对冶金生产过程中产生的煤气进行存储。煤气安全是生产安全控制的要点之一，一旦发生事故，将影响冶金全流程生产，造成巨大经济财产损失甚至是人员伤亡。

由于此类设施在后期的实际运营中担负着重要的角色，因此不能出现任何装备设施的质量和安全问题！所以在前期施工建设方面，对于施工精度要求极高，必须把煤气柜柜体的整体施工建设精度，严格控制在设计要求范围内。但是目前的煤气柜检测方法仅是对建成后的煤气柜检测，以监测煤气柜的工作状态，可参见公布号为CN116127816A的专利申请。若是施工过程中，煤气柜的建造产生了大的误差，投入使用时才发现，那么其将是不可逆的，只能将其拆除重建，生产建设成本骤增,因此需要在施工的工程中多次对煤气柜的柜体进行测量发现异常点并根据该数据进行修正；而目前的数据测量一般是采用传统工程仪器全站仪、水准仪、GPS定位器以及卷尺等工具，对煤气柜柜体进行若干点位的测量，这种采集数据的方案，其速度慢、人力要求高，通过全站仪和棱镜，经至少两人以上的配合方式进行测量，或者由多人拉卷尺的方式，采集煤气柜柜体水平度、垂直度以及柜体截面圆直径的数据；但是由于过度依赖测量人员的配合度和设备使用条件的限制，那么对于现场采集环境要求相对比较高，且由于人工测量会存在或多或少的人为误差，同时选择测量点和测量方式的不同也会存在误差，就不能准确采集数据，人工拉卷尺的方式测量截面直径就更加不准确了。传统模式无论是数据采集方式，还是数据结论方面，都受测量工具及计算方法的限制，可提供判断的数值依据非常有限。自然在施工现场可提供的施工数据就非常有限，并不能很好的为施工建设提供技术支持，完成提高施工质量的要求。且目前的这些手段仅能测量煤气柜的部分垂直度、水平度和截面圆数据，无法模拟内部活塞在柜体内的运行轨迹，直接得出相应的检测结果。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法，在建造过程中使用三维激光扫描仪采集数据实现低人工干预，将三维激光扫描仪采集到数据进行拼接处理逆向建模，后进行切片和拟合，并根据拟合圆心坐标位置对煤气柜柜体切片拟合圆进行对位放置，形成煤气柜的整体外轮廓模型，将活塞的切片拟合圆沿着虚拟轨迹线运动，模拟活塞在煤气柜柜体内的运动，并在模拟运动过程中计算出与煤气柜柜体的切片拟合圆的最小间距和最小间距的具体坐标点，可根据数据及时对煤气柜柜体进行调整控制施工的精度。

本发明采用以下方法来实现：一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、采集数据，通过三维激光扫描仪在施工现场对煤气柜柜体进行数据采集获取点云数据，并对获得的点云数据拼接，形成煤气柜柜体完整的数据点云模型；采用相同方法采集煤气柜柜体内部活塞的数据点云模型；

步骤2、处理数据，对煤气柜柜体拼接完成的数据点云模型进行处理，剔除与构筑物主体无关的空间杂点后，进行点云数据转网格化处理以完成煤气柜柜体逆向建模，生成煤气柜柜体网格化三维信息模型；采用相同方法生成活塞的网格化三维模型；

步骤3、提取数据，将煤气柜底部混凝土承台的中心点

步骤4、分析拟合，对煤气柜柜体各指定高度处的切片圆和活塞的切片圆进行计算拟合，得到煤气柜柜体各层指定高度的切片拟合圆和活塞的切片拟合圆，以及各切片拟合圆的圆心点位置坐标；将得到的煤气柜柜体所有切片拟合圆均按照其自身的圆心点所在位置坐标进行放置，形成一个由煤气柜柜体的多个切片拟合圆组成的煤气柜柜体外轮廓模型；

步骤5、仿真模拟，将活塞切片拟合圆沿煤气柜柜体的基础承台中心点所在的垂线作为活塞的切片拟合圆的运行轨迹线，使活塞的切片拟合圆的圆心点沿着该运行轨迹线在煤气柜柜体外轮廓模型内进行上下移动，模拟活塞在煤气柜柜体内的仿真运动；当活塞的切片拟合圆运动到与煤气柜柜体外轮廓模型指定高度的切片拟合圆相同高度的位置时，选取活塞的切片拟合圆与其相同高度处的煤气柜柜体的切片拟合圆，计算出活塞的切片拟合圆的周面与煤气柜柜体该高度处的切片拟合圆周面二者之间的最小间距，以及最小间距位置处活塞的切片拟合圆和煤气柜柜体的切片拟合圆上的具体点坐标。

优选的，步骤5中最小间距的计算方法为：假设产生最小间距位置的煤气柜柜体的切片拟合圆的点为

先求得活塞的切片拟合圆半径方程：

最小间距两点位置坐标计算公式：

P点坐标：

Q点坐标：

最小间距PQ的计算公式：

优选的，所述步骤3中煤气柜柜体的网格化三维信息模型处理具体为：对三维信息模型的坐标轴轴向进行约定，设定煤气柜柜体底部的基础承台的中心点

优选的，所述步骤3中，还包括将采集到的煤气柜柜体网格化三维信息模型的立柱垂直投影面的位置与施工现场做的实际立柱位置编号一一对应；通过结合所述煤气柜柜体网格化三维信息模型的立柱编号，确定Q点和P点的位置坐标位于哪两根立柱之间，以确定Q点和P点的所在位置，结合施工现场的实际位置，便于现场进行指导施工。

优选的，所述步骤4中，通过三维扫描分析模型进行计算拟合，以获取到煤气柜柜体指定高度处的切片拟合圆和活塞的切片拟合圆，以及各切片拟合圆的圆心点位置坐标。

优选的，所述步骤5中使用仿真计算模拟软件进行仿真模拟，将所述步骤4中分析拟合得到的煤气柜柜体指定高度处的切片拟合圆和活塞的切片拟合圆，以及各切片拟合的圆心点，按圆心点坐标位置把所有拟合圆导入仿真计算模拟软件中，并借助仿真模拟软件的模拟、计算能力求得最小间距值，测量得到各相关位置点之间的距离数据，根据公式计算出最小距离点的坐标位置值。

优选的，所述步骤4中还包括将煤气柜柜体每一指定高度处的切片拟合圆与相应高度的设计图纸进行对比，对比施工建设中的煤气柜柜体圆度与设计圆度在同一高度位置处的差别，从而初步判定施工建设过程中的精度控制能否符合设计的标准和预期。

优选的，煤气柜柜体的指定高度为煤气柜柜体各环梁位置的标高处，或者为施工现场需求的指定标高位置；活塞的指定高度为活塞围栏所在标高处，或者为施工现场的需求指定标高位置。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法，相较于现有技术，本发明至少具有如下技术效果：1.可以在煤气柜柜体建造过程中使用三维激光扫描仪采集数据实现全程无干预自动采集数据，有助于提高数据采集的精度，将三维激光扫描仪采集到数据进行拼接处理逆向建模，后进行切片和拟合，并对位放置煤气柜柜体的切片拟合圆形成圆柱，将活塞的切片拟合圆沿着轨迹线运动仿真模拟活塞在煤气柜柜体内的运动，精确、直观地仿真模拟内部活塞运动轨迹，并计算外壁环梁与内部活塞最小间距，以及最小间距所在的具体位置；完整统计煤气柜已建部分的模拟数据，对照设计图纸的参数控制要求，得出建设误差数值及位置，并及时进行整改，从而达到对施工建设精度要求的控制；避免施工建设中完工后在返工问题，节省了大量人力、物力，保证了施工建设周期等成效。2.相对于传统方式采集来的若干数据组织相关专业技术人员通过手工计算得出计算结果，得出数据结果的方式相比较，传统方式由于离散数据量大，人员手工干预度高，需要通过一些列的综合数据计算、比对才能得到结论数据的方式，再配合过往项目经验推断出数据结论，本发明中直接通过计算机软件处理扫描采集过来的数据，由计算机进行仿真模拟实际运行轨迹，无论是对于相关从业工程师的经验要求方面，提高数据的准确性降低误差，解决了传统计算速度慢且复杂、人为误差大、人力要求高以及过度依赖相关从业工程师经验等缺点。

附图说明

图1是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法流程图。

图2是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法点云数据拼接的示意图。

图3是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法逆向建模生成网格化三维信息模型的示意图。

图4是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法的模型切片示意图。

图5是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法煤气柜柜体切片圆进行计算机软件拟合示意图。

图6是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法生成柜体外轮廓示意图。

图7是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法计算演示示意图。

图8是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法最小间距点示意图。

图9是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法模拟活塞运动轨迹示意图。

图10是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法最小间距点的间距数据分析表，△为最小点位。

图11是本发明的一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法的煤气柜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

请参阅图1至图11，一种煤气柜施工建设中活塞运行仿真模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、采集数据，通过三维激光扫描仪在施工现场对已施工完成部分的煤气柜柜体进行激光扫描采集获取点云数据，并对获得的点云数据拼接，形成煤气柜柜体完整的数据点云模型；采用相同方法采集煤气柜柜体内部活塞的数据点云模型；

步骤2、处理数据，对煤气柜柜体拼接完成的数据点云模型进行处理，剔除与构筑物主体无关的空间杂点后，进行点云数据转网格化处理以完成煤气柜柜体逆向建模（将点云模型由计算机专业软件进行点的空间三维计算，转换成网格化实体的空间三维模型），生成煤气柜柜体网格化三维信息模型；采用相同方法生成活塞的网格化三维模型；

步骤3、提取数据，将煤气柜底部混凝土承台的中心点

步骤4、对煤气柜柜体各指定高度处的切片圆和活塞的切片圆进行计算拟合，得到煤气柜柜体各层指定高度的切片拟合圆和各层指定高度活塞的切片拟合圆，以及各切片拟合圆的圆心点位置；将得到的煤气柜柜体所有切片拟合圆均按照其自身的圆心点所在位置进行放置，形成一个由煤气柜柜体的多个切片拟合圆组成的煤气柜柜体外轮廓模型（由于建造放线的误差，这些煤气柜柜体的切片拟合圆的圆心并非在一条垂直的轴线上，所以这个圆柱形外轮廓中心轴线是一条变形曲线）；

步骤5、仿真模拟，将活塞切片拟合圆沿煤气柜柜体的基础承台中心点所在的垂线作为活塞的切片拟合圆的运行轨迹线（请参阅图6、图9，），使活塞的切片拟合圆的圆心点沿着该运行轨迹线在煤气柜柜体外轮廓模型内进行上下移动，模拟活塞在煤气柜柜体内的仿真运动；当活塞的切片拟合圆运动到与煤气柜柜体外轮廓模型指定高度的切片拟合圆相同高度的位置时，选取活塞的切片拟合圆与其相同高度处的煤气柜柜体的切片拟合圆，计算出活塞的切片拟合圆的周面与煤气柜柜体该高度处的切片拟合圆周面二者之间的最小间距，以及最小间距位置处活塞的切片拟合圆和煤气柜柜体的切片拟合圆上的具体点坐标。精确、直观地仿真模拟内部活塞运动轨迹，并计算外壁环梁与内部活塞最小间距；完整统计煤气柜已建部分的模拟数据，对照设计图纸的参数控制要求，得出建设误差数值及位置，可以根据该数据在建设过程中及时对煤气柜柜体进行整改，从而达到对施工建设精度要求的控制；避免施工完成后再返工问题，节省了大量人力、物力，保证了施工建设周期等成效。只对指定高度进行切片拟合，减少计算量，加快数据处理的速度。也可将活塞的所有指定高度处的切片拟合圆按照运行轨迹线逐一进行运行模拟。

请参阅图1、图5至图8，优选的，步骤5中最小间距的计算方法为：假设产生最小间距位置的煤气柜柜体的切片拟合圆的点为

先求得活塞的切片拟合圆半径方程：

最小间距两点位置坐标计算公式：

P点坐标：

Q点坐标：

最小间距PQ的计算公式：

请参阅图1、图5至图9，优选的，所述步骤3中煤气柜柜体的网格化三维信息模型处理具体为：对三维信息模型的坐标轴轴向进行约定，设定煤气柜柜体底部的基础承台的中心点

优选的，所述步骤3中，还包括将采集到的煤气柜柜体网格化三维信息模型的立柱垂直投影面的位置与施工现场做的实际立柱位置编号一一对应；通过结合所述煤气柜柜体网格化三维信息模型的立柱编号，确定Q点和P点的位置坐标位于哪两根立柱之间，以确定Q点和P点的所在位置，更加贴合施工现场的实际情况，利于指导施工。

请参阅图5，优选的，所述步骤4中，通过三维扫描分析模型（例如Geomagic）进行计算拟合，以获取到煤气柜柜体各层指定高度处的切片拟合圆和活塞的切片拟合圆，以及各切片拟合圆的圆心点位置。

请参阅图1、图5至图8，优选的，所述步骤5中使用仿真计算模拟软件（例如Navisworks）进行仿真模拟，将所述步骤4中分析拟合得到的煤气柜柜体各层指定高度处的切片拟合圆、活塞的切片拟合圆和基础承台中心圆心，以及各切片拟合圆的圆心点，按圆心点坐标位置把所有拟合圆导入到Navisworks；并借助Navisworks计算、模拟软件中的最小间距计算功能模块，计算最小间距测量得到各相关位置点之间的距离数据，根据公式计算出最小距离点的坐标位置值。

请参阅图3，优选的，步骤2中，采用实景建模模型（例如ContextCapture）软件进行计算处理，生成煤气柜柜体网格化三维信息模型，一般精度控制在两毫米以内。

优选的，所述步骤4中还包括将煤气柜柜体每一指定高度（即标高处）的切片拟合圆与相应标高处的设计图纸进行对比，对比施工建设中的煤气柜柜体圆度与设计圆度在同一标高处的差别，从而初步判定施工建设过程中的精度控制能否符合设计的标准和预期。

请参阅图9，优选的，煤气柜柜体的指定高度为煤气柜柜体的各环梁位置的标高处，或者为施工现场需求的指定标高位置；活塞的指定高度为活塞的围栏所在的标高处，或者为施工现场的需求指定标高位置。通常煤气柜柜体的建造通常是通过相应的外壁环梁立柱来控制柜体成型的，因此煤气柜的尺寸异常点通常发生在外壁环梁处，且煤气柜的标高处通常标在柜体外壁环梁的相应位置处，因此只需要在外壁环梁的高度处进行切片即可，可以有效降低计算的复杂度，有助于加快计算速度。且活塞的最大尺寸位于活塞的围栏处，所以仅需要在活塞的围栏高度处进行切片即可，减少计算量。

本发明具有以下工作原理：

首先通过三维激光扫描仪采集煤气柜柜体的点云数据，并进行拼接；之后对点云数据进行处理生成煤气柜柜体网格化三维信息模型；之后将三维信息模型切片处理；之后煤气柜柜体各指定高度处的切片圆和活塞的切片圆进行计算拟合，获取煤气柜柜体的切片拟合圆以及活塞的切片拟合圆；之后将获得的煤气柜柜体各指定高度处的切片拟合圆的对位放置，形成一个煤气柜柜体外轮廓模型，以模拟煤气柜柜体；之后将活塞的切片拟合圆沿着轨迹线运动，在煤气柜柜体的切片拟合圆内部做上下运动，以模拟活塞在煤气柜柜体内运动。当活塞的切片拟合圆运动到煤气柜柜体的指定高度处的切片拟合圆时，计算出当前高度处外壁环梁拟合圆与内部活塞围栏拟合圆两者之间的最小间距，以此类推完成所有不同指定高度处的模拟计算。得出内部活塞在柜体内沿着虚拟的运动轨迹线，上下运行的一列最小间距数据，在excel中同设计要求的数据进行自动逐项对比，得出能否达到设计要求指标的结论。根据该结论得出是否需要对煤气柜的具体位置进行修正。

应说明的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。