Bài báo trình bày khả năng ứng dụng máy quét laser mặt đất Faro Focus X130 xây dựng mô hình 3D hiện trạng các thiết bị công nghệ của Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả và quy trình xử lý dữ liệu đám mây thành lập mô hình 3D các đối tượng dạng khối.
Tóm tắt:
Công nghệ quét laser mặt đất cho phép thu thập chính xác các đối tượng trên hiện trường và xây dựng mô hình 3D một cách chi tiết, đồng thời cho phép đánh giá hiện trạng một cách toàn diện theo nhiều góc nhìn, giám sát và quản lý tài sản; phục vụ cho việc điều chỉnh hỗ trợ xây dựng kế hoạch; phương án thi công, cải tạo mở rộng nhà máy; thiết kế lắp ráp các thiết bị bằng công nghệ thiết kế ngược; cho phép nhà quản lý xem xét, đánh giá, giới hạn và quản lý vận hành từ một nơi đến nhiều địa điểm nhà máy khác. Bài báo trình bày khả năng ứng dụng máy quét laser mặt đất Faro Focus X130 xây dựng mô hình 3D hiện trạng các thiết bị công nghệ của Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả và quy trình xử lý dữ liệu đám mây thành lập mô hình 3D các đối tượng dạng khối.
Từ khóa: Quét laser mặt đất, nhiệt điện Cẩm Phả, Faro Focus X130.
1. Mở đầu
Trong quá trình thi công và vận hành các nhà máy nói chung và nhà máy nhiệt điện nói riêng, thường phát sinh những yếu tố mới trong hệ thống thiết bị công nghệ, làm cho các chi tiết của các thiết bị thường có sự sai lệch so với thiết kế ban đầu. Công tác cập nhật hiện trạng hệ thống thiết bị là cần thiết, nhằm kiểm tra, đánh giá và kịp thời điều chỉnh so với thiết kế ban đầu.
Trước đây, công tác đo vẽ hiện trạng hệ thống thiết bị công nghệ trong nhà máy thường được tiến hành bằng các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, khả năng kiểm kê và hiển thị chi tiết các yếu tố của thiết bị còn bị hạn chế. Trong những năm gần đây, mô hình 3D là mô hình kỹ thuật yêu cầu xuyên suốt trong quá trình từ thiết kế, thi công, vận hành và bảo trì hệ thống thiết bị.
Công nghệ quét laser mặt đất với những khả năng vượt trội trong công tác thu thập dữ liệu địa không gian, cho phép thu thập một tập hợp đám mây điểm với mật độ dày đặc lên tới hàng triệu điểm/giây [2], đồng thời cho phép gán hình ảnh chụp lên bề mặt đám mây điểm thu được trong quá trình đo quét [4]. Việc gán hình ảnh lên bề mặt đám mây điểm trong vị trí không gian 3D giúp người sử dụng dễ dàng nhận biết, xem xét, đánh giá chi tiết toàn bộ các đối tượng. Đồng thời, cho phép gán các thuộc tính chi tiết cho từng đối tượng cũng như xây dựng lại mô hình 3D chi tiết toàn bộ các đối tượng trong và ngoài nhà máy, giúp các nhà quản lý đánh giá chi tiết các đối tượng từ hình dáng, trạng thái, chất lượng cũng như làm hồ sơ lưu trữ. Hiện nay, công nghệ quét laser mặt đất đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong ngành trắc địa bản đồ [1], khai thác mỏ [3], [5], [6], trong thu thập dữ liệu địa không gian thành phố,... Tuy nhiên, việc ứng dụng máy quét laser mặt đất trong công tác đo vẽ chi tiết hiện trạng các đối tượng hệ thống thiết bị công nghệ nói chung và nhà máy nhiệt điện nói riêng còn ít được đề cập tại Việt Nam.
2. Xây dựng mô hình 3D chi tiết các đối tượng công trình Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả tỉnh Quảng Ninh.
2.1. Tổng quan khu vực nghiên cứu
Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin) nằm tại khu vực Cầu 20, phường Cẩm Thịnh, thành phố Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh. Tổng công suất của nhà máy là 600 MW và sản lượng điện năng hàng năm là 3,68 tỷ KWh [7]. Hệ thống đấu nối với hệ thống điện quốc gia bằng 2 cấp điện áp là 220 KV và 110 KV nhằm cung cấp điện cho khu vực tam giác kinh tế Hà Nội-Quảng Ninh-Hải Phòng và quốc gia. Nhà máy có 2 tổ máy với 4 lò hơi có công suất 150 MW/lò theo công nghệ lò tầng sôi tuần hoàn (CFB) đốt than và sử dụng nước biển làm nước làm mát.
2.2. Máy quét laser mặt đất Faro Focus X130
Faro Focus X130 là máy quét laser mặt đất với tốc độ cao, sử dụng kỹ thuật dịch chuyển pha “Phase Shift” để xác định khoảng cách dựa vào các đặc tính duy nhất của từng pha độc lập. Độ chính xác đo khoảng cách phụ thuộc vào cường độ tín hiệu, độ nhiễu. Các tính năng chính của Faro Focus X130 được trình bày trong Bảng 1.
| Phạm vi quét | 120 m ở mức độ phản xạ 90 % |
| Tốc độ quét | <976.000 điểm/giây |
| Mật độ quét | <1 mm |
| Sai số đo quét | ± 2 mm (ở khoảng cách 50 m) |
| 2 integrated cameras | 5+5 Mpx |
| Độ nhiễu | + 0,6 mm ở khoảng cách 10 m với mức phản xạ 90 % và tốc độ quét 122.000 điểm/giây; + 0,3 mm ở khoảng cách 10 m với mức phản xạ 90 % và tốc độ quét 122.000 điểm/giây ở chế độ nén nhiễu; |
| Cảm biến kết hợp | GPS, la bàn, cảm biến độ cao, cảm biến bù nghiêng |
| Nhiệt độ vận hành | -10° ÷ 50°C |
| Kích thước | 240x200x100 mm |
| Khối lượng | 5 kg |
2.3. Thiết lập cấu hình máy quét laser mặt đất
Máy quét laser FARO Focus3D X130 được thiết lập cấu hình đo quét tại khu vực bên trong Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả với theo các chế độ:
- Thời gian trung bình cho một trạm quét là 6 phút;
- Chọn chế độ quét laser có chụp ảnh, đảm bảo sau khi quét dữ liệu có màu ảnh thật để phục vụ cho việc thiết kế dựng lại mô hình 3D nhà máy nhiệt điện dưới dạng khối;
- Điểm tiêu: sử dụng 04 tiêu hình cầu “Mark Phere” đi kèm với máy Faro (H.2). Các tiêu được bố trí sao cho có tối thiểu phải có 3 tiêu chung nhau giữa 02 trạm đo quét liên tiếp. Các điểm tiêu này được liên kết với hệ thống mạng lưới tọa độ quốc nhằm mục đích biểu thị vị trí chính xác của Nhà máy trên bản đồ;
- Khoảng cách từ máy đến các tiêu trung bình là 30÷50 m
2.4. Quy trình xử lý số liệu quét laser mặt đất FARO Focus3D X130
Dữ liệu sau khi đo quét được xử lý theo quy trình sau (hình H.1):
H.1. Quy trình xử lý số liệu quét 3D laser mặt đất
2.4.1. Tạo mô hình 3D dữ liệu đám mây điểm
Dữ liệu đám mây điểm sau khi đo quét được xử lý sơ bộ bằng phần mềm đồng bộ của hãng Faro, đồng thời đánh giá độ chính xác ghép các trạm đo, hiển thị tổng thể toàn bộ mô hình đo quét (hình H.3), gán màu và hình ảnh chụp từ máy quét laser mặt đất vào bề mặt đám mây điểm. Đồng thời trên mô hình 3D có thể xác định chính xác khoảng các giữa các đối tượng giúp kiểm tra độ chính xác với kết quả đo thực tế tại hiện trường.
2.4.2. Tạo layer chi tiết cho từng loại đối tượng
Để phục vụ cho vận hành và quản lý hệ thống thiết bị công nghệ của nhà máy, bước tạo layer cho từng loại đối tượng giúp tách biệt rõ ràng các chi tiết như: các đường ống, hệ thống tuabin,… Quá trình chia tách các layer cho các đối tượng có thể sử dụng một số phần mềm mô phỏng 3D chuyên dụng, cho phép dễ dàng khoanh vùng và chia tách các đối tượng.
2.4.3. Dựng mô hình 3D các đối tượng dạng khối
Trước khi mô phỏng 3D đối tượng dưới dạng khối, cần đánh giá độ chính xác của mô hình đám mây điểm thông qua sự so sánh kết quả đo thực địa và kết quả đo được trên mô hình (tỉ lệ 1:1). Sau đó, tạo khối cho từng đối tượng với lựa chọn định dạng khối phù hợp với các điểm trong mô hình và tạo mô hình dạng khối trùng khớp với đám mây điểm.
H.3. Hiển thị tổng thể toàn bộ mô hình đo quét
3. Kết luận
Với những ưu điểm về khả năng thu nhận dữ liệu, tốc độ đo quét nhanh, độ chính xác về xác định vị trí điểm ngày càng cao và giá thành ngày càng giảm, nên trong thời gian gần đây, công nghệ quét laser mặt đất ngày càng được áp dụng phổ biến trong hiển thị mô hình 3D chi tiết hệ thống thiết bị công nghệ trong các ngành công nghiệp. Độ chính xác đạt được về khoảng cách không gian (ΔS) từ 1÷2 mm trong phạm vi từ 40 đến 50 m trong thực nghiệm ở trên có thể khẳng định phương pháp đo bằng thiết bị quét laser mặt đất Faro Focus X130 hoàn toàn đáp ứng yêu cầu trong công tác xây dựng mô hình 3D hiện trạng thiết bị công nghệ trong nhà máy nói chung và Nhà máy Nhiệt điện Cẩm Phả nói riêng. Quét laser mặt đất là công nghệ địa không gian có chu trình tổ chức sản xuất đơn giản, thời gian thao tác ngoại nghiệp nhanh, có thể đo vẽ các vị trí khó tiếp cận, cung cấp mô hình 3D độ chi tiết LoD cao, là công cụ quan trọng phục vụ kịp thời công tác phân tích, đánh giá chi tiết hiện trạng hệ thống thiết bị công nghệ trong nhà máy nhiệt điện.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phạm Như Hách, Nguyễn Minh Hoàng, Hoàng Thị Vân (2018). Ứng dụng công nghệ quét Laser 3D trong mô hình hoá thông tin phục vụ thành lập bản đồ. Hội nghị Khoa học, Công nghệ Toàn quốc ngành Đo đạc và Bản đồ, 450-455.
2. Võ Chí Mỹ. (2016). Trắc địa mỏ. Hà Nội. NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ.
3. Nguyễn Viết Nghĩa, Võ Ngọc Dũng. (2016a). Khảo sát quy trình thành lập bản đồ địa hình mỏ lộ thiên bằng máy quét laser 3D mặt đất. Tạp chí Công nghiệp Mỏ, 2, 61-65.
4. Nguyễn Viết Nghĩa, Võ Ngọc Dũng. (2016b). Nghiên cứu khả năng ứng dụng máy quét laser 3D mặt đất trong quản lý xây dựng-khai thác mỏ hầm lò. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ-Địa chất, 57, 65-73.
5. Maciaszek, J, Gawałkiewicz, R. (2007). Badanie dokładności tachimetrów i skanerów laserowych w warunkach laboratoryjnych i polowych. Zeszyty Naukowe. Górnictwo/Politechnika Śląska(278), 241-258.
6. Simon Ratcliffe, Andrew Myers. (2006). Laser Scanning in the Open Pit Mining Environment A Comparison with Photogrammetry. I-SiTE White Paper, 1-10.
7. http://www.nhietdiencampha.com.vn/
8.http://www.geotronics.sk/wp-content/uploads/2014/12/E1188_FOCUS3DX130_MANUAL_EN.pdf
Trường Đại học Mỏ-Địa chất
Tạp chí Công nghiệp Mỏ, tháng 05/2020
