劉海鋒 李賓皚 龔飛 葛曉峰 李茂華
1.中國電力科學研究院有限公司 北京100055
2.國網上海電力公司 200122
3.浙江盛達鐵塔有限公司 杭州311232
輸電塔由主材、斜材和節點等多個構件連接而成。在這些構件加工完畢后，應確保這些構件是可以被安裝在一起的。然而，由于設計失誤、加工誤差過大等原因，輸電塔的個別部件會存在難以甚至無法組裝的可能性，這會給輸電塔的現場施工帶來極大的困難。因此，在輸電塔的第一批部件加工完畢后，依據相關規程，塔廠必須開展輸電塔的試組裝工作，以檢查各個部件的可安裝性［1，2］。
在傳統的試組裝過程中，需要在鐵塔廠內，將鐵塔中的各個構件安裝在一起，以驗證各個構件是否可以被順利安裝。該過程和輸電塔的現場施工高度類似，需要大批熟練工人，大型起吊設備，并占用很大的場地，耗資巨大。為了降低輸電塔的試組裝成本，有必要借助機器視覺等先進技術，實現輸電塔的數字化組裝［3-6］。
在相關的研究領域，王碧如和張達飛等［7-9］利用高精度激光全站儀，測量了橋梁或高層結構部件中各個關鍵節點的空間坐標，并將該位置與三維模型的對應點位置坐標進行對比，并據此確定各個部件的可安裝性。因為橋梁或高層結構構件的尺寸和重量都很大，基本無法在部件生產廠內進行試組裝，該方法大幅度降低了橋梁試組裝的風險，對本文的研究具有重要的參考價值。然而，輸電塔的構件數量和每個構件上關鍵點數量遠大于橋梁或高層結構，若采用全站儀一一測量每個關鍵點坐標點，成本極高。
因此，為了避免進行耗資巨大的輸電塔實體試組裝，本文首先利用激光雷達掃描輸電塔中的零部件并采集其點云，然后利用機器視覺技術，識別其中的螺栓孔位置、多邊形定點等關鍵幾何信息，并將該幾何信息和三維模型進行對比。據此確定各個構件是否可以順利安裝，并將該方法用于某輸電塔的數字化組裝，驗證了該方法正確性。
在施工現場，安裝輸電塔時，輸電塔的各個部件，例如節點、主材和斜材等，基本都是通過螺栓連接在一起的，很少會使用到焊接等其他連接方式。因此，如果輸電塔的三維模型是正確的，即在三維模型中，各個構件的螺栓孔位置都是正確的，沒有分離和侵入的情況，那么實際加工的部件螺栓孔位置和理想模型的螺栓孔位置越接近，則該部件就越容易安裝。
在現階段，根據輸電塔的精細化模型，利用碰撞、分離檢測等方法來確定三維模型的正確性。因此，本文主要通過對比輸電塔部件的實際螺栓孔位置與三維模型螺栓孔位置的差異，來確定各個部件是否可以被順利組裝。因此，輸電塔數字化試組裝的基本步驟為：（1）利用激光雷達，采集輸電塔各個部件的三維點云；
（2）利用機器視覺技術，分析確定部件螺栓孔位置，生成部件的螺栓孔實測點云；
（3）根據三維模型，確定螺栓孔的理想點云；
（4）將螺栓孔實測點云和實測點云進行配準，即使2 個點云之間對應點的距離最小；
（5）確定2 個點云之間的位置差異，差異越大，試組裝效果越差。
2.1 構件點云采集
由于大跨越輸電塔的構件規格較大，主材的長度往往會分別超過10m。因此，本文選用了Surphaser25HSX三維激光掃描儀，進行構件點云采集，如圖1 所示。在10m 和25m 時，該設備的點位精度可以分別達到0.3mm 和0.5mm，該精度可以基本滿足輸電塔試組裝的需要。
圖1 構件2308 的掃描現場Fig.1 Scanning of member 2308
因為光是沿直線傳播的，每次只能掃描構件的一個側面，所以利用構件上的特征點來進行不同側面點云的拼接。特征點一般為螺栓孔的中心或者多邊形的頂點。
在一個構件的2 個點云中，需要包含4 個不共面共同的特征點。拼接算法的原理為：
在第1 個點云中，4 個共同特征點的坐標為：
在第2個點云中，以上4個共同點的坐標為：
點云的轉換矩陣M為：
因此，利用矩陣M，即可將多次采集的點云拼接到一起，構件2308 的拼接效果如圖2 所示。
圖2 構件2308 的點云Fig.2 Point cloud of member 2308
2.2 實測與理想點云的配準
得到上述點云后，將螺栓所在的節點板的點云轉化為灰度圖形，并采用Hough變換的方法，確定節點板中螺栓孔的位置。
目前，幾乎所有輸電塔在制造前，都必須進行三維放樣，并形成一個精細化三維模型，如圖3 所示。
圖3 整體輸電塔的三維精細化模型Fig.3 Detailed 3D model of whole transmission tower
本文從該模型中提取各個構件的精細化三維模型，如圖4 所示。
圖4 構件2308 的三維模型Fig.4 3D model of member 2308
基于OpenCascade和C++語言，本文開發了相關程序，該程序可以自動讀取并分析構件的三維模型，識別螺栓孔位置，并生成螺栓孔的理想點云。
將2.2 節中輸電塔構件螺栓孔的實測點云和2.3 節的理想點云進行配準，結果如圖5 所示。在圖5 中，紅色和綠色的點集分別代表實測和理想模型的螺栓孔點云。
圖5 輸電塔構件2308 的實測螺栓孔點云Fig.5 Point cloud of member 2308
由圖5 可見，對比配準后生成的紅色和綠色的點集，左下方的兩個節點板的螺栓孔誤差為81mm；
其余部分的螺栓孔誤差很小，低于4mm。因此，應該修改這2 個節點的位置，以滿足輸電塔組裝要求。
按以上方法，本文完成了國內某大跨越輸電塔工程中所有部件的激光掃描及分析工作，絕大多數部件的試組裝性能是合格的。除構件2308外，還有構件1001 和805 出現明顯的試組裝問題，如圖6 所示。
圖6 試組裝性能不佳的構件Fig.6 Members not easily assembled
由圖6 可見，對1001 構件來說，右上法蘭的螺栓孔位及節點板的螺栓孔位是合理的，但左下法蘭螺栓孔位偏差很大，最大值為106.6mm。應該將下法蘭以鋼管軸線為中心，旋轉一定的角度，即可顯著減小誤差，降低組裝難度；
對于構件805 而言，插板處的螺栓點位基本吻合，但在法蘭處，激光點云與三維模型螺栓的間距到達48.3mm。這是因為實際加工構件，兩個法蘭的間距太大，應該縮小兩個法蘭之間鋼管的長度。按照以上要求重新加工后，輸電塔的組裝工作非常順利。
所有部件的點云分析完畢后，本文將各個部件的點云拼接為一個輸電塔，如圖7 所示。圖7 代表的輸電塔數字化組裝得到的激光點云模型和圖3 代表的輸電塔精細化幾何模型是高度相似的。該現象說明：1）輸電塔中絕大多數構件的試組裝性能是合格的，這也是符合現階段輸電塔塔廠的加工質量水準的；
2）本文提供的輸電塔數字化組裝方案是正確的。
圖7 實測激光點云拼接而成的整體輸電塔Fig.7 Whole transmission tower assembled by laser cloud detected
國內某大跨越輸電塔工程使用激光雷達來采集輸電塔每個部件的激光點云，并利用機器人視覺技術，高效完成點云的拼接、關鍵點的識別和誤差計算，大幅度提高了輸電塔的數字化組裝效率，取得了良好的效果。下一步將結合有限元等力學計算方法，計算輸電塔組裝后的整體變形，以更為準確地評判輸電塔的試組裝效果。
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