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摘 要：在某110000DWT油轮改浮式储卸油装置（FSO）项目中，利用三维激光扫描与AVEVA 系列三维设计软件结合使用的方法，实现了管路改造完整的三维建模与图纸输出。本文着重介绍了激光扫描数据在改造项目设计过程中的应用。
关键词：三维激光扫描;AVEVA 软件;改造;设计
中图分类号：U674.98 文献标识码：A
Application of Laser Scanning Data in FSO Conversion Design
WANG Gongkai
（ China Merchants Heavy Industry（Shenzhen）Co.， Ltd.， Shenzhen 518054 ）
Abstract： In the project of converting an 110 000 t oil tanker into a floating storage and Offloading Unit （FSO）， 3D laser scanning combined with the AVEVA series 3D design software is used to realize the complete 3D modeling and drawing output of the pipeline in the system modification. This paper focuses on the application of laser scanning data in the design process of the conversion project.
Key words： 3D laser scanning; AVEVA software; Conversion; Design
1 前言
为了替换即将退役的某浮式储卸油装置（FSO），将一艘110 000 DWT的油船改造成单点浮式储卸油装置。该油轮是在2006年1月完工，至2018年计划改造时船龄已有12年。
由于时间久远，原船设计数据缺失严重，无法直接从业主方获得原船的管路、电缆布置信息及三維布置模型。此次改造工程量大，改造及新增设备管路布置与原船设备管路、电气布置有大量交接的地方，需要获取原船的设备管路、电缆通道等的布置信息才能进行后续的设计工作。因此，如何获取原船数据是一大难点;如果全部现场测量或现场放样，工作量巨大也不符合现代修造船的理念;同时，获取原船数据后如何利用这些数据在设计周期内顺利完成设计任务也是一大难点。本文介绍利用三维激光扫描工具配合AVEVA 系列三维设计软件，圆满完成将油轮改造成FSO的应用过程。
2 准备工作
高分辨率三维激光扫描仪是现场采集数据的主要工具，通过该激光扫描仪可以获取该站点360°范围的实景图像。因为是多站点数据采集，采集的数据需要经过SCENE软件的初步处理;而为了满足三维设计软件的使用，还需要用FLM软件对扫描数据进行格式转化及定位。
本文所述AVEVA 系列软件，包含FLM、AVEVA everything3D（简称E3D）及AVEVA Marine（简称AM）等软件：FLM是一款数据转换软件，可以将扫描仪获取的数据转化成E3D能够识别的点云数据，并参照实船坐标系对点云数据进行姿态调整及定位;E3D是AVEVA公司在AM基础上研发的一款功能强大的三维建模软件;AM是一款基于数据库的三维建模设计软件，包含部件库规格书、三维建模、图纸输出等主要模块。
E3D的突出优势是可以将激光扫描数据处理后作为真实环境参考，在此基础上进行改造设计，它没有船体建模模块，直接利用激光扫描数据作为背景参考，在改造项目的设计方面具有独特优势，减少了大量的现场勘察、测量等工作;E3D还可以与AM软件实现数据共享，充分利用既有的标准及部件库，减少了重复工作，提高了设计效率。本项目即利用了E3D这一特点进行数据库管理及图纸的输出。
3 数据流程
整体数据流程如图1所示：前面3步是准备工作阶段，后面2步正式开始设计工作。
3.1 采集数据
使用激光三维扫描仪对所需区域进行站点扫描，获取该区域的原始状态。这是基本数据的最初来源，决定后期设计的背景参照是否清晰明确。需要注意的是，站点的分布及数量决定了扫描数据的质量，需要进行综合考虑：站点太多，扫描耗时长，数据量大，处理过程复杂;站点太少，处理后数据会模糊不清晰，更有可能会缺失相关信息，给设计带来不利影响。因为扫描数据不影响船舶的运行，故可以提前进行。在船舶未进厂之前就可以得到船舶的实际状态，减少船舶停产改造时间，缩短改造工期，提高改造效率。
3.2 数据处理
对采集而来的原始数据进行初步处理。由于三维激光扫描是将扫描设备放置到一个个站点得到的数据，数据量大而分散，需要将这些站点数据利用相关软件转换成一个整体的激光扫描数据模型。这里需要用到与扫描仪匹配的SCENE软件，对激光扫描仪获取的扫描数据进行处理和管理。
3.3 格式转换
将3.2所得的整体激光数据模型导入LFM软件，转换成标准格式FLD模型，并进行定位设置，以满足 E3D软件对激光扫描数据的识别。FLM是一款将激光扫描数据转化成点云数据的软件，可以将激光扫描所得数据转化成对应位置的一个个数据点。 激光扫描数据显示效果跟照片类似，便于观察，如图2所示;转成的点云数据是以点阵显示物体轮廓，可以抓取点来定位，如图3所示。两者只是显示的方式不同，来源于同一个数据。
3.4 数据导入
将转换完成的点云数据导入E3D，扫描模型作为改造的真实环境参考。可以进行碰撞检查、空间测量等，也可以进行逆向建模，即根据点云还原原始模型。
3.5 生产设计/文件输出
以激光扫描数据作为环境参考，进行生产设计、管路布置出图、材料提取、焊点输出等，图纸输出操作也可以利用AM软件进行。
4 点云数据在AVEVA软件中的应用
4.1 点云数据的准确定位
进行生产设计之前，要确保导入激光扫描数据定位准确性，这是非常关键的一点。本项目是油船改造为FSO，需要在整个甲板面上进行改造布置。由于甲板面长，假如XZ方向的角度偏差0.5?，造成甲板的高度偏差可能接近1 m，导致输出的图纸信息与实际的安装信息不一致。
在项目实践中，是在软件中理论位置建立几个关键的甲板或者舱壁，与激光扫描数据的甲板或者舱壁进行比较，如果偏差较大，则需要对激光扫描数据进行定位修正，再导入AVEVA E3D检查。这是一个不断修正的过程，保证激光扫描数据处于准确的船体座标系上。
图4是经过调整后的点云数据，可以看到与理论船体座标系已经非常接近。点云数据的定位是非常重要的准备工作，特别是长甲板的船型改造项目。
4.2 模型的建立
点云数据定位之后，就可以进行管系、设备、电气等模型的建立：
（1）可以實现逆向建模，即由点云数据形成的图像通过三维建模的方法，把原船的管路结构等模拟出来。这种情况主要用于与原船有交接的管路，例如在原船管路上开支管等，都需要将原船管路模拟出来，再进行后续处理，如图5所示。
完全的逆向建模实际上不利于提高设计效率，工作量极大，没有太大的意义。为提高设计效率，一般对起参考作用的点云数据不进行逆向建模，直接参考点云数据即可;
（2）是设备的布置。油船改为FSO需要增加不少油气的输入输出设备以及辅助安全设备。这里涉及到两个问题：一个是设备的布置;另一个是设备接口管路的连接。
由于原船是油船，主甲板管路相对集中，甲板空余面积足够，只需将少量管路调整移开即可：而布置FSO的油气设备时，可以直接以点云背景将设备布置在合适的地方，避免后期安装设备时才发现干涉造成修改;
对于设备接口管路连接，由于有点云数据做背景，可以准确建立设备模型及布置位置，明确接口等信息，进行管路建模，形成完整的三维模型数据;
（3）是系统建模。油船改为FSO，设备多、系统杂、与原船管路交叉多。如果依赖现场放样，工作量大且效率低，无法满足改造时间及船东对于三维设计的要求。甲板惰气、货油、泡沫、污油水等系统都存在交叉改造内容，一部分拆除，一部分接入新系统，对现场管理要求很高。点云数据的应用极大减轻了生产的压力。
首先，点云数据相当于固定了原船的模型数据，对于管路复原拆装起指导作用;而且可以在电脑上对需要拆除的管路提前进行梳理，减轻现场工作的劳动强度;其次，设计方面以导入的点云数据为环境参考，在此基础上进行各专业需要进行改造的设计建模。
E3D的交互建模跟AM一样，各专业同时进行建模，并可以随时检查相关模型与原船管路设备的相对位置关系;跟AM最大的区别在于：AM是船体专业先建模，其他各专业在船体背景上进行生产设计;E3D是没有船体建模的，点云数据就相当于AM的船体背景。这也是E3D的优势所在，因为改造项目很难获取原船的三维设计数据，没有原船结构数据新的设计就只能建立在空中楼阁上，E3D很好的解决了这个难点，这对改造项目的设计是一个极大的提升。利用点云数据，结合三维设计软件，大大提升了生产设计效率，而且修改率保持在5%以下，这是以往改造项目很难达到的成绩。图6为新增管路在点云数据中的显示效果。
4.3 图纸输出
因为改造工程量大，为提高生产效率，生产设计图纸需满足从内场零件制作到外场现场安装的全流程要求，尽量做到所有管子车间预制、外场安装，减少现场配管;利用E3D与AM的数据共享特性，在具有完善定制开发的AM中实现材料及图纸的输出。综合利用两者的优势，圆满完成了改造项目按造船标准出图的设计工作;利用AM强大的开发兼容性能，自动提取所有管路焊点并实现焊点的全流程追踪过程，满足了FSO项目对焊接质量的严格控制要求。
5 总结
（1）采用三维激光扫描与AVEVA 系列软件结合使用的方法，圆满解决了如何将实船数据直接应用到计算机端进行设计的难题;并通过软件的二次开发，快捷准确高效的提取管路焊点，满足FSO特殊需要。实践表明，这种基于激光三维扫描数据的AVEVA E3D软件进行的生产设计，大大缩短了设计时间，降低了设计难度，减少了大量现场测量工作，减轻了设计人员的劳动强度，提高了设计准确率，降低了修改率，为产品的质量提升提供了坚实的基础。AVEVA E3D与AM数据通用的特性，也降低了软件的使用要求，提高了适用性;
（2）基于激光三维扫描数据的处理还有很大的提升空间。比如扫描数据的定位问题，由于依靠的是人工定位，多次修正只能提高准确性，但还是有偏差，需要软件优化对扫描数据的姿态调整，提高数据定位的准确性;数据的兼容性应该更强，不需要做过多的转换，如果能直接利用激光扫描数据进行三维设计，设计师的体验会更好;
（3）海洋环境保护的压力越来越大，脱硫系统改造、压载水改造、双燃料系统改造等会持续引领船舶改造市场。未来的造船修船都将建立在智能化，自动化，数字化的基础上，低效重复工作将会被更优化的工具取代，先进制造方法将为企业提升产品质量、降低生产成本、提高企业竞争力打下坚实基础。
参考文献
[1]彭锦鸿.三维激光扫描技术及其应用探讨[J].科学与信息化， 2019 （26）：
15-15.
[2]贺婧.三维激光扫描仪点云数据的应用研究.杨凌职业技术学院学
报[J]， 2019， 18 （2）： 20-22.
[3]吴巍.AVEVA E3D建模技术在海洋工程领域中的应用[J].中国石油和
化工标准与质量， 2018， 38（04）：149-150.
关键词：三维激光扫描;AVEVA 软件;改造;设计
中图分类号：U674.98 文献标识码：A
Application of Laser Scanning Data in FSO Conversion Design
WANG Gongkai
（ China Merchants Heavy Industry（Shenzhen）Co.， Ltd.， Shenzhen 518054 ）
Abstract： In the project of converting an 110 000 t oil tanker into a floating storage and Offloading Unit （FSO）， 3D laser scanning combined with the AVEVA series 3D design software is used to realize the complete 3D modeling and drawing output of the pipeline in the system modification. This paper focuses on the application of laser scanning data in the design process of the conversion project.
Key words： 3D laser scanning; AVEVA software; Conversion; Design
1 前言
为了替换即将退役的某浮式储卸油装置（FSO），将一艘110 000 DWT的油船改造成单点浮式储卸油装置。该油轮是在2006年1月完工，至2018年计划改造时船龄已有12年。
由于时间久远，原船设计数据缺失严重，无法直接从业主方获得原船的管路、电缆布置信息及三維布置模型。此次改造工程量大，改造及新增设备管路布置与原船设备管路、电气布置有大量交接的地方，需要获取原船的设备管路、电缆通道等的布置信息才能进行后续的设计工作。因此，如何获取原船数据是一大难点;如果全部现场测量或现场放样，工作量巨大也不符合现代修造船的理念;同时，获取原船数据后如何利用这些数据在设计周期内顺利完成设计任务也是一大难点。本文介绍利用三维激光扫描工具配合AVEVA 系列三维设计软件，圆满完成将油轮改造成FSO的应用过程。
2 准备工作
高分辨率三维激光扫描仪是现场采集数据的主要工具，通过该激光扫描仪可以获取该站点360°范围的实景图像。因为是多站点数据采集，采集的数据需要经过SCENE软件的初步处理;而为了满足三维设计软件的使用，还需要用FLM软件对扫描数据进行格式转化及定位。
本文所述AVEVA 系列软件，包含FLM、AVEVA everything3D（简称E3D）及AVEVA Marine（简称AM）等软件：FLM是一款数据转换软件，可以将扫描仪获取的数据转化成E3D能够识别的点云数据，并参照实船坐标系对点云数据进行姿态调整及定位;E3D是AVEVA公司在AM基础上研发的一款功能强大的三维建模软件;AM是一款基于数据库的三维建模设计软件，包含部件库规格书、三维建模、图纸输出等主要模块。
E3D的突出优势是可以将激光扫描数据处理后作为真实环境参考，在此基础上进行改造设计，它没有船体建模模块，直接利用激光扫描数据作为背景参考，在改造项目的设计方面具有独特优势，减少了大量的现场勘察、测量等工作;E3D还可以与AM软件实现数据共享，充分利用既有的标准及部件库，减少了重复工作，提高了设计效率。本项目即利用了E3D这一特点进行数据库管理及图纸的输出。
3 数据流程
整体数据流程如图1所示：前面3步是准备工作阶段，后面2步正式开始设计工作。
3.1 采集数据
使用激光三维扫描仪对所需区域进行站点扫描，获取该区域的原始状态。这是基本数据的最初来源，决定后期设计的背景参照是否清晰明确。需要注意的是，站点的分布及数量决定了扫描数据的质量，需要进行综合考虑：站点太多，扫描耗时长，数据量大，处理过程复杂;站点太少，处理后数据会模糊不清晰，更有可能会缺失相关信息，给设计带来不利影响。因为扫描数据不影响船舶的运行，故可以提前进行。在船舶未进厂之前就可以得到船舶的实际状态，减少船舶停产改造时间，缩短改造工期，提高改造效率。
3.2 数据处理
对采集而来的原始数据进行初步处理。由于三维激光扫描是将扫描设备放置到一个个站点得到的数据，数据量大而分散，需要将这些站点数据利用相关软件转换成一个整体的激光扫描数据模型。这里需要用到与扫描仪匹配的SCENE软件，对激光扫描仪获取的扫描数据进行处理和管理。
3.3 格式转换
将3.2所得的整体激光数据模型导入LFM软件，转换成标准格式FLD模型，并进行定位设置，以满足 E3D软件对激光扫描数据的识别。FLM是一款将激光扫描数据转化成点云数据的软件，可以将激光扫描所得数据转化成对应位置的一个个数据点。 激光扫描数据显示效果跟照片类似，便于观察，如图2所示;转成的点云数据是以点阵显示物体轮廓，可以抓取点来定位，如图3所示。两者只是显示的方式不同，来源于同一个数据。
3.4 数据导入
将转换完成的点云数据导入E3D，扫描模型作为改造的真实环境参考。可以进行碰撞检查、空间测量等，也可以进行逆向建模，即根据点云还原原始模型。
3.5 生产设计/文件输出
以激光扫描数据作为环境参考，进行生产设计、管路布置出图、材料提取、焊点输出等，图纸输出操作也可以利用AM软件进行。
4 点云数据在AVEVA软件中的应用
4.1 点云数据的准确定位
进行生产设计之前，要确保导入激光扫描数据定位准确性，这是非常关键的一点。本项目是油船改造为FSO，需要在整个甲板面上进行改造布置。由于甲板面长，假如XZ方向的角度偏差0.5?，造成甲板的高度偏差可能接近1 m，导致输出的图纸信息与实际的安装信息不一致。
在项目实践中，是在软件中理论位置建立几个关键的甲板或者舱壁，与激光扫描数据的甲板或者舱壁进行比较，如果偏差较大，则需要对激光扫描数据进行定位修正，再导入AVEVA E3D检查。这是一个不断修正的过程，保证激光扫描数据处于准确的船体座标系上。
图4是经过调整后的点云数据，可以看到与理论船体座标系已经非常接近。点云数据的定位是非常重要的准备工作，特别是长甲板的船型改造项目。
4.2 模型的建立
点云数据定位之后，就可以进行管系、设备、电气等模型的建立：
（1）可以實现逆向建模，即由点云数据形成的图像通过三维建模的方法，把原船的管路结构等模拟出来。这种情况主要用于与原船有交接的管路，例如在原船管路上开支管等，都需要将原船管路模拟出来，再进行后续处理，如图5所示。
完全的逆向建模实际上不利于提高设计效率，工作量极大，没有太大的意义。为提高设计效率，一般对起参考作用的点云数据不进行逆向建模，直接参考点云数据即可;
（2）是设备的布置。油船改为FSO需要增加不少油气的输入输出设备以及辅助安全设备。这里涉及到两个问题：一个是设备的布置;另一个是设备接口管路的连接。
由于原船是油船，主甲板管路相对集中，甲板空余面积足够，只需将少量管路调整移开即可：而布置FSO的油气设备时，可以直接以点云背景将设备布置在合适的地方，避免后期安装设备时才发现干涉造成修改;
对于设备接口管路连接，由于有点云数据做背景，可以准确建立设备模型及布置位置，明确接口等信息，进行管路建模，形成完整的三维模型数据;
（3）是系统建模。油船改为FSO，设备多、系统杂、与原船管路交叉多。如果依赖现场放样，工作量大且效率低，无法满足改造时间及船东对于三维设计的要求。甲板惰气、货油、泡沫、污油水等系统都存在交叉改造内容，一部分拆除，一部分接入新系统，对现场管理要求很高。点云数据的应用极大减轻了生产的压力。
首先，点云数据相当于固定了原船的模型数据，对于管路复原拆装起指导作用;而且可以在电脑上对需要拆除的管路提前进行梳理，减轻现场工作的劳动强度;其次，设计方面以导入的点云数据为环境参考，在此基础上进行各专业需要进行改造的设计建模。
E3D的交互建模跟AM一样，各专业同时进行建模，并可以随时检查相关模型与原船管路设备的相对位置关系;跟AM最大的区别在于：AM是船体专业先建模，其他各专业在船体背景上进行生产设计;E3D是没有船体建模的，点云数据就相当于AM的船体背景。这也是E3D的优势所在，因为改造项目很难获取原船的三维设计数据，没有原船结构数据新的设计就只能建立在空中楼阁上，E3D很好的解决了这个难点，这对改造项目的设计是一个极大的提升。利用点云数据，结合三维设计软件，大大提升了生产设计效率，而且修改率保持在5%以下，这是以往改造项目很难达到的成绩。图6为新增管路在点云数据中的显示效果。
4.3 图纸输出
因为改造工程量大，为提高生产效率，生产设计图纸需满足从内场零件制作到外场现场安装的全流程要求，尽量做到所有管子车间预制、外场安装，减少现场配管;利用E3D与AM的数据共享特性，在具有完善定制开发的AM中实现材料及图纸的输出。综合利用两者的优势，圆满完成了改造项目按造船标准出图的设计工作;利用AM强大的开发兼容性能，自动提取所有管路焊点并实现焊点的全流程追踪过程，满足了FSO项目对焊接质量的严格控制要求。
5 总结
（1）采用三维激光扫描与AVEVA 系列软件结合使用的方法，圆满解决了如何将实船数据直接应用到计算机端进行设计的难题;并通过软件的二次开发，快捷准确高效的提取管路焊点，满足FSO特殊需要。实践表明，这种基于激光三维扫描数据的AVEVA E3D软件进行的生产设计，大大缩短了设计时间，降低了设计难度，减少了大量现场测量工作，减轻了设计人员的劳动强度，提高了设计准确率，降低了修改率，为产品的质量提升提供了坚实的基础。AVEVA E3D与AM数据通用的特性，也降低了软件的使用要求，提高了适用性;
（2）基于激光三维扫描数据的处理还有很大的提升空间。比如扫描数据的定位问题，由于依靠的是人工定位，多次修正只能提高准确性，但还是有偏差，需要软件优化对扫描数据的姿态调整，提高数据定位的准确性;数据的兼容性应该更强，不需要做过多的转换，如果能直接利用激光扫描数据进行三维设计，设计师的体验会更好;
（3）海洋环境保护的压力越来越大，脱硫系统改造、压载水改造、双燃料系统改造等会持续引领船舶改造市场。未来的造船修船都将建立在智能化，自动化，数字化的基础上，低效重复工作将会被更优化的工具取代，先进制造方法将为企业提升产品质量、降低生产成本、提高企业竞争力打下坚实基础。
参考文献
[1]彭锦鸿.三维激光扫描技术及其应用探讨[J].科学与信息化， 2019 （26）：
15-15.
[2]贺婧.三维激光扫描仪点云数据的应用研究.杨凌职业技术学院学
报[J]， 2019， 18 （2）： 20-22.
[3]吴巍.AVEVA E3D建模技术在海洋工程领域中的应用[J].中国石油和
化工标准与质量， 2018， 38（04）：149-150.