Автоматизована система для калібрування резервуарів сталевих циліндричних горизонтальних геометричним методом
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі
знань 15 – Автоматизація та приладобудування за спеціальністю 151 –
Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології. – Національний
технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науковоприкладної задачі підвищення точності та ефективності калібрування сталевих циліндричних горизонтальних резервуарів шляхом розроблення автоматизованої програмно-апаратної системи, що базується на використанні тривимірного лазерного сканування та геометричного аналізу просторових даних. Необхідність виконання таких досліджень обумовлена зростанням вимог до точності обліку рідких продуктів у нафтогазовій, хімічній, енергетичній та транспортно-логістичній галузях, де навіть незначні похибки у визначенні місткості резервуарів можуть призводити до суттєвих економічних втрат, викривлення результатів комерційного обліку та зниження
достовірності метрологічного забезпечення.
Існуючі методи калібрування, зокрема об’ємний та геометричний,
мають ряд обмежень, пов’язаних із трудомісткістю, недостатнім рівнем
автоматизації, а також спрощеним урахуванням геометрії резервуара, що, як правило, розглядається як ідеалізована. У реальних умовах експлуатації резервуари зазнають деформацій, мають технологічні відхилення форми, локальні нерівності та інші фактори, які впливають на точність визначення їх місткості. У зв’язку з цим особливої актуальності набуває застосування методів, що дозволяють враховувати фактичну геометрію об’єкта на основі високоточного 3D-сканування.
Метою дисертаційного дослідження є підвищення точності
калібрування сталевих циліндричних горизонтальних резервуарів шляхом удосконалення геометричного методу на основі використання 3D-хмари точок та створення автоматизованої системи, яка забезпечує повний цикл оброблення даних — від сканування до формування поміліметрової градуювальної таблиці.
Для досягнення поставленої мети у роботі виконано комплекс
взаємопов’язаних теоретичних та експериментальних досліджень. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання
дослідження, визначено об’єкт і предмет дослідження, наведено методи та засоби, що використовуються в роботі, розкрито наукову новизну, практичне значення та особистий внесок здобувача.
У першому розділі проведено системний аналіз існуючих методів
калібрування резервуарів, включаючи об’ємні, геометричні та комбіновані підходи. Розглянуто нормативно-методичне забезпечення процесів калібрування та сучасні технічні засоби їх реалізації. Особливу увагу приділено аналізу обмежень традиційних методів у контексті автоматизації та врахування реальної геометрії поверхні резервуарів. Встановлено, що існуючі підходи не забезпечують достатньої інтеграції процесів збору, оброблення та аналізу даних, а також не містять ефективних засобів оцінювання якості отриманих 3D-даних. На основі проведеного аналізу сформульовано постановку задачі дослідження, яка полягає у створенні автоматизованої системи калібрування з урахуванням фактичної геометрії резервуара та
адаптивного керування процесом сканування.
У другому розділі розроблено структуру автоматизованої системи
калібрування резервуарів геометричним методом, яка включає підсистеми збору даних, оцінювання якості 3D-хмари точок, керування положенням сканера, оброблення просторових даних та формування результатів калібрування. Запропоновано аналітичну модель функціонування системи, що описує взаємозв’язки між її складовими та визначає логіку прийняття рішень щодо адаптивного переміщення 3D-сканера у вертикальній площині.
Розроблено метод оцінювання якості 3D-хмари точок, який базується
на аналізі таких характеристик, як щільність розподілу точок, рівень шуму, повнота покриття поверхні та наявність викидів. На основі цих показників реалізовано алгоритм прийняття рішень щодо необхідності повторного сканування та визначення напряму і величини переміщення сканера. Це дозволяє забезпечити адаптивне формування повної та репрезентативної моделі поверхні резервуара.
Запропоновано комбінований метод сегментації 3D-хмари точок, який
поєднує використання ітераційного алгоритму RANSAC для виділення
циліндричної частини резервуара та кластеризації методом DBSCAN для
визначення днищ. Подальше уточнення меж сегментів здійснюється на основі аналізу нормалей та кривизни поверхні, що забезпечує підвищення точності виділення геометричних елементів. На основі сегментованих даних розроблено математичні моделі визначення геометричних параметрів циліндричної частини та днищ резервуара з урахуванням їх реальної форми.
У третьому розділі наведено результати експериментальних
досліджень розробленої системи. Проведено апробацію алгоритмів
оцінювання якості 3D-хмари точок та адаптивного керування положенням сканера, що підтвердило їх ефективність у забезпеченні повноти покриття поверхні резервуара та зменшенні кількості повторних сканувань. Виконано дослідження точності комбінованого методу сегментації, за результатами якого встановлено зменшення похибки визначення геометричних параметрів до рівня 2–3 %.
Окрему увагу приділено оцінюванню точності формування
градуювальних таблиць. Показано, що врахування фактичної геометрії
резервуара дозволяє підвищити точність визначення місткості порівняно з традиційними методами, які базуються на ідеалізованих геометричних моделях. Проведено аналіз впливу шуму вимірювань, нерівномірності
розподілу точок та деформацій конструкції на результати калібрування.
У четвертому розділі описано реалізацію програмно-апаратної
частини автоматизованої системи. Обґрунтовано вибір 3D-лазерного сканера промислового класу, який забезпечує високу точність і щільність вимірювань.
Розроблено механічну систему переміщення сканера у вертикальній площині, що дозволяє реалізувати адаптивну зміну його положення відповідно до результатів оцінювання якості сканування. Система керування побудована на основі мікроконтролерної платформи з використанням електромеханічних приводів, що забезпечують необхідну точність позиціонування.
Розроблено програмне забезпечення «Автоматизований розрахунок
градуювальної таблиці», яке реалізує повний цикл оброблення даних:
завантаження 3D-хмари точок, її попередню фільтрацію, сегментацію,
визначення геометричних параметрів, розрахунок об’ємів наповнення та
формування поміліметрової градуювальної таблиці. Програмний продукт
забезпечує автоматичну генерацію результатів у вигляді електронних таблиць формату .xlsx та текстових звітів формату .docx, що відповідає вимогам практичного використання в метрологічній діяльності.
Узагальнення отриманих результатів показало, що розроблена
автоматизована система забезпечує комплексне вирішення задачі
калібрування резервуарів на основі інтеграції процесів вимірювання,
оброблення та аналізу даних. Удосконалення геометричного методу за
рахунок використання 3D-хмари точок дозволило врахувати реальну форму поверхні резервуара, що підвищило точність і достовірність визначення його місткості. Запропоновані методи оцінювання якості даних та адаптивного керування процесом сканування забезпечують підвищення ефективності отримання вихідної інформації та зменшення впливу людського фактору.
Розроблені алгоритмічні, програмні та технічні рішення мають
практичну цінність і можуть бути впроваджені у діяльність підприємств
паливно-енергетичного комплексу, нафтобаз, хімічних виробництв та метрологічних служб. Вони також створюють основу для подальшого
розвитку інтелектуальних систем автоматизованого калібрування та цифрових технологій контролю геометричних параметрів промислових об’єктів.
Опис
Ключові слова
автоматизація, калібрування, резервуар, 3Dмоделювання, тривимірна складна модель, закрита циліндрична оболонка, циліндрична оболонка, сканування, хмара точок, мультихмара, автоматизована система, інформаційні системи, вимірювання, контроль якості, система автоматичного управління, комп'ютерно-інтегровані технології, automation, calibration, tank, 3D modeling, three-dimensional complex model, closed cylindrical shell, cylindrical shell, scanning, point cloud, multicloud, automated system, information systems, measurement, quality control, automatic control system, computer-integrated technologies
Бібліографічний опис
Проскуренко, Д. М. Автоматизована система для калібрування резервуарів сталевих циліндричних горизонтальних геометричним методом : дис. … д-ра філософії : 15 – Автоматизація та приладобудування / Проскуренко Денис Миколайович. – Київ, 2026. – 303 с.