Автоматизована система для калібрування резервуарів сталевих циліндричних горизонтальних геометричним методом

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБезуглий, Михайло Олександрович
dc.contributor.authorПроскуренко, Денис Миколайович
dc.date.accessioned2026-07-23T12:31:47Z
dc.date.available2026-07-23T12:31:47Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractДисертація 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.
dc.description.abstractotherDissertation for the degree of Doctor of Philosophy in Field of Knowledge 15 – Automation and Instrumentation, Specialty 151 – Automation and ComputerIntegrated Technologies. – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to solving a relevant scientific and applied problem of improving the accuracy and efficiency of calibration of horizontal cylindrical steel tanks through the development of an automated hardware–software system based on three-dimensional laser scanning and geometric analysis of spatial data. The necessity of such research is обусловлена the increasing requirements for the accuracy of liquid accounting in the oil and gas, chemical, energy, and transportlogistics industries, where even minor errors in determining tank capacity may lead to significant economic losses, distortion of commercial accounting results, and reduced reliability of metrological support. Existing calibration methods, in particular volumetric and geometric ones, have a number of limitations related to high labor intensity, insufficient level of automation, and simplified consideration of tank geometry, which is usually assumed to be idealized. Under real operating conditions, tanks are subject to deformations, manufacturing deviations, local irregularities, and other factors that affect the accuracy of capacity determination. In this regard, the application of methods that allow taking into account the actual geometry of the object based on high-precision 3D scanning becomes especially relevant. The aim of the dissertation research is to improve the accuracy of calibration of horizontal cylindrical steel tanks by enhancing the geometric method based on the use of a 3D point cloud and developing an automated system that provides a full data processing cycle—from scanning to the generation of a millimeter-resolution calibration table. To achieve this goal, a set of interrelated theoretical and experimental studies has been carried out. The introduction substantiates the relevance of the topic, formulates the goal and objectives of the research, defines the object and subject of the study, describes the methods and tools used, and presents the scientific novelty, practical significance, and the author’s contribution. The first chapter provides a systematic analysis of existing tank calibration methods, including volumetric, geometric, and combined approaches. The regulatory and methodological framework for calibration processes and modern technical means of their implementation are considered. Particular attention is paid to the limitations of traditional methods in terms of automation and accounting for the actual geometry of tank surfaces. It is established that existing approaches do not ensure sufficient integration of data acquisition, processing, and analysis, and also lack effective tools for assessing the quality of 3D data. Based on the analysis, the research problem is formulated, which consists in developing an automated calibration system that accounts for the actual tank geometry and provides adaptive control of the scanning process. The second chapter presents the developed structure of the automated tank calibration system based on the geometric method, which includes subsystems for data acquisition, 3D point cloud quality assessment, scanner position control, spatial data processing, and calibration result generation. An analytical model of the system operation is proposed, describing the relationships between its components and defining the decision-making logic for adaptive vertical positioning of the 3D scanner. A method for assessing the quality of the 3D point cloud has been developed, based on the analysis of parameters such as point density, noise level, surface coverage completeness, and the presence of outliers. Based on these indicators, a decision-making algorithm is implemented to determine the necessity of re-scanning and to define the direction and magnitude of scanner displacement. This ensures adaptive formation of a complete and representative model of the tank surface. A combined method for 3D point cloud segmentation is proposed, which integrates the iterative RANSAC algorithm for extracting the cylindrical part of the tank and DBSCAN clustering for identifying the end caps. Further refinement of segment boundaries is performed based on the analysis of surface normals and curvature, which improves the accuracy of geometric feature extraction. Based on the segmented data, mathematical models are developed for determining the geometric parameters of the cylindrical part and end caps, taking into account their actual shape. The third chapter presents the results of experimental studies of the developed system. The algorithms for 3D point cloud quality assessment and adaptive scanner positioning have been validated, confirming their effectiveness in ensuring complete surface coverage and reducing the number of repeated scans. The accuracy of the combined segmentation method has been investigated, showing a reduction in the error of geometric parameter determination to 2–3%. Special attention is paid to evaluating the accuracy of calibration table generation. It is shown that accounting for the actual tank geometry improves the accuracy of capacity determination compared to traditional methods based on idealized geometric models. An analysis of the influence of measurement noise, nonuniform point distribution, and structural deformations on calibration results is carried out. The fourth chapter describes the implementation of the hardware–software part of the automated system. The choice of an industrial-grade 3D laser scanner providing high accuracy and point density is substantiated. A mechanical system for vertical movement of the scanner is developed, enabling adaptive adjustment of its position based on the quality assessment results. The control system is implemented using a microcontroller platform with electromechanical drives that ensure the required positioning accuracy. The software «Automated Calibration Table Calculation» has been developed, implementing the full data processing cycle: loading the 3D point cloud, preprocessing, segmentation, determination of geometric parameters, calculation of filling volumes, and generation of a millimeter-resolution calibration table. The software automatically generates results in .xlsx format and reports in .docx format, which meets the requirements of practical application in metrological activities. The obtained results demonstrate that the developed automated system provides a comprehensive solution to the problem of tank calibration through the integration of measurement, data processing, and analysis processes. The improvement of the geometric method through the use of a 3D point cloud makes it possible to account for the real surface shape of the tank, thereby increasing the accuracy and reliability of capacity determination. The proposed methods for data quality assessment and adaptive scanning control improve the efficiency of data acquisition and reduce the influence of the human factor. The developed algorithmic, software, and hardware solutions have practical value and can be implemented in the activities of fuel and energy enterprises, oil depots, chemical industries, and metrological services. They also provide a basis for further development of intelligent automated calibration systems and digital technologies for monitoring the geometric parameters of industrial objects.
dc.format.extent303 с.
dc.identifier.citationПроскуренко, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/82266
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectавтоматизація
dc.subjectкалібрування
dc.subjectрезервуар
dc.subject3Dмоделювання
dc.subjectтривимірна складна модель
dc.subjectзакрита циліндрична оболонка
dc.subjectциліндрична оболонка
dc.subjectсканування
dc.subjectхмара точок
dc.subjectмультихмара
dc.subjectавтоматизована система
dc.subjectінформаційні системи
dc.subjectвимірювання
dc.subjectконтроль якості
dc.subjectсистема автоматичного управління
dc.subjectкомп'ютерно-інтегровані технології
dc.subjectautomation
dc.subjectcalibration
dc.subjecttank
dc.subject3D modeling
dc.subjectthree-dimensional complex model
dc.subjectclosed cylindrical shell
dc.subjectcylindrical shell
dc.subjectscanning
dc.subjectpoint cloud
dc.subjectmulticloud
dc.subjectautomated system
dc.subjectinformation systems
dc.subjectmeasurement
dc.subjectquality control
dc.subjectautomatic control system
dc.subjectcomputer-integrated technologies
dc.subject.udc681.518:006.91
dc.titleАвтоматизована система для калібрування резервуарів сталевих циліндричних горизонтальних геометричним методом
dc.title.alternativeAutomated System for Calibration of Horizontal Steel Cylindrical Tanks by the Geometric Method
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Proskurenko_dys.pdf
Розмір:
8.47 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КІТВП)
Дисертації (вільний доступ)