1-2025-中歐管道-馮新.pdf

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1、1基于3D點云的排水管道性能精準量化及預測性維護技術研究馮新，李明昊遼寧省工程防災減災重點實驗室大連理工大學建設工程學院2025.032主要內容CONTENTS一、研究背景與意義二、基于3D點云的排水管道精準量化三、基于3D點云的管道腐蝕預測性維護四、結論301 研究背景與意義4一、研究背景與意義2023年底排水管道總長度已達93.5萬公里管網規模劇增住建部中國建設統計年鑒 地下管網是城市生命線工程，是當前我國城市更新工作的重點2024開年“新聞聯播”和“朝聞天下”先后報道未來我國將每年改造10萬公里以上的地下管網 5一、研究背景與意義 管道老化失修現象普遍，結構性和功能性病害頻發滲漏變形開裂

2、脫節30多個城市地下管網調研表明，平均每公里滲漏、破裂、變形等結構性病害約24 處 管道外滲導致環境污染，而內滲則造成污水處理效率低下 管道結構性病害是造成道路坍塌的主要隱患6一、研究背景與意義 排水管道性能檢測：確定管道健康狀況，評估修復與更新需求，提高管理維護效率CCTV潛望鏡聲吶LiDAR7一、研究背景與意義 排水管道檢測技術對比檢測技術優勢局限性CCTV直觀可視，適合復雜形態破損（開裂、脫節、錯口）和淤積的檢測只能檢測水面以上，難以量化（相機視角、畸變）潛望鏡快速，低成本只能檢測入口及附近區域，無法深入管道內部聲吶適合滿水工況，可有效識別淤積和泄漏精度較低，難以檢測微小裂縫LiDAR管

3、道幾何特征的三維建模，可進行管道變形和腐蝕深度的量化無法適應滿水或高水位工況，數據處理復雜，量化精度有待提高8一、研究背景與意義三維激光掃描內檢測點云軸向提取及預處理檢測數據機器學習切片中心校準管道截面形狀的精準建模密度聚類和幾何特征提取橫截面切片LMedSDBSCAN管道變形評價功能性缺陷評價管壁腐蝕評價腐蝕關鍵因素識別腐蝕發展預測貝葉斯更新時變可靠度 管道截面形狀并非規則的圓/橢圓（變形、腐蝕、破損）點云數據包含了大量噪聲和異常值點，快速且精準刻畫管道復雜曲面幾何形狀具有挑戰性902 基于3D點云的排水管道性能精準量化103D點云數據預處理 軸線對齊：保證了點云切片對管道截面的精準表達St

4、ep1:原始激光掃描點云的方向是任意的，需要首先將管道軸線與坐標系（z-軸）平行Step2:減少計算復雜度和耗時，采用體素采樣簡化原始點云Step3:計算管道軸線向量，對點云進行法向量計算Step4:對點云法向量進行歸一化，并投影到高斯球面，使用RANSAC法擬合最優平面，平面法向量即為管道軸線方向Step5:根據軸線向量，計算旋轉矩陣R。將原始點云進行旋轉對齊=111213212223313233=cos(arctan()0sin(arctan()010sin(arctan()0cos(arctan()1000cos(arctan()sin(arctan()0sin(arctan()cos(

5、arctan()cos(0)sin(0)0sin(0)cos(0)000111基于密度和機器學習的點云聚類、擬合3D-to-2D:三維點云計算復雜度高，需要降維，沿管道軸向切片獲得二維切片區域沿z軸邊界為：b_min+(1)b_min+切片點云數據分為三類:內部和外部的異常值，由場景內的異常反射造成 管道輪廓線，位于最密位置，由管道內表面直接反射 噪聲點，大部分位于主點云，由設備測量誤差造成 特征提?。夯邳c云切片的分布特征的DBSCAN，克服常用方法依賴圓/橢圓假定的局限12基于LMedS算法的切片中心位置校準 切片中心校準：解決掃描儀位置隨機導致的點云切片中心與坐標原點的偏離問題LM ed

6、S算法：,=+=04 0五參數橢圓函數從點云中隨機抽取5個點，計算上式參數，重復Nm次，得到Nm個橢圓模型。對Nm個模型計算殘差平方中值，由最小殘差平方中值確定橢圓方程_ _=2_=(,_?,_?+,_?,_?+,_?,_?+,_?,_?),=min med _ _根據橢圓方程計算內點、外點=1.4826(1+5 5)med(_,)_=1,?_ 2.50,?_ 2.5內內點點外外點點掃描儀掃描儀位置位置13基于DBSCAN和參數估計的機器學習聚類與擬合 幾何特征提?。合郎y量噪聲，通過切片幾何特征估計精確提取管道不規則幾何形狀坐標變換和單元劃分：笛卡爾坐標系變換到極坐標系_=arctan(_,

7、_,)180_=_,2+_,2單元劃分_=_=_,_ cal,=1,r,=1,slice=1,360,1 ,360第i個切片的第k個單元單元劃分間隔掃描測量誤差坐標系變換DBSCAN密度聚類算法：參數(,)幾何特征粗提取幾何特征精細提取切片全部單元定義數據點周圍的鄰域距離閾值（半徑），由”k-distance”函數拐點確定，k=2*維度-1=3定義在半徑范圍內的鄰域數據點的最小數據量，取值k+1確定=414管道截面幾何變形建?；诿芏鹊膮^域生長：為提高效率，合并高度相似的相鄰區域變形評價：,=,_,其中min+1 min+,=1,max min,=1,slice,=,_,其中min+1 thr

8、es,=1maxmin,_,_ thres沿x 軸沿y 軸幾何模型可動態更新，在全生命周期內支持進行截面變形動態量化評估。幾何建模（頂點-三角面-網格法）=max 180+,0 180base,100%根據規范DNVOSF101，CJJ 1812012，混凝土管道徑向變形指標的閾值可設定為2%，金屬管道的閾值可設定為5%基于密度的區域增長：通過高度相似相鄰區域的合并提高幾何建模的計算效率15模型試驗 試驗驗證：共進行了十三組試驗，通過全站儀測量結果和點云處理結果的對比，驗證所提方法的計算精度。組編號變形量（m）采樣分辨率掃描時長點數Case 101.534mm10m1h:56m:00s7,62

9、3,5291-10.0191.534mm10m1h:56m:00s7,356,2341-20.0381.534mm10m1h:56m:00s7,205,3771-30.0571.534mm10m1h:56m:00s7,666,036Case 206.136mm10m0h:30m:34s1,021,1392-10.0196.136mm10m0h:30m:34s801,9722-20.0386.136mm10m0h:30m:34s828,6982-30.0576.136mm10m0h:30m:34s7,22,145Case 3012.272mm10m0h:09m:06s210,2033-10.01

10、712.272mm10m0h:09m:06s220,3503-20.03612.272mm10m0h:09m:06s232,6603-30.05512.272mm10m0h:09m:06s175,210Case 4012.272mm10m0h:09m:06s129,053儀器設備類型數據格式角精度測距精度FARO Focuss70激光掃描儀含有大量噪聲和異常值的3D點云數據19”10米處的標準差為2毫米，25米處的標準差為3.5毫米Leica FlexLineTS07全站儀單個精確的數值0.5”1毫米+每公里增加1.5毫米的誤差,0=,02+,02 2,0,0cos,0,1=,12+,12 2

11、,1,1cos,1,=,1,0,0=,02+,02 2,0,0cos,0,1=,12+,12 2,1,1cos,1,=,1,0=,表示點云處理結果中第i個標記與第j個標記間距離的誤差；,和,分別表示從點云和全站儀中獲得的變形值；,0，,1和,0，,1分別是變形前后的點云與全站儀的第i個和第j個標記點之間的距離；O代表全站儀的位置，C代表點云切片的中心，0（0）和 1（1）表示變形前后第i個（第j個）標記點的位置。試驗參數激光掃描儀和全站儀技術參數試驗裝置及誤差計算示意圖誤差計算方法16模型試驗1mm1mm1.1mm15.2mm計算時長僅為KDE的7%，效率提升14.5倍計算效率對比結果誤差統計

12、與對比結果：所提方法的平均誤差1mm魯棒性對比結果：統計濾波與體素法未有效剔除異常值 精度與效率試驗：所提出方法、核密度估計法、統計濾波法、體素采樣法5.9mm121mm1.9mm2.7mm所提方法及核密度估計法平均誤差均低于1mm的誤差，統計濾波法為1.1mm，而體素采樣法達15.2mm。運行時間僅為核密度估計法的 7%，效率提升14.5倍，百萬級點云處理時間分鐘級，在海量點云數據處理方面具有顯著優勢。17模型試驗管道幾何變形的量化評價流程變形動態量化評價指標現有管道幾何模型普遍采用圓截面擬合的靜態模型，多用于設計施工階段；CCTV方法的變形測量精度不高。通過采取定期激光雷達內檢測，所建立幾

13、何模型具備與物理管道的交互能力，實現了管道內表面變形的高精度動態量化。z=25mm橫截面為例4.65%變形率對應直徑發生的最大變形量絕對值僅為18.8mm，體現毫米級精度對數字孿生體刻畫幾何變形的重要性 管道變形性能精準量化1803 基于3D點云的管道腐蝕預測性維護19混凝土排污管道的腐蝕模型 Pomeroy模型（EPA、ASCE）=11.5 腐蝕速率：=0.7 38 平均硫化氫通量:酸反應比例:管壁酸消耗能力:0.17-0.24：花崗巖骨料0.9-1.1:鈣質骨料0.4：砂漿內襯管道0.5：石棉水泥管道c=0,腐蝕深度：兩階段腐蝕模型20混凝土排污管道的腐蝕模型=0.7 38 平均硫化氫通量

14、:=1 23 12流速：粗糙度系數：(0.013)pH值系數：溶解硫化物濃度：=2 sin 2 混凝土微生物腐蝕 Pomeroy模型（EPA、ASCE）21混凝土排污管道的腐蝕評價及預測腐蝕因素酸反應比例酸消耗能力pH值硫化物濃度c=0,腐蝕深度：Pomeroy模型=11.5 =0.7 38？223D點云數據與混凝土排污管道腐蝕評價及預測管道腐蝕的3D點云檢測腐蝕壁厚損失分布基于壁厚損失分布的腐蝕因素識別23基于3D點云數據的腐蝕模型貝葉斯更新c=,0 貝葉斯公式 =,0 ,0,0,0 ,0 0腐蝕模型參數的后驗分布：模型參數后驗分布的求解超參數后驗估計：=貝葉斯更新先驗分布后驗分布似然（證據

15、）24基于3D點云數據的腐蝕模型貝葉斯更新,0=,0 0,0=arg max,0,0 腐蝕模型參數更新轉化為超參數的聯合后驗分布最大化后驗先驗25基于貝葉斯更新的排污管道混凝土腐蝕可靠度與預測性運維腐蝕失效極限狀態：0 0腐蝕壽命可靠度：Pr =Pr 0=0,Pr =Pr ,0=0 ,=0 ,壽命可靠度示意圖26排污管道混凝土腐蝕可靠度與預測性運維Pr =Pr 0=0,PrPr =Pr ,0=0 ,Pr,時間相關可靠度預測的維護時間：=時間相關可靠度預測的檢測時間：,=,混凝土排污管道腐蝕的預測性運維實現流程27案例研究澳大利亞珀斯排污管道腐蝕試件監測地點與環境條件監測時間：2010-2014

16、管齡：新建管道、70年舊管道試件位置：管頂腐蝕深度測量：LiDAR監測量：H2S氣體濃度 氣溫 濕度監測地點：Perth MS(A)Perth Bibra Lake(B)28案例研究澳大利亞珀斯排污管道腐蝕試件新試件（Perth A）新試件（Perth B）更新值與實測值吻合較好，但Perth A進入腐蝕階段3的速度要比Perth B更快 值或pH值除反映外腐蝕階段，還是微生物菌落和氧氣濃度的指針29案例研究澳大利亞珀斯排污管道腐蝕試件舊試件（Perth A）舊試件（Perth B）對于舊試件，更新的和實測的pH值吻合非常一致，并且更新值識別試件始終處于階段330案例研究澳大利亞珀斯排污管道腐

17、蝕試件 基于點云數據的腐蝕模型更新，不但為實際的腐蝕狀態提供了解釋性的證據，而且也為腐蝕抑制措施的制定提供了理論依據 對于不同的管道，可根據更新結果確定其腐蝕階段及關鍵參數，進而制定針對性的腐蝕抑制措施Perth B:添加Mg(OH)2提高pH值，因為該處需要比高酸性環境的Perth A更低的化學藥劑投加量）Perth A:注入氧處于腐蝕階段三，可通過厭氧硫酸鹽還原菌空盒子硫化物的生產（SRB）31案例研究德克薩斯排污管道腐蝕監測及預測性運維壁厚損失3D點云檢測（服役服役28年年）根據點云檢測數據，更新管道腐蝕的關鍵參數，對腐蝕發展進行解釋基于點云數據和貝葉斯更新結果，預測管道的腐蝕壽命，并提

18、供預測性運維決策的支持壁厚損失分布32案例研究德克薩斯排污管道腐蝕監測及預測性運維SymbolDescriptionUnitMean valueCoefficient of variationProportion of acid reacting0.80.1Acid-consumption capability of the wall material0.450.18pH-dependent factor for proportion of hydrogen sulfide0.20.04Dissolved sulfide concentrationmg/L10.10Initial time o

19、f corrosion lossesYRS20.15Slope of sewer pipelinem/100m50.5Design(construction)radius of the pipelinemm7622Surface width of wastewater streammm14962Mannings roughness coefficient(m1/3)/s0.0130.00130Concrete cover of the sewer pipemm25.40.127 參數的先驗取值33案例研究德克薩斯排污管道腐蝕監測及預測性運維 根據經驗確定的腐蝕參數值與更新的腐蝕參數值差異較大，

20、但是分布得離散區間較大，這與28年的時間跨度以及1000米的管道長度因素有關，其腐蝕演化的不確定性較強，參數分布區間也較大 更新后的壁厚損失分布與實測分布吻合較好，而先驗分布與實測分布的差別非常大腐蝕參數的先驗與后驗數值的對比腐蝕深度概率分布的先驗、后驗、實測的對比腐蝕極限狀態34案例研究德克薩斯排污管道腐蝕監測及預測性運維全生命周期累積失效概率及預測性決策依據 先驗壽命可靠度嚴重背離真實檢測結果，而基于點云數據更新的后驗壽命可靠度與檢測結果吻合一致 隨著時間的增加，管道的失效概率在增加，在30年后其失效概率快速增加，需要加強檢/監測或采取必要的腐蝕抑制措施 根據啟發式的策略，可以確定第二次L

21、iDAR檢測的時間為33年（即5年后），一方面驗證預測結果，另一方面更新未來的檢測、維護規劃，避免管道發生腐蝕失效。3504 結論36 提出了基于點云密度聚類、擬合和區域生長的管道幾何特征提取方法，建立了毫米級精度和良好建模效率的管道3D幾何模型，實現了混凝土排水管道內表面變形的精準動態量化。提出了一種基于點云數據的混凝土排污管道腐蝕模型更新方法，提高了腐蝕評價的可解釋性和腐蝕發展預測的精度，為運維規劃（檢測、維護的時間）和更新計劃提供決策支持。目前研究仍然受限于數據的不足，應加強現場長期監測/檢測數據的收集，研究更加復雜場景下管道變形與腐蝕評價的不確定性量化方法結論37敬請批評指正謝 謝!馮新馮新 大連理工大學建設工程學院大連理工大學建設工程學院E-mail: