1-2025-中欧管道-冯新.pdf

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1、1基于3D点云的排水管道性能精准量化及预测性维护技术研究冯新，李明昊辽宁省工程防灾减灾重点实验室大连理工大学建设工程学院2025.032主要内容CONTENTS一、研究背景与意义二、基于3D点云的排水管道精准量化三、基于3D点云的管道腐蚀预测性维护四、结论301 研究背景与意义4一、研究背景与意义2023年底排水管道总长度已达93.5万公里管网规模剧增住建部中国建设统计年鉴 地下管网是城市生命线工程，是当前我国城市更新工作的重点2024开年“新闻联播”和“朝闻天下”先后报道未来我国将每年改造10万公里以上的地下管网 5一、研究背景与意义 管道老化失修现象普遍，结构性和功能性病害频发渗漏变形开裂

2、脱节30多个城市地下管网调研表明，平均每公里渗漏、破裂、变形等结构性病害约24 处 管道外渗导致环境污染，而内渗则造成污水处理效率低下 管道结构性病害是造成道路坍塌的主要隐患6一、研究背景与意义 排水管道性能检测：确定管道健康状况，评估修复与更新需求，提高管理维护效率CCTV潜望镜声呐LiDAR7一、研究背景与意义 排水管道检测技术对比检测技术优势局限性CCTV直观可视，适合复杂形态破损（开裂、脱节、错口）和淤积的检测只能检测水面以上，难以量化（相机视角、畸变）潜望镜快速，低成本只能检测入口及附近区域，无法深入管道内部声呐适合满水工况，可有效识别淤积和泄漏精度较低，难以检测微小裂缝LiDAR管

3、道几何特征的三维建模，可进行管道变形和腐蚀深度的量化无法适应满水或高水位工况，数据处理复杂，量化精度有待提高8一、研究背景与意义三维激光扫描内检测点云轴向提取及预处理检测数据机器学习切片中心校准管道截面形状的精准建模密度聚类和几何特征提取横截面切片LMedSDBSCAN管道变形评价功能性缺陷评价管壁腐蚀评价腐蚀关键因素识别腐蚀发展预测贝叶斯更新时变可靠度 管道截面形状并非规则的圆/椭圆（变形、腐蚀、破损）点云数据包含了大量噪声和异常值点，快速且精准刻画管道复杂曲面几何形状具有挑战性902 基于3D点云的排水管道性能精准量化103D点云数据预处理 轴线对齐：保证了点云切片对管道截面的精准表达St

4、ep1:原始激光扫描点云的方向是任意的，需要首先将管道轴线与坐标系（z-轴）平行Step2:减少计算复杂度和耗时，采用体素采样简化原始点云Step3:计算管道轴线向量，对点云进行法向量计算Step4:对点云法向量进行归一化，并投影到高斯球面，使用RANSAC法拟合最优平面，平面法向量即为管道轴线方向Step5:根据轴线向量，计算旋转矩阵R。将原始点云进行旋转对齐=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基于密度和机器学习的点云聚类、拟合3D-to-2D:三维点云计算复杂度高，需要降维，沿管道轴向切片获得二维切片区域沿z轴边界为：b_min+(1)b_min+切片点云数据分为三类:内部和外部的异常值，由场景内的异常反射造成 管道轮廓线，位于最密位置，由管道内表面直接反射 噪声点，大部分位于主点云，由设备测量误差造成 特征提取：基于点云切片的分布特征的DBSCAN，克服常用方法依赖圆/椭圆假定的局限12基于LMedS算法的切片中心位置校准 切片中心校准：解决扫描仪位置随机导致的点云切片中心与坐标原点的偏离问题LM ed

6、S算法：,=+=04 0五参数椭圆函数从点云中随机抽取5个点，计算上式参数，重复Nm次，得到Nm个椭圆模型。对Nm个模型计算残差平方中值，由最小残差平方中值确定椭圆方程_ _=2_=(,_?,_?+,_?,_?+,_?,_?+,_?,_?),=min med _ _根据椭圆方程计算内点、外点=1.4826(1+5 5)med(_,)_=1,?_ 2.50,?_ 2.5内内点点外外点点扫描仪扫描仪位置位置13基于DBSCAN和参数估计的机器学习聚类与拟合 几何特征提取：消除测量噪声，通过切片几何特征估计精确提取管道不规则几何形状坐标变换和单元划分：笛卡尔坐标系变换到极坐标系_=arctan(_,