RILIEVI BASATI SU TECNOLOGIA LASER SCANNER

Vantaggi competitivi e campi applicativi in ambito impiantistico

LASER SCANNER SURVEYS

Competitive advantages and range of applications to industrial plant sector

Sommario

I livelli di accuratezza, risoluzione, affidabilità e maneggevolezza raggiunti rendono i sistemi basati su tecnologia laser scanner particolarmente idonei all’esecuzione di survey in diversi settori dell’impiantistica industriale.

Rispetto ai rilievi tradizionali, i sistemi laser scanner introducono alcuni importanti vantaggi in termini di riduzione dei tempi, dettaglio degli elementi rilevati e completezza delle informazioni acquisite, rendendo inoltre possibile la realizzazione di modelli 3D as built accurati e dettagliati dell’impianto rilevato.

Il risultato delle attività di rilievo e post processo realizzate a partire da sistemi laser scanner è, pertanto, un prodotto di immediata fruibilità per il team di project management di lavori complessi che prevedano fasi di survey, in grado di apportare benefici sostanziali all’intero progetto.

In questo articolo si analizzano, dal punto di vista delle applicazioni impiantistiche, alcuni dei vantaggi competitivi e i principali campi applicativi della tecnologia laser scanner.

Abstract

The level of accuracy, resolution, reliability and ease of handling achieved by laser scanner technology – based systems, make them particularly suitable to carry out surveys in various industrial plant sectors.

In comparison with traditional surveys, the laser scanner systems have brought some significant advantages in terms of time reduction, detail/accuracy of surveyed items and completeness of the information acquired, allowing to obtain 3D as built accurate and detailed models of the surveyed plant.

The result of both surveying and post-processing performed through the use of laser scanner systems consists of an output of immediate use for the project management team who deal with complex works requiring survey operations, able to bring substantial benefits to the whole project.

In this article, from the viewpoint of industrial plant applications, we highlight some of the competitive advantages as well as main laser scanner technology application areas.

La continua evoluzione dei sistemi laser scanner in termini di accuratezza, risoluzione e sviluppo dei software di processamento delle nuvole di punti, ha contribuito a destare un interesse sempre crescente tra gli operatori del settore impiantistico. Oggi i sistemi laser scanner permettono di acquisire in tempi brevissimi (tipicamente da 2 a 4 minuti) milioni di punti per singola scansione, rendendo facilmente identificabili tutti gli elementi di impianto e consentendo la realizzazione di modelli 3D con un grado di dettaglio impensabile da ottenere attraverso sistemi di rilievo tradizionali (figura 1). In particolare, la tecnologia a differenza di fase (phase shift), basata sull’emissione di un raggio laser, modulato su un’onda sinusoidale, e sul confronto tra la fase del raggio emesso e di quello riflesso per il calcolo della distanza percorsa, ha reso possibile la realizzazione di sistemi in grado di acquisire fino a 500.000 punti al secondo, con accuratezze nella misura lineare dell’ordine di ± 3mm a 25 m e con raggio di acquisizione di circa 80 m.

METODOLOGIE OPERATIVE E VANTAGGI COMPETITIVI

Le fasi del processo di rilievo tramite laser scanner possono essere sinteticamente descritte come segue. In primo luogo si procede con lo studio delle diverse postazioni di scansione, in modo da coprire i coni d’ombra generati dagli stessi elementi rilevati, garantendo così l’acquisizione corretta e completa di ogni singolo item costituente l’impianto. Viene quindi tracciata una rete topografica georeferenziata rispetto ai capisaldi d’impianto. I punti relativi ad ogni singola scansione, nativamente acquisiti in un sistema di coordinate locali avente come origine il centro scanner, sono successivamente georeferenziati rispetto alla rete topografica, mediante l’acquisizione in scansione di target, le cui coordinate sono contemporaneamente rilevate da una stazione totale, posizionata sui vertici della rete topografica. Il risultato è un unico modello 3D in nuvole di punti, correttamente georeferenziato rispetto ai capisaldi e contenente le informazioni geometriche di tutti gli elementi di impianto.

Rispetto ai tradizionali sistemi di rilievo, la tecnologia laser scanner e le metodologie operative adottate introducono alcuni vantaggi significativi che si traducono in benefici economici e riduzione dei tempi di realizzazione dell’intero progetto. Gli oneri connessi alle operazioni di rilievo in campo vengono drasticamente ridimensionati, riducendo sia il numero dei tecnici impegnati sia i tempi complessivi di rilievo. Se si considera che la maggior parte dei rilievi viene eseguita in condizione di impianto in marcia, in ambienti ostili, o in concomitanza con l’esecuzione di altre attività, vengono in questo modo ridotti i potenziali rischi intrinsecamente connessi alla presenza di personale in impianto. Grazie alla capacità di rilevare milioni di punti in tempi brevi, inoltre, si riduce il rischio connesso all’incompletezza delle informazioni acquisite che potrebbe comportare il ricorso a campagne di rilievo integrative, tra l’altro non sempre possibili, onerose sia dal punto di vista dei costi che dei tempi.

La possibilità, infine, di ottenere modelli 3D accurati e dettagliati degli impianti rilevati (nei rilievi con stazione totale la realizzazione di un modello 3D può avvenire solo nei casi in cui la scena rilevata sia ricostruibile attraverso un numero limitato di punti caratteristici) consente di:

ridurre i rischi commerciali connessi con i vari progetti;

ottimizzare i layout di impianto, riducendo sia i costi dei materiali (ottimizzando i percorsi piping), sia i costi di realizzazione (attraverso studi preliminari su metodologie e sequenze di montaggio);

ridurre gli extra costi dovuti a lavorazioni aggiuntive per interferenze con elementi dell’impianto esistente, o per errori nelle interconnessioni previste;

contenere i tempi complessivi di realizzazione del progetto.

In funzione delle diverse esigenze progettuali, è possibile adeguare la tipologia della restituzione dei rilievi effettuati passando da modelli dettagliati e caratterizzati attraverso le informazioni tecniche dei singoli elementi di impianto, a modelli geometrici elementari, costituiti da superfici triangolate o nuvole di punti. (figura 2)

Modellazione dettagliata e tecnicamente caratterizzata: qualora le esigenze progettuali lo richiedano, la modellazione dell’impianto rilevato viene eseguita con l’ausilio di software di progettazione impiantistica, caratterizzando i singoli item con le informazioni tecniche desumibili dalla documentazione esistente o dall’esecuzione di controlli aggiuntivi (PMI, controlli spessimetrici, ecc..); il risultato è un modello 3D dettagliato, contenente tutte le informazioni tecniche dei singoli elementi costituenti l’impianto, disponibile nei formati compatibili con i principali software di progettazione impiantistica 3D.

Modellazione geometrica dettagliata: nel caso in cui le informazioni tecniche relative all’impianto esistente non fossero strettamente necessarie, ma le condizioni geometriche per lo studio dei nuovi percorsi piping o posizionamento di apparecchiature fossero particolarmente stringenti, si può procedere ad una modellazione con gli stessi strumenti e lo stesso grado di accuratezza del caso precedente, tralasciando il reperimento e l’inserimento delle informazioni tecniche; il risultato è un modello 3D con lo stesso grado di dettaglio del caso precedente anche se caratterizzato dalle sole informazioni geometriche.

Modellazione degli ingombri di massima: un modello 3D degli ingombri di massima rilevati, ottenuto assimilando i vari elementi a solidi geometrici elementari, può essere a volte sufficiente per il corretto sviluppo dell’interfacciamento tra impianti esistenti e nuova ingegneria; rispetto alle soluzioni precedenti si possono così contenere tempi e costi del processo di rilievo e restituzione.

Modellazione geometrica elementare in nuvole di punti o superfici triangolate: una restituzione particolarmente rapida, realizzabile in poche giornate di post processo, può essere ottenuta con lo sviluppo di modelli in nuvole di punti o superfici triangolate (queste ultime ricavabili dalle nuvole di punti attraverso lavorazioni semiautomatiche) (figura 3); i modelli così ottenuti possono essere confrontati con modelli 3D di nuove strutture o parti di impianto, utilizzando moduli di clash detection (figura 4) per l’individuazione di possibili interferenze. Una volta individuati eventuali clash, si può decidere di procedere ad una modellazione più dettagliata delle zone interessate per uno studio di soluzioni progettuali alternative.

CAMPI APPLICATIVI

Le caratteristiche dei sistemi laser scanner e le diverse tipologie di restituzione dei dati acquisiti, ottenibili tramite software di post processo e modellazione, trovano possibilità di impiego proficuo in diversi ambiti dell’impiantistica industriale.

Revamping e modifiche di impianti

La crescita costante della domanda di energia e del costo del petrolio ha reso economicamente conveniente lo sfruttamento di frazioni del greggio fino ad oggi non utilizzate e l’ampliamento della capacità produttiva degli impianti di raffinazione. Le evoluzioni di carattere normativo, inoltre, hanno portato a requisiti sempre più stringenti sui prodotti finali, rendendo necessarie modifiche agli impianti attraverso l’interfacciamento con unità di nuova realizzazione. Tutto ciò si è tradotto in un notevole incremento delle attività di revamping e modifica degli impianti esistenti.

Questo contesto di interazione tra la nuova ingegneria e gli elementi esistenti dell’impianto oggetto di intervento rappresenta, senza dubbio, uno dei principali campi applicativi per la tecnologia laser scanner 3D. Gli extra costi di rework, dovuti ad incertezza o incompletezza dei dati geometrici dell’impianto esistente, acquisiti tramite campagne di rilievo tradizionali o estrapolati dalla documentazione tecnica disponibile, non sempre aggiornata, possono ammontare a valori compresi tra il 5% e il 10% del valore delle attività di costruzione e montaggio. Si aggiungono poi i costi, solitamente molto più onerosi, dovuti ai ritardi nell’esecuzione dei lavori ed alla conseguente mancata produzione degli impianti, sopratutto nel caso di lavori da effettuarsi in regime di shut down. La tecnologia laser scanner 3D consente di migliorare efficienza ed efficacia del processo di rilievo e restituzione dei dati geometrici, rendendo disponibili ai progettisti, in tempi ragionevolmente contenuti, modelli 3D dettagliati ed accurati degli impianti esistenti, facilmente integrabili con software e metodologie di progettazione 3D comunemente utilizzati. Si ottiene così il duplice risultato di minimizzare costi e tempi di rework e di agevolare la fase di progettazione, eliminando oneri e possibili errori intrinseci nella trasformazione 2D/3D dei dati rilevati.

Studi di Constructability

In considerazione dei tempi di realizzazione sempre più stretti e delle richieste sempre più stringenti di ottimizzazione dei costi, la constructability assume un ruolo fondamentale nelle strategie di pianificazione e controllo dei lavori. Nel caso di progetti grass root, sviluppati con l’ausilio di strumenti 3D, è possibile eseguire studi su accessibilità, densità di lavoro nelle aree e sollevamenti utilizzando i modelli 3D di impianto. Lo scenario cambia nel caso di revamping o ampliamenti dove, solitamente, i modelli 3D non sono disponibili.

In particolare, per lo sviluppo di un piano di sollevamento realmente efficace, è necessario partire da un modello dell’ambiente in cui si andrà ad operare. Sebbene in molti casi possano risultare sufficienti i disegni originali e l’acquisizione di alcune semplici misure, in ambienti complessi (ad esempio all’interno di stabilimenti petrolchimici) diventa indispensabile il ricorso a modelli 3D, realizzabili a partire dal rilievo laser scanner, per lo sviluppo di studi di accessibilità, di interferenza e di ingombro finalizzati alla valutazione delle attrezzature da impiegare e del massimo grado di prefabbricazione possibile per le apparecchiature da installare.

Relocation di impianti industriali

In alcune circostanze può risultare economico trasferire in siti diversi impianti dimessi, o in via di dismissione, potenzialmente ancora in grado di produrre. La documentazione tecnica disponibile, nella quasi totalità dei casi, risulta incompleta e inattendibile a causa delle modifiche, a volte sostanziali, apportate nel corso degli anni per migliorare l’efficienza e mai registrate sui disegni originali.

La realizzazione, attraverso il rilievo laser scanner, di un modello 3D accurato e dettagliato dello stato di fatto dell’impianto costituisce un valido supporto per la ricostruzione della documentazione tecnica as built, lo studio di metodologie e sequenze di smontaggio, trasporto e rimontaggio, lo studio e l’ottimizzazione di eventuali modifiche che si rendessero necessarie per la ricostruzione dell’impianto nel nuovo sito di destinazione, con evidenti benefici in termini di tempi e costi di realizzazione dell’intero progetto.

Qualora, poi, i tempi di realizzazione del progetto di relocation fossero particolarmente stringenti e si manifestasse la necessità di dare il via nel più breve tempo possibile alle operazioni di smontaggio, il rilievo tramite laser scanner rappresenterebbe la soluzione più idonea sia per ridurre

i tempi di survey, sia per ottenere le maggiori garanzie possibili di completezza dei dati acquisiti: una volta iniziate le operazioni di smontaggio, infatti, non sarebbe più possibile verificare eventuali dati mancanti.

Lavori in off-shore

Le installazioni off-shore sono caratterizzate da una complessità e densità strutturale tale da rendere difficile, se non impossibile, una esaustiva campagna di rilievi condotta con tecniche tradizionali. A ciò si aggiunge il fatto che i lavori in off-shore sono per lo più caratterizzati da tempi di realizzazione strettissimi e margini di errore praticamente nulli, pena l’aumento incontrollato dei costi e la perdita di economicità del progetto.

In questo scenario le caratteristiche di rapidità di esecuzione, capacità di acquisire informazioni dettagliate in ambienti complessi e garanzia di completezza delle informazioni acquisite, proprie dei sistemi laser scanner, risultano particolarmente idonee per un survey rispondente alle esigenze tipiche delle lavorazioni off-shore.

Altri campi applicativi

Oggi si assiste ad una diffusione sempre più ampia di software per la gestione delle attività di manutenzione programmata e preventiva, basati su data base all’interno dei quali vengono archiviati data sheet, schede di manutenzione e altre informazioni relative ai singoli elementi costituenti l’impianto. La realizzazione, attraverso la tecnologia laser scanner, di un modello 3D as built dell’impianto, consentirebbe sia di aggiornare accuratamente la documentazione tecnica disponibile, rendendo più efficace l’utilizzo dei software, sia di disporre di un’interfaccia particolarmente intuitiva, costituita dal modello stesso, attraverso la quale richiamare e gestire tutte le informazioni relative a ciascun elemento di impianto (con un semplice click sul modello 3D dell’elemento stesso).

Un ulteriore campo applicativo può essere rappresentato dalla verifica delle dilatazioni termiche, eventualmente finalizzate a confermare le previsioni dello stress analysis. Grazie alla rapidità di intervento è possibile, infatti, effettuare il survey durante i periodi di fermata dell’impianto per rilevare le dimensioni “a freddo” e confrontarle con quelle “a caldo”, rilevate in normali condizioni di esercizio.

L’utilizzo della tecnologia laser scanner risulta, infine, particolarmente adatto in tutte quelle situazioni in cui si presenta la necessità di misurare aree o volumi di oggetti dalle forme non regolari e quindi non facilmente ricostruibili attraverso punti discreti.

CONCLUSIONI

L’evoluzione di tecnologie e tecniche legate ai sistemi laser scanner, spinge ad una generale riconsiderazione dell’attività di rilievo. Infatti, sia le caratteristiche delle attività di campo che quelle del prodotto finale restituito, presentano differenze sostanziali rispetto ai sistemi tradizionali, che si concretizzano in un prodotto di grande fruibilità in grado di apportare vantaggi significativi in diverse fasi del ciclo di vita dell’intero progetto.

DIDASCALIE IMMAGINI

Figura 1 – Porzione di nuvola di punti in formato .dwg.

Figura 2 – Esempio di modellazione 3D a partire da una porzione di nuvola di punti.

Figura 3 – Esempio di modello ottenuto tramite processi semiautomatici di triangolazione di superfici.

Figura 4 – Clash detection tra modello triangolato e modello CAD.

CV

Mario Brandimarte

Laureato in ingegneria elettronica presso l’Università di L’Aquila nel 1997, dopo una breve esperienza professionale nel settore dell’automazione, collabora con società di costruzione e montaggio del settore impiantistico, ricoprendo i ruoli di preventivista e project manager.

Dal 2007 è in Innova – Tecnology Solutions, azienda impegnata nella ricerca e implementazione di progetti ad alto contenuto tecnologico, dove si occupa della gestione e dello sviluppo del servizio di rilievi basati su tecnologia laser scanner.

Sonny Di Lorenzo

Nato a Toronto nel 1975, si è laureato in Ingegneria Meccanica presso L’Università di L’Aquila. Ha lavorato in imprese di costruzione e montaggio maggiormente nel settore petrolchimico dapprima come Project Controller e successivamente come Site Manager. Entrato in Snamprogetti ha rivestito il ruolo di Construction Estimator. Attualmente è Responsabile Tecnico della Innova – Tecnology Solutions nel settore laser scanner 3D.