（机械设计及理论专业论文）基于激光分层扫描的埋地油罐容积检定系统的研究与设计.pdf

武汉理t 大学硕七学位论文 中文摘要 随着国民经济建设和交通运输事业的发展，机动车数量逐年增长，带动 汽车加油站行业走向繁荣。但是，该行业税负逐年下降，造成国家税款流失 严重。 在实施燃油税改革后，为了堵住加油站行业税收管理的漏洞，国家税务 局对此提出改变在销售环节安装税控加油机的传统的单一监管方法，要求在 进货、库存、销售三个环节同时加强税收监管，并研发了相应的监管系统。 监管系统在测量库存油品的高度后计算体积时需要使用油罐的容积表。由于 使用过程中地基的下沉，埋地油罐会发生倾斜。同时，在地下水浮力和覆土 压力的挤压下以及内部油品压力的不均衡作用下，油罐的横半径会变大，竖 半径会变小。因此油罐在达到检定周期后必须重新检定。埋地油罐的检定一 直是容积测量的一个难点。 按照国家标准和计量检测标准的规定，技术监督局检定埋地油罐的方法 应为手工法。但此方法测量作业任务繁重，环境恶劣，耗时多，测量周期长， 会严重影响加油站的正常营业。因此，常常采用人工标定法，改善了作业环 境，仍存在任务繁重、耗时多、测量结果不确定度难以保证等问题。 本文在几何法测量容积的基础上，分析了其它种类油罐的测量方法，提 出了激光分层扫描的测量方法。测控系统主要由p c 机、运动控制卡、步进 电机、探头、光电编码器、激光测距传感器等组成。分层扫描测量时，p c 机采用z 轴步距算法在油罐高度上分为若干个扫描层，激光测距传感器在探 头机构的驱动下将由上到下依次置于层面内并匀速旋转。p c 机采用测点布置 算法，自动计算出合适的转角位置作为采样点，到达采样点时采集增量式光 电编码器的转角值和激光测距传感器的距离值。 对于扫描线经采样后获取离散的测点数据，本文采用了先插值三次样条 曲线，再将插值曲线作为积分函数在理论上推导其原函数，可以增加计算的 精度，减少计算量。三次样条的系数采用追赶法求解三对角线矩阵获得。本 文采用了液位高度和体积插值样条的系数作为容积表中数据保存在服务器 中，减少了数据量，提高了后续体积的计算精度。 该油罐检定方法自动化程度高，测量速度快，仪器操作简便，数据处理 没有人工误差，能够减少加油站在检测时的停业时间。 关键字：油罐，测量，激光，容积，三次样条 武汉理工大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt r a n s p o r t a t i o n ，g r o w t hi n n u m b e ro fm o t o rv e h i c l e se v e r yy e a rb r i n g st h ef l o u r i s ho fg a ss t a t i o ni n d u s t r y h o w e v e r , t h ei n d u s t r yt a xb u r d e ni sd e c l i n i n g ，r e s u l t i n gi ns e r i o u sl o s so fs t a t et a x e s i no r d e rt ob l o c kt h el o o p h o l e si nt h et a xa d m i n i s t r a t i o n ，s t a t et a xt h e r e o nh a v e c a n c e l l e das i n g l er e g u l a t o r ya p p r o a c ho ft a xf u e ld i s p e n s e ri n s t a l l e di nt h el i n ko f t r a d i t i o n a ls a l e si nt h eg a ss t a t i o nt oc a l c u l a t ea m o u n to ft a x ，w h i l eb e g a nt o s t r e n g t h e nt a xa d m i n i s t r a t i o nm e a n w h i l ei nl i n k so fp u r c h a s i n g ，i n v e n t o r y , s a l e s ，a n d h a v ed e v e l o p e da n da p p l i e dm o n i t o r i n gs y s t e m t h i ss y s t e mn e e du s i n gt h eo i lt a n k v o l u m et a b l et oc a l c u l a t et h ev o l u m ea f t e rm e a s u r i n gt h eh e i g h to fi n v e n t o r yo i l t h e v o l u m et a b l ei sm e a s u r e db yt e c h n i c a ls u p e r v i s i o nb u r e a ui na c c o r d a n c ew i t ht h e r e l e v a n tn a t i o n a ls t a n d a r d sa n dr e g u l a t i o n s a st h eg a ss t a t i o nu n d e r g r o u n dt a n k si s t h eh o r i z o n t a lc y l i n d r i c a ls t o r a g es t e e lt a n k s ，v o l u m ei sm e a s u r e di na c c o r d a n c ew i t h t h er e q u i r e m e n t so ft h es t a n d a r db e f o r et h ei n s t a l l a t i o n a l m o s ta l lo ft h et a n kw i l lb et i l t e dd u et ot h et a n kf o u n d a t i o ns i n k i n gd u r i n g o p e r a t i o n m e a n w h i l e ，t h eh o r i z o n t a l r a d i u so ft h et a n kw i l li n c r e a s ea n dv e r t i c a l r a d i u sw i l ld e c r e a s eo w i n gt ot h ee f f e c to ft h ep r e s s u r eg e n e r a t e db yi n t e r n a lo i la n d t h ee x t r u s i o nb e t w e e ng r o u n d w a t e rb u o y a n c ya n do v e r b u r d e np r e s s u r e t h e r e f o r e ， t a n k sn e e dt or e - v e r i f i c a t i o na f t e ro p e r a t i n gf o rap e r i o do ft i m e v e r i f i c a t i o no f u n d e r g r o u n do i lt a n kh a sb e e nad i f f i c u l t yi nt h ea r e ao fv o l u m em e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt o n a t i o n a ls t a n d a r d sa n dm e t r o l o g i c a lm e a s u r i n gs t a n d a r d s ， m e a s u r i n gm e t h o do fb u r i e do i lt a n ks h o u l db ec a l i b r a t e di nm a n u a lm e t h o db y t e c h n i c a ls u p e r v i s i o nb u r e a u h o w e v e r , t h i sb r i n g sh e a v ym e a s u r e dt a s k , p o o r w o r k i n ge n v i r o n m e n t , m o r et i m e - c o n s u m i n ga n dl o n gm e a s u r e dp e r i o di nw h i c hi t w i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h es t a t i o n sn o r m a lb u s i n e s s t h e r e f o r e ，m a n - c a l i b r a t e dm e t h o d i so f t e nu s e dt oi m p r o v et h em e a s u r i n ge n v i r o n m e n t ，t h e r ea r es t i l lp r o b l e m so fh e a v y w o r k l o a d ，m o r et i m e - c o n s u m i n ga n di t i sd i f f i c u l tt og u a r a n t e et h eu n c e r t a i n t yo f m e a s u r e m e n t t l i st h e s i sp r o p o s e sm e t h o do fl a s e rs c a n n i n gi nt h et o m o g r a p h yo l l eb yo n e b a s e do nt h ev o l u m eo fg e o m e t r i cm e a s u r e m e n t ，a f t e rd r a w s0 1 1t h em e a s u r e m e n to f o t h e rt y p e so ft a n k s m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fap c ，am o t i o nc o n t r o l l e r , t w o s t e p p i n gm o t o r , d e t e c t i o n - m e c h a n i s m ，o p t i c a le n c o d e r s ，l a s e rr a n g es e n s o r sa n do t h e r c o m p o n e n t s 。a f t e rs t a r tm e a s u r e m e n t , p cm a c h i n ed i v i d ea u t o m a t i c a l l yh e i g h tt oa n u m b e ro ft o m o g r a p h yb yt h ea l g o r i t h mo fz - a x i ss t e p t h e nl a s e rr a n g i n gs e n s o ri s i i 武汉理t 大学硕士学位论文 d r i v e nb yt h ed e t e c t i o n - m e c h a n i s mt ou n i f o r mr o t a t i o na n db ep l a c e do nt o m o g r a p h y o n eb yo n et h ep cc a l c u l a t e sa u t o m a t i c a l l yt h ep r o p e ra n g l ea st h es a m p l ep o i n tb y l o c a t i o na l g o r i t h m ，a n dc o l l e c t sa n g l ev a l u ef r o mi n c r e m e n t a lo p t i c a le n c o d c ra n dt h e d i s t a n c ev a l u ef r o mt h el a s e rr a n g es e n s o rw h e na r r i v e dt ot h es a m p l ep o i n t f o rt h eo b t a i n e dd i s c r e t em e a s u r e m e n tp o i n t si nt h es c a nl i n ea ss a m p l e dd a t a ， t h em e t h o do fd a t ap o s t p r o c e s s i n gi st h a ti n t e r p o l a t ef i r s t l ys c a n n i n gc h i v ew i t hc u b i c s p l i n e ，t h e nc a l c u l a t ei n t e g r a t i o no ft h ei n t e r p o l a t e dc u r v e a s3p o l y n o m i a l ，t h ec u b i c s p l i n ec u l w ec a nt h e o r e t i c a l l yb ed e r i v e di t so r i g i n a lf u n c t i o nt of u r t h e ri n c r e a s et h e i n t e g r a t i o na c c u r a c ya n dr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a ll o a d t t l i sm e t h o di so fh i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n , m e a s u r e m e n ts p e e d ，s i m p l e i n s t r u m e n t a t i o no p e r a t i o n ，n oa r t i f i c i a le r r o ri nd a t ap r o c e s s i n g ，w h i c hc a nr e d u c et h e c l o s u r eo fg a ss t a t i o n si nt h ed e t e c t i o nt i m e k e y w o r d s ：o i lt a n k v o l u m em e a s u r e m e n tl a s e rt h ec u b i cs p l i n e i i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书撕使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) 童圣盎 日期 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复划手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：塑 导师( 签名) ：麟臼期2 业 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 中国，作为正在崛起的汽车大国，已成为世界上继美国和日本之后的第三大 石油消费国。随着国民经济建设和交通运输事业的发展，机动车数量的迅速发展， 成品油市场不断扩大开放，中国的汽车加油站( 简称加油站) 数量迅速增长。 在改革开放初期的1 9 8 5 年，全国仅有加油站3 6 0 0 座。1 9 9 2 年9 月，国家 解除了对部分成品油计划外最高限价的控制，由于成品油零售业务利润丰厚，社 会各业纷纷进入成品油经营领域，到1 9 9 3 年，加油站总数就达到了3 8 万座。 到2 0 0 1 年，加油站总数更增长到8 万座，其中石油、石化两大集团的加油站达 到4 万座( 包括特许加油站) 。按照加入w t o 的承诺，2 0 0 4 年1 2 月1 日，我国 开放成品油零售市场，2 0 0 6 年1 2 月l lr ，开放国内成品油批发市场，外资公 司可在国内营建油库、码头和销售网络。据商务部统计，截至2 0 0 6 年底，全国 9 3 8 7 9 座加油站中，中石油加油站共为1 8 2 0 7 座，中石化加油站共为2 8 8 0 1 座， 其他国有、民营、外资加油站共计4 6 8 7 1 座。 由于加油站分布地域广泛，经营单位和个人情况复杂，进货渠道复杂，顾客 流动大存在大量的现金交易，加之许多加油站财务会计制度不健全，致使税务机 关无法准确核实成品油的进销数量及金额，迫不得已采用了定期定额方式征收税 款。1 9 9 8 年6 月，国家税务总局各地税务机关对各加油站征税方式改为按纳税 人自行申报，税务机关查账或核定征收。 1 9 9 9 年6 月，国家税务总局和国家质量技术监督局决定对全国现有加油站 加油机安装税控装置。为了加强加油站的税收管理，强化税源监控，堵塞税收漏 洞，规范计量器具的制造，打击成品油流通领域的违法活动，维护消费者的合法 权益，同时配合国家实施道路和车辆收费改革，做好成品油市场的清理整顿工作， 根据国务院办公厅转发国家经贸委等部门关于清理整顿小炼油厂和规范原油成 品油流通秩序意见的通知的有关规定，国家税务总局和国家质量技术监督局联 合下发了关于加油机安装税控装置和生产使用税控加油机有关问题的通知和 关于推行使用出租汽车税控计价器有关问题的通知，规定从2 0 0 0 年1 月1 日 起不得再生产、销售非税控加油机和非税控计价器，决定对全国现有加油站加油 机安装税控装置，并组织生产和使用税控加油机。 2 0 0 2 年4 月，加油站普遍安装了税控加油机，国家税务总局要求将加油站 认定为增值税一般纳税人，按照税控加油机所记录的数据确定计税销售额征收增 值税，各地加油站的偷税现象有所遏制，但偷逃税款现象仍然存在且手法呈现出 l 武汉理工大学硕士学位论文 新的特点t l j 。 在采用税控加油机的初期，加油站行业偷逃税的手法还比较粗糙，主要是对 抗或避开加油机销售油品。有些加油站故意损坏税控装置，造成加油机问题增多、 厂家维修服务困难，加油机不能正常使用；或购进成品油后，直接批发给小型加 油站或直销售给工厂、专业车队、农业用户等大客户；或油品入库后，通过隐蔽 的管路，采用用秤或油桶计量的方式销售给摩托车、出租车和个人用户。 之后，加油站行业偷逃税的手法还趋于专业化、自动化、智能化，作弊的方 法更加隐蔽，具有很强的欺骗能力拉ji 引。某些企业及个人，在摸清了税控装置的 工作原理后，利用加油税控装置在保密性上的设计缺陷获取非法利益。如加油站 在加油时将单价缩小到1 0 ，则销售额也缩小1 0 ，纳税额随之减少；擅自取 掉传感器连杠，加油机只出油不计销售额；一台加油机两块主板，一块日常工作， 另一块应付检查；修改芯片的参数，在应对税务稽查时可以通过后台计算机或断 电重启的方式快速回复出厂的设置。甚至一些正规税控加油机的生产厂家参与了 加油机的作弊改装，或出售伪税控装置。近年来，油品价格受国际原油价格的影 响一路攀升，加之国内油品消费市场广阔，偷油逃税的获利空间更大。尤其是一 些私营的加油站，采用了“高科技 手法使得作弊越加隐蔽，即使计量部门的专 业技术人员也很难发现其作弊行为，即欺骗消费者又偷逃国家税款。 加油站行业前所未有的繁荣并未带来税收的大幅增长，反而使该行业税负逐 年下降，造成国家税款流失严重 4 1 。为了解决“税负偏低”的问题，加强偷税逃 税的打击力度，国家税务局对此提出在加油站进货、库存、销售三个环节加强税 收管理，改变传统地在加油站销售环节安装税控加油机征收税额的方法，以堵住 税收管理的漏洞1 5j 。采取技术措施打击加油站偷逃税，不仅维护政府的财政收入， 还为燃油税改革实施后在油品零售环节征收税额奠定基础。 税务部门要加强对库存环节的税收管理需要知道库存油品的重量。埋地油罐 是大容积设备，直接测量其中的油品体积或质量是难以实现的。通常是先测量罐 内油品的高度，再通过容积表将高度转换成对应的体积。油罐容积表又称罐表， 记录油罐中油品容积和液位高度之间对应关系的数据表。通常，容积表是以厘米 为间距，给出液位和体积的关系。在使用时，对于毫米级的液高采用线性插值的 方法得到l 引。有足够精度的埋地油罐容积表需要由技术监督局提供，之后税务部 门在测量油品液位高度后才能得到罐内准确的库存量。盘清油品实际的库存量 后，汇总进项税票油品数量，确定油品的购进总数，与税控加油机记录的销售数 量相减，得出其账面油品库存量。最后，比对实际库存与账面库存的差额，确定 纳税人机外销售或购进未入罐油品的数量，对差额部分依照当月平均销售单价计 2 武汉理工大学硕士学位论文 算销售额进行补税。因此，税务机关需要技术监督局提供容积表用于油品计量以 合理确定征税额度。 按照国家标准g b5 0 1 5 6 2 0 0 2 ，“汽车加油站的储油罐应采用卧式钢制油罐”， 并强制性要求“汽油罐和柴油罐应埋地设置，严禁设置在室内或地下室1 7 j 。埋 地油罐( u n d e r g r o u n ds t o r a g eg a s o l i n et a n k ，本论文中使用“埋地油罐 表示地埋 卧式圆筒状钢制储油罐) 采用直接覆土或罐池充沙或细土的方式埋设在地下，且 罐内最高液面低于罐外4 m 范围内地面的最低标高0 2 m 的卧式油品储罐。储油 罐埋入地下后避免了阳光照射可降低罐内温度，从而减少了油品的蒸发损耗和火 灾的风险，同时对比地上储油罐而言降低了与其它建筑物的安全距离要求，减少 了占地面积。 尽管加油站储油罐在埋置后使用前应进行检定获得容积表，但在使用过程中 不可避免的产生变形、倾斜、侧滚等情况，使得油罐容积表产生较大的误差，这 就需要对达到检定周期的油罐重新检定。国内加油站当前使用的储油罐，多为一 次性埋放，长期使用。这样就给我们计量检定带来困难，然而，对于已经埋地使 用的卧式储油罐，一直是容量测量的难点1 8 1 。 1 2 研究现状 1 2 1 埋地油罐容积标定研究文献综述 2 0 0 3 年4 月，介骏祥、廉永胜和黎锐锦等学者，提出采用流量计容积比较 法测量地埋卧式金属罐容积1 9 1 。在对储罐清空之后，使用汽车油罐内的待注油品 为测量介质，油品通过油量计流入地埋卧式储罐，每注入1 0 0 0 l 油品时，关闭阀 门，测量流量计的温度用于修j 下流量计读数值。待罐内液面平稳后用量油尺测量 液位高度，同时测量温度。这样就可以得到油品高度和体积的对应关系，即获得 容积表数据。 2 0 0 7 年4 月，孙大勇提出了与此类似但更方便的方法i l o j 。采用加油机中的 流量计对进油或出油进行测量，并实时将测量数据传输至计算机系统。罐内液位 仪测量油品的高度变化，并实时地将高度数据传输至计算机系统。计算机系统的 功能是采集这两种数据，进行分析与计算，通过p i d 自整定算法，滤去进油或出 油时必然会产生的各种波动，并将有效数据存放在数据库。实际应用中，进油或 出油时很难做到罐底无存油和进油正好加满的情况，所以，计算机系统还必须通 过分析精确计算出罐底顶的容积表。当进出油操作完成时，即可获得油罐的容 积表。与前者相比，采用加油机代替了油量计，采用液位仪代替量油尺，实现了 动态测量，提高了精度和效率。 3 武汉理j 亡大学硕士学位论文 2 0 0 7 年3 月，夏伟伟和王国栋设计了一套埋地油罐容积标定系统。整套 系统由机械部分、一次仪表部分和电路控制部分组成。其中机械部分是由油泵、 撬装平台、管线、阀门、过滤器、放气阀和液位仪保护套管组成；一次仪表部分 由流量计、液位仪组成，电路控制部分由笔记本电脑、电源、数据采集和转换模 块、安全栅和信号连接线组成。系统的工作流程为：将液位仪插入被检定油罐的 计量孔内，连好系统的油路和电路，启动软件和油泵，系统中的油泵将油品从储 备油罐经流量计输送到被检定油罐，流量计产生的体积信号和液位仪产生的液位 信号通过信号采集和转换装置进入笔记本电脑，系统软件捕获到液位和体积信号 后实时写入数据库中，待油罐中液位达到检定高度后停止，对被检定罐进行液位 检尺以修正液位仪的零点漂移后由软件自动生成被检定油罐的液面容量参照表。 国家大容量第二计量站北京工作站的毛掬萍，2 0 0 5 年提出了基于专用算表 软件和车载计量标准器的容积比较法【l 。所设计的专用算表软件实现了用测少 量的点算出一个正确的容积表。车载计量标准器，是将标准量器和汽车一体化设 计，自动向油罐注入液体达到规定容积后，多余部分会自动流入其他罐内或返回 供油罐内。注入标准器的液体能在注入过程中自动搅拌均匀，保证罐内液体各点 温度一致。 中国石化浙江宁波石油分公司的包星震提出了一种非清罐条件下埋地油罐 容积表编制方法高量拟卧式油罐容积表编制方法1 1 3 j 。加油站营业过程中， 计算机系统同时监测并收集来自油罐内液位仪的液位高度和加油机营业额作为 原始数据。经过对测量数据自动进行筛选后，选取油罐最高和最低( 首尾) 液位 的二组数据为主要数据，以这二界面之问的容积与加油量等同为基础，同时，用 2 0 组左右的数据确定圆筒的直径，用部分数据确定弧形顶弓高，并推算筒体长 度。最后自动生成油罐容积表。该容积表编制方法采用与加油总量完全相等，各 对称部位与加油量微分相同，在原始测量数据控制以外的部分容积，按中间主体 部分的成形规律自动推算编制。应用高量拟卧式油罐容积表编制方法，克服了前 面方法中停业清罐和专业技术人员的缺点。 美国维德路特( v e e d e r - r o o t ) 公司开发的t l s 2 n 和t l s 3 5 0 r 型液位仪为 代表的动态自动校准。美国维德路特公司是美国丹纳赫集团( d a n a h e rc o r p o r a t i o n l 公司旗下的子公司。维德路特t l s 油罐液位监测系统包括t l s 系列控制台和探 棒两部分，t l s 2 n 和t l s 3 5 0 r 型控制台配合高精度磁致伸缩探棒不仅能够是 想实时监控油位、水位、温度并报告库存容积，还具有a c c u c h a p 专利软件能 够自动校正油罐容积表。该技术的主要原理是通过不断实时比对加油机的销售数 据和油罐内液位的变化量，通过数理统计方法，计算出油罐内不同高度所对应的 4 武汉理工大学硕士学位论文 体积量，从而精确的标定出油罐的容积表。以t l s 3 5 0 r 为例，采用a c c u c h a t t m 专利算法，并考虑加油机流量误差、温度和环境等因素，所标定的油罐容积表精 度小于o 3 ，一般可达到o 1 。一次校正工作需要5 6 天完成，但该方法是在 加油站运营的同时进行油罐标定，无需人工干预自动完成，不会影响对加油站的 正常营业。 国内也有类似的标定流量控制机，以上海海源数码技术有限公司开发的容积 表校正专用流量控制机h y - 2 0 0 为例，专用流量控制机出油流量1 6 0 升分钟( 汽 油1 4 0 升分钟) ，保证了工作效率，达到了校正过程中液面平稳与信号传输的最 佳结合。特制专业型数字型液位计探测精度o 1 毫米；数据采集频率每秒钟二十 次；外部增加柱形护套，减小液面波动；采集数据多重校验，保证实时液面与实 际液面的一致。该技术的主要原理是通过不断实时比对专用计量控制机所测的流 量和油罐内探棒所测的液位变化量，通过数学方法，计算出油罐内不同高度所对 应的体积量，从而精确的标定出油罐的容积表。 1 2 2 埋地油罐测量的发展历程 专家学者的研究主要集中在容积比较法，以其作为核心原理在应用层面上不 断改进。 ( 1 ) 由手工向自动改进 专用流量计或加油机中的流量计代替标准容器测量流入油罐测量介质的体 积，高度传感器代替投油尺( 量油尺) ，计算机代替人工记录并处理测量数据， ( 2 ) 由静态向动态改进 由于测量介质是液体，在流入埋地油罐后，会引起液面的起伏波动，影响正 确测量高度。在早期，采用静态测量的方法，等待液面稳定后测量高度值，以防 止粗差。后来，为了缩短测量周期，开始研究避免液面波动产生影响同时测量流 e 叫高度的方法，如将测量传感器与注油管隔离或在数据处理中采用滤波算法。 ( 3 ) 由离线向在线改进 按照是否影响加油站的正常营业，这些方法可以分为在线式和离线式。在线 式，采用加油机或者油罐车作为计量工具，通过油品销售或进货时引起的高度和 体积变化，来标定油罐容积表，这样不会影响加油站的正常营业。美国维德路特、 包星震提出的高量拟卧式油罐容积表编制方法，都属于在线式。 ( 4 ) 利用复杂的插值算法 由于计算机的普及为采用插值算法提供了硬件基础。复杂的插值算法可以减 少测量点，提高数据处理结果的精度。 s 武汉理工大学硕士学位论文 1 - 3 本文研究的目的和意义 加油站的埋地油罐不仅是一个储油设备，同时是一个计量设备。税务局为了 合理的确定一座加油站的税额防止偷税逃税漏税事件的发生，改变了以往单一的 从销售环节确定税额的方法，转而从采购存货销售三个环节同时确定税额，并研 发了相应的自动化监管系统。对于库存环节来说，只有掌握油罐的容积表才能将 测量到的油品高度转换成体积进而确定存货量。这个容积表由技术监督局或其授 权计量检测单位测量油罐后给出。油罐容积表是记录油罐中油品液位高度和容积 之间对应关系的数据表。 按照国家标准1 1 7 j 和计量检测标准1 1 8j 的要求，技术监督局检定埋地油罐的合 法方法应为手工法。 测量人员采用石油用量油尺、钢围尺、钢直尺、半径三角仪、测厚仪、钢质 跨越规、半径仪、水准仪、测力计、套管尺等量具量仪，钻入油罐的内部，测量 罐体的几何尺寸与倾斜角，通过几何公式可以计算出罐体的在高度h ( h = 0 、l c m 、 2c l t i 、3c n l 、4c n l ) 处的油品体积v h 。把数据h 和v h 作成表格，就是我们需 要的容积表。手工法被国家标准和计量检测标准确立的标定方法，具有法律效力， 因此称之为检定。若对加油站的埋地油罐应用手工法，存在以下几个方面的问题 和不便： ( 1 ) 要求测量人员接受专业培训，掌握测量技能，这样就增加了测量的人 工成本； ( 2 ) 加油站必须停止油罐的运行，并做誊空、清洗、通风等准备工作，会 影响正常营业，增加加油站的管理成本； ( 3 ) 劳动条件恶劣，油罐内光线不足，通风不畅，活动空间狭小； ( 4 ) 存在火灾爆炸的危险； ( 5 ) 检测周期长。 这使得被国家标准确立的唯一的方法，在埋地油罐的检定中无法使用。 长期以来，技术监督局和各石油公司迫不得已采用人工标定法对各油站的油 罐进行测量标定工作。原理是通过标准金属量器或流量计向油罐内注入作为测量 介质的液体，待液面稳定后用量油尺获得油罐内液位高度值；不断重复以上过程 就可以得到油罐的容积表。其精度和测量人员的素质有很大的关系，对测量人员 的要求比较高，在测量作业中容易产生粗大误差。该方法必须停止加油站油罐的 运行并清空，操作成本较高，标定工作耗时多，约需要5 7 天的时间。 埋地油罐的容积表不仅对于确定征税额度具有重要意义，也关系到加油站在 6 武汉理工大学硕士学位论文 进货、库存、销售三个环节的经营管理，加油站自身也需要校准容积表。但加油 站对容积表的测量，在计量部门没有授权的情况下，不具备法律效力，对于税务 机关认定其纳税额度缺少公正性。技术监督局对油罐的“检定 和企业自身对油 罐的“标定 是有所不同的：除了不确定度的要求外，还要确保检定的独立性和 公正性，并尽量减少测量作业对加油站正常营业的妨碍。传统的方法已经不能适 合技术监督局的检定。目前，对于容积比较法的研究已经很多，但是容积比较法 还是不能适合于技术监督局使用，存在诸多不便。 本文研究的最终目的是研究和设计开发一种适合技术监督局的计量检测部 门使用的埋地油罐快速检定方法，从而使得油罐监控系统实现在库存环节对油品 重量的监控。本文的研究与设计是针对技术监督局的计量检定开发的，它不仅仅 要求实现量值的传递，还要求确保测量的独立和公正性，与一般意义的标定的测 量有所不同。 适合技术监督局使用的快速埋地油罐检定方法及设备，要缩短测量周期，降 低清罐的要求，增强自动化程度，以减轻检定工作给加油站正常营业的影响，降 低检定人员的工作强度。在数据的后处理上要采用计算机实现零人工误差。在与 税收自动监控系统的接口上减少连接误差。 1 4 工作内容 埋地油罐除了具有储存油品的功能之外，还兼有计量油品的功能。埋地油罐 的容积表对于确定征税额度具有重要意义。本文在几何法测量容积的基础上，借 鉴了其它种类油罐的测量方法，提出了激光分层扫描的方法。测控系统主要由 p c 机、运动控制卡、步进电机、探头、光电编码器、激光测距传感器等组成。 分层扫描测量时，p c 机采用z 轴步距算法在油罐高度上分为若干个扫描层，激 光测距传感器在探头机构的驱动下将由上到下依次置于层面内并匀速旋转。p c 机采用测点布置算法，自动计算出合适的转角位置作为采样点，到达采样点时采 集增量式光电编码器的转角值和激光测距传感器的距离值。 本文的主要工作内容有： ( 1 ) 在分析加油站埋地油罐的结构和测量特点的基础上，研究目前埋地油 罐的测量方法，分析其它种类油罐的测量方法，提出基于激光分层扫描的加油站 埋地油罐检定方案。 ( 2 ) 遵循“曲面一曲线一点集一测量点集 的递归分解策略，设计采样点 在扫描线上的布置算法和扫描层布置算法。 ( 3 ) 采用“p c + m c ”的测控平台，p c 与m c 之间采用p c i 总线实现通信。 7 武汉理工大学硕士学位论文 执行元件采用步进电动机并配套相应的驱动器。研究激光测量距离的方法，分析 激光测距传感器影响测量精度的因素。 ( 4 ) 对于离散的测点数据，采用三次样条曲线插值，将插值曲线作为积分 函数，在理论上推导其原函数来计算积分，并设计面积、体积的计算流程。 ( 5 ) 在分析传统容积表应用方法的基础上，设计适合计算机的容积表数据 结构，将面积的插值曲线作为容积表保存在服务器中，提高转换速度和精度。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章激光分层扫描的油罐容积测量理论基础 2 1 加油站油罐测量的目的和要求 按照国家税务总局于2 0 0 2 年4 月2 日发布了成品油零售加油站增值税征 收管理办法，汽车加油站认定为增值税一般纳税人。加油站应税销售额包括当 月成品油应税销售额和其他应税货物及劳务的销售额。其中成品油应税销售额的 计算公式为： 成品油应税销售额= ( 当月全部成品油销售数量一允许扣除的成品油数量) 油品单价。 对财务核算不健全的加油站，如已全部安装税控加油机，应按照税控加油机 所记录的数据确定计税销售额征收增值税。对未全部安装税控加油机( 包括未安 装) 或税控加油机运行不正常的加油站，主管税务机关应要求其严格执行台帐制 度，并按月报送成品油购销存数量明细表。按月对其成品油库存数量进行盘 点，定期联合有关执法部门对其进行检查。 但是在实际操作中，加油站，尤其是私营的，在摸清楚税务部门的同常管理 和稽查方法，使用了一些隐蔽的作弊手段偷逃税款。鉴于加油站商业运营流程是 采购、库存和销售，国家税务局对此提出在加油站的这三个环节加强税收管理， 改变传统地在加油站销售环节安装税控加油机征收税额的方法，以堵住税收管理 的漏洞。同时，为实施燃油税改革后在油品零售环节征收税款做好准备。 现在，全国各地的加油站开始推广使用计算机管理系统，并内嵌税收监控模 块。图2 1 是一种自动化的税收监控系统的原理图，它可以在库存和销售环节对 加油站实施监管。该系统采用了磁致伸缩液位仪测量埋地油罐中库存油品的高 度，计算机通过液位仪控制器与加油站内各个油罐中液位仪通信。同时，通过 r s 4 8 5 串行通讯线采集加油机中流量计的流量信号。计算机通过互联网向税务机 关的服务器实时传送测量数据。服务器由油品高度查油罐的容积表换算到油品的 体积，再由质量、密度、体积的关系得到油品重量，即油品的实时库存量 这样税务部门就可以通过监控系统获得库存数量和加油机销售数据，进而可 形成销存数据。在确认税额时，服务器自动计算加油站的销售量和库存的累积减 少数量与累积增加数量。其增加量应等于加油站的采购量，其减少量应等于加油 机的销售量。税务人员在汇总进项税票确定的购进油品数量，将二者进行比对。 由于测量误差和损耗的存在允许一个较小的差值，当差值小于允许值时，加油机 所记录的销售量是可靠的，可以作为纳税额度的依据；当差值大于允许值时，加 油机所记录的销售量是不可靠的，用采购量减去库存量作为纳税额度的依据。这 9 武汉理 。人学硕十学f m 论立 样，可咀防止加油站用机外销售或购进来入罐油品的数量等方法舞弊偷逃税款 图2 1 加油站税收监控系统 税务部门在监控系统时。需要通过有足够精度的容秘襄将测量轶耻的液位高 度转换成对应的油品体积。这个容积表需要权威 ： 【5 门( 技术监督局或其授权的计 量检测机构) 对王! 【! 地油罐进行检定并向税务部门提供埋地油罐彝积表，税务部门 在测量油品液位高度后才能得到罐内准确的库存量。因此，容积表对于税务机关 的实时监控系统的运行以及合理确定征税额度具有重要意义。这也是埋地油罐容 积测量的目的。 油罐容秘表又称罐表，记录油罐中油品弈积和液位高度之间对应关系的数据 表。传统的容积表通常是以厘米为日j 距，给出液位和体积的关系。对于毫米级的 液高采用线性插值或其它插值的方法得到。所以，埋地油罐除了具有储存油品的 功能之外，还兼有计量 由是的功能。 本文测量的是终日的是为税务机关的实时监管系统提供用于将液位高度转 换成油品体积的容积表，从而实现量值的传递。埋地油罐的容积表不仅对于确定 征税额度具有藿要意义，电关系到加油站在进货、库存、销售三个环节的经营管 理，加油站自身也需要校准容积表。但加油站对容积表的测量，在计量部门没有 l o 武汉理t 大学硕七学位论文 授权的情况下，不具备法律效力，对于税务机关认定其纳税额度缺少公正性。本 文的研究与设计是针对技术监督局的计量检定开发的，它与标定的要求有所不 同。测量的基本要求如下： ( 1 ) 总不确定度不超过0 3 ； ( 2 ) 确保测量作业的独立和公正性； ( 3 ) 提高自动化程度，降低测量人员的体力和脑力的劳动强度； ( 4 ) 控制单次测量作业的成本； ( 5 ) 减少测量作业时间，降低对加油站正常营业的妨碍； ( 6 ) 容积表中数据便于计算机实现高度到体积的转换。 2 2 加油站储油罐的结构及测量特点 按照汽车加油加气站设计与施工规范( 2 0 0 6 版) “汽车加油站的储油罐 应采用卧式钢制油罐”，并强制性要求“汽油罐和柴油罐应埋地设置，严禁设置 在室内或地下室”。 卧式油罐由筒体、顶板( 又称封头) 和一些附件组成【1 7 1 【1 引，如图2 - 2 所示。 、 萝l ui | uuv 图2 2 油罐筒体 司翎翎翎妇d 薯舷璜荔台璜镶璜球驶缓睾髓碡璜乎强 图2 - 3 油罐项板 简体为卧式圆柱状，由若干圈板焊接而成。圈板间以对接形式焊接而成的称 为对接式卧式罐；圈板间以搭接形式焊接的称为搭接式( 交互式) 卧式罐。钢板 1 1 武汉理丁大学硕七学位论文 的厚度在5 1 0 m m 之间。有些非标准的油罐采用了椭圆柱。项板按其形状可分为 平顶、弧形顶、圆台项、椭球顶等类型，如图2 3 所示。人孔，其直径为7 0 0 m m 左右，一般位于油罐的项部靠中间的位置。人孔盖板上安装有量油孔、通气管( 呼 吸管) 及进出油管线等其他各种油罐附件，人孔上方设有人孔操作并保护。 加油站油罐在结构设计时还要考虑稳定性。埋入地下后除了承受内压外，还 承受罐体四周的覆土压力及地下水的浮力，这个压力会使罐体失稳，所以埋地罐 进行稳定性校核不能通过时，需要在油罐内部设置加强筋。加强筋会增加测量的 难度。 为了避免了阳光照射降低了罐内温度减少了油品的蒸发损耗降低火灾的风 险，同时为了与其它建筑物的安全距离要求减少了占地面积，加油站的油罐必须 埋入地下，这是国家标准g b5 0 1 5 6 2 0 0 2 汽车加油加气站设计与施工规范( 2 0 0 6 版) 的强制要求。卧式埋地油罐安装方法很多种，最常用的是在罐体上设计两 个鞍座，鞍座与罐池的基础固定。罐坑必须夯实，并铺以2 0 - - - 3 0 c m 厚的粗砂， 罐体安装好后，在其周围回填2 0 c m 厚的细砂，然后再覆土。罐坑要有一定的坡 度，一般不小于0 5 ，安装时出油管侧应偏低确保其f 常工作。油罐顶部距地 面0 5 m ，且罐内最高液面低于罐外4 m 范围内地面的最低标高0 2 m 。 埋地油罐在埋入地下后，给容积计量带来一些麻烦。埋地油罐在安置到位后， 要对油罐进行首次检定获得其容积表。在使用过程中，地基下沉不可避免会引起 油罐倾斜、侧滚等情况。地下