JP2005331383A - ３次元座標位置評価方法及び評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原子力発電プラントなどにおける各種設備の据え付け後の施工精度を評価するために、据え付けられた設備の形状の３次元座標位置および配管勾配値を正確に測定することのできる３次元座標位置評価方法及び評価装置を得る。
【解決手段】少なくとも３個の基準点２１，２２，２３と、少なくとも1個の補助点３１（３２，３３）を設備１Ａの近傍に設定し、前記基準点２１，２２，２３の３次元座標位置を測定するとともに、３次元座標位置を求めるべき前記設備１Ａの評価点Ａ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、基準点２１，２２，２３および補助点３１（３２，３３）の各２次元座標位置を画像データとして測定し、前記基準点２１，２２，２３の３次元座標位置および前記各画像における評価点Ａ、基準点２１，２２，２３および補助点３１（３２，３３）の各２次元座標位置に基いて前記評価点Ａの３次元座標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明はプラントにおいて、一般機器、配管などの設備据付け後の施工精度を評価するために、据え付けられた設備の形状の空間的位置（３次元座標）を計測する３次元座標位置評価方法及び評価装置に関する。

例えば、原子力発電プラントのようなプラントには、機器、配管類等の各種の設備が据え付けられている。
これらの設備は実際の据付け作業（施工）により、設計上の設備据付け計画値を基準に据付けが行われるが、実際には設備据え付け後には据え付け作業のあまさなどによって据付け誤差が発生する可能性がある。

特にプラントの場合は、これらの据付け誤差による施工のずれが許容範囲内であるかどうかを確認することは、プラントの安全管理上、あるいは信頼性向上の上から重要な評価事項である。

従来この据付け誤差の確認は、設備据え付け後の据付け座標値を取得し、据え付け前の設計上の計画座標値と比較することにより行われるが、この据え付け座標値の取得は人間系での寸法計測となり、実際には設備据え付け後の、特に据え付け３次元座標値を取得するのは非常に困難であり、３次元座標値取得のため、測量機器により個々の点を測量する必要がある。

しかし、取得したい３次元座標測定点が多々ある場合等は、計測作業に多大な時間を要する。また、配管及びサポート間等の配管勾配率の算出を行う場合などには、一般に市販されている水準器を据え付け後の配管等に載せ、勾配を確認する手段などがとられているが、正確な勾配率の測定は困難であり、データ保存形態も確立されていない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、各種設備の据付け後の施工精度を評価するために、据え付けられた設備の形状の３次元座標位置及び配管勾配値を正確に計測することのできる３次元座標位置評価方法及び評価装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、据え付けられた設備の複数の評価点の３次元座標位置を求める方法であって、少なくとも３個の基準点および少なくとも１個の補助点を少なくとも２箇所から前記評価点とともに見える位置に設定する設定工程と、前記基準点の３次元座標位置を測定する３次元座標位置測定工程と、前記複数の評価点、少なくとも３個の基準点および少なくとも１個の補助点がすべて一つの画像に写し込まれるように、焦点距離が既知の撮影装置によって、少なくとも２箇所で撮影する撮影工程と、前記少なくとも２箇所で撮影された各画像における前記評価点、基準点および補助点の各２次元座標位置を測定する２次元座標位置測定工程と、前記基準点の３次元座標位置および前記各画像における２次元座標位置に基いて、前記評価点の３次元座標位置を算出する３次元座標位置算出工程と、を有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、据え付けられた設備の複数の評価点の３次元座標位置を求める装置であって、前記評価点の近傍に設定された少なくとも３個の基準点の３次元座標位置データを入力する手段と、焦点距離が既知の撮影装置によって、前記複数の評価点、前記少なくとも３個の基準点および少なくとも１個の補助点がすべて一つの画像に写し込まれるような画像を少なくとも２箇所の撮影位置で得られる撮影手段と、前記撮影手段によって得られた少なくとも２箇所の撮影位置で得られた各画像における前記評価点、基準点および補助点の各２次元座標位置データを求める２次元座標位置測定手段と、前記基準点の３次元座標位置データおよび前記各画像における２次元座標位置データに基いて、前記評価点の３次元座標位置を算出する３次元座標位置算出手段と、を有することを特徴とする。

本発明の３次元座標位置評価方法及び評価装置によれば、各種設備の据付け後の施工精度を評価するために、据え付けられた設備の形状の３次元座標位置及び配管勾配値を正確に計測することができる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第1の実施の形態による３次元座標位置評価方法の全体の流れを示すフローチャートであり、図２はその設備施工精度評価装置のハードウエア構成を示すブロック図である。
また、図１のフローチャートのうち、画像データ取得と３次元座標基準点測量のステップの詳細を図３に示す。

まずはじめに、図１および図３に示ように、３次元座標値を取得したい、据え付けられた設備１Ａ，１Ｂ，１Ｃなどの近傍に、図４（ａ）から（ｃ）に示すようないずれかの３次元座標の基順点２１，２２，２３と座標基準点の補助点３１，３２，３３を設定する（Ｓ１）。

設定する基準点２１，２２，２３は施工精度評価に必要に応じて設備上３個以上、補助点３１，３２，３３は１個以上とし、これら少なくとも３個の基準点および少なくとも１個の補助点を少なくとも２箇所から前記設備１Ａ，１Ｂ，１Ｃの３次元座標値を取得したい評価点とともに見える位置に設定する。

図３に示した基準点２１，２２，２３の３次元座標位置は三角測量原理を利用した光波式測量装置（セオドライト又はトータルステーション）３などの測量儀により測定され（Ｓ２）、計測・算出された値は演算処理部に入力される（Ｓ３）。
これらの測定された基準点２１，２２，２３の３次元座標位置データは最終的に図２に示す設備施工精度評価装置４の入力部４Ａに入力される（Ｓ９）。

次に画像データ取得方法について説明する。
図５は設備の複数の評価点の３次元座標位置取得のための一般写真測量法の一例を説明する図である。
図５に示すように３次元座標位置取得の対象物となる設備１Ａ，１Ｂ，１Ｃが配置されており、設備１Ａの点Ａを評価点として３次元座標を算出する場合について説明する。

例えば、カメラ位置１とカメラ位置２の少なくとも２箇所に配置されたフィルムカメラ、デジタルカメラなどのカメラＣ１，Ｃ２からなる焦点距離が既知の撮影装置により、設備１Ａの評価点Ａの画像データと、図３に示す少なくとも３個の基準点２１，２２，２３と、少なくとも1個の補助点３１（３２，３３）とをそれぞれのカメラ位置からそれぞれ一つの画像に写し込まれるように撮影し、画像データを取得する（Ｓ４）。

この画像データはさらに演算処理部に入力され（Ｓ３）、画像データが保存される（Ｓ５）。
これらの画像データも最終的には図２に示す設備施工精度評価装置４の入力部４Ａへ入力され、演算処理部４Ｂを通って保存部４Ｃに保存される（Ｓ９）。

カメラＣ１，Ｃ２により撮影された設備１Ａの評価点Ａは図に示すように写真５、６上に投射される。
図６に示すとおり写真５，６上の点に二次元座標系（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２）を取る。そして、写真５、６の二次元座標系（Ｘ１，Ｙ１），、（Ｘ２，Ｙ２）を含む全体の三次元座標系を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とする。

カメラＣ１，Ｃ２の焦点をｆ、カメラＣ１，Ｃ２間のＸ方向の離間距離をａとすると、写真５の座標系原点Ｏ１は全体座標系では（０，０，ｆ）、写真６の座標系原点Ｏ２は全体座標系では（ａ，０，ｆ）に位置することになる。

他方、評価点Ａが写真５上に投射された点をＢ１とし、写真６上に投射された点をＢ２とすると、点Ｂ１と点Ｂ２の二次元座標をそれぞれ写真座標上でＢ１（ｘ１，ｙ１）、Ｂ２（ｘ２，ｙ２）とすると、全体座標系では、Ｂ１（ｘ１，ｙ１，ｆ）、Ｂ２（ａ＋ｘ２，ｙ２，ｆ）となる。

図６において、点Ｂ２を写真５上に平行移動させた点をＢ２’とすると、三角形Ｏ１，Ｂ１，Ｂ２’と三角形Ａ，Ｏ１，Ｏ２は相似関係にあるので、評価点Ａの３次元座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、座標間に以下の関係が成り立つ。

ｘ＝（ｘ１／（ｘ１−ｘ２））・ａ
ｙ＝（ｙ１／（ｘ１−ｘ２））・ａ＝（ｙ２／（ｘ１−ｘ２））・ａ
ｚ＝（ｆ／（ｘ１−ｘ２））・ａ

以上のように、カメラの焦点距離ｆおよびカメラＣ１とＣ２の離間距離ａが分かっており、点Ｂ１と点Ｂ２の写真上での二次元座標が求められれば、評価点Ａの３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。

一方、図３に示す画像取得の構成では光波式測量装置３により基準点２１，２２，２３の３次元座標を取得している。
ここで、図５に示す評価点Ａが、図３に示す基準点であると考えると、評価点Ａの座標（ｘ，ｙ，ｚ）が光波式測量装置３によって得られることになり、カメラＣ１とＣ２の離間距離ａが逆算して求めることができる。

カメラＣ１とＣ２の離間距離ａが求まれば、図５、図６の例と同じく設備１Ａ上の任意、複数のの評価点の３次元座標が算出できることになる。
このようにして算出された設備１Ａ上の複数の評価点の３次元座標は、図２に示す設備施工精度評価装置４入力部４Ａ、演算処理部４Ｂを通って保存部４Ｃに保存される。さらにその３次元座標は表示部４Ｄと判定部４Ｅへと送られる。

図３に示す画像取得の構成にすることによって、カメラ位置を自由に設定できることになり、工事中の建物・プラント等、カメラを設置する位置に制約がある場合においても、画像取得が容易となる。

さらに図７に示す点Ｃと点Ｄを３次元座標の基準点と補助点とし、それぞれの座標を（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）、（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄ）とすると、図６の場合と同様に以下の式が成り立つ。

Ｘｃ＝（Ｘｃ１／（Ｘｃ１−Ｘｃ２））・ａ
Ｙｃ＝（Ｙｃ１／（Ｘｃ１−Ｘｃ２））・ａ＝（Ｙｃ２／（Ｘｃ１−Ｘｃ２））・ａ
Ｚｃ＝（ｆ／（Ｘｃ１−Ｘｃ２））・ａ
Ｘｄ＝（Ｘｄ１／（Ｘｄ１−Ｘｄ２））・ａ
Ｙｄ＝（Ｙｄ１／（Ｘｄ１−Ｘｄ２））・ａ＝（Ｙｄ２／（Ｘｄ１−Ｘｄ２））・ａ
Ｚｄ＝（ｆ／（Ｘｄ１−Ｘｄ２））・ａ

ここで（Ｘｃ１，Ｙｃ１），（Ｘｄ１，Ｙｄ１），（Ｘｃ２，Ｙｃ２），（Ｘｄ２，Ｙｄ２）は点Ｃと点Ｄがそれぞれ写真５と写真６に投射された点の写真座標である。この場合、カメラＣ１とＣ２の離間距離ａが未知であっても、カメラの焦点距離ｆが分かっていれば上の式によりＸｃ，Ｙｃ，Ｚｃ，Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄの比率Ｘｃ：Ｙｃ：Ｚｃ：Ｘｄ：Ｙｄ：Ｚｄが分かることになる。

Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ，Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄの比率Ｘｃ：Ｙｃ：Ｚｃ：Ｘｄ：Ｙｄ：Ｚｄは以下の式により求められる。
Ｘｃ：Ｙｃ：Ｚｃ：Ｘｄ：Ｙｄ：Ｚｄ
＝（Ｘｃ１／（Ｘｃ１−Ｘｃ２））：（Ｙｃ１／（Ｘｃ１−Ｘｃ２））：（ｆ／（Ｘｃ１−Ｘｃ２））：（Ｘｄ１／（Ｘｄ１−Ｘｄ２））：（Ｙｄ１／（Ｘｄ１−Ｘｄ２））：（ｆ／（Ｘｄ１−Ｘｄ２））

図７においても、図５と図６の例と同様に評価点Ａの座標（ｘ，ｙ，ｚ）を光波式測量装置３によって得ることで、カメラＣ１とＣ２の離間距離ａを逆算し、点Ｃと点Ｄの座標（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）と（Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚ）を求めることができるが、一方でＸｃ，Ｙｃ，Ｚｃ，Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄの比率Ｘｃ：Ｙｃ：Ｚｃ：Ｘｄ：Ｙｄ：Ｚｄも点Ｃと点Ｄの写真座標（Ｘｃ１，Ｙｃ１），（Ｘｄ１，Ｙｄ１），（Ｘｃ２，Ｙｃ２），（Ｘｄ２，Ｙｄ２）より上の式から求めることができる。

従って、基準点の座標及びカメラの焦点距離ｆにより逆算された、カメラＣ１とＣ２の離間距離ａから求めたＸｃ，Ｙｃ，Ｚｃ，Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄの比率と、点Ｃと点Ｄの写真座標から求めたＸｃ，Ｙｃ，Ｚｃ，Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄの比率を比較することにより、逆算されたカメラＣ１とＣ２の離間距離ａの確からしさ及び精度を検証・補正することができる。

このように３次元座標の基準点、補助点を使用することで、３次元座標基準点だけの計測より信頼性の高い計測ができるようになる。
また、３次元座標基準点は光波式測量装置３などの測量儀による３次元座標測定が必要であり、その個数が増えると光波式測量装置などによる測定時間は基準点の個数に比例して増加するが、補助点は３次元座標を測定する必要がないため、基準点、補助点を使用することで測定時間を短くすることができ、測定の信頼性を向上することができる。

次に図８を用いて本発明の第２の実施の形態について説明する。
本発明の第２の実施の形態は、３次元ＣＡＤデータに関する３次元座標及び配管勾配率算出方法に関するものである。

図８に示すように、前記第1の実施の形態と同様に配管７の据え付け後の画像データを取得するとともに、基準点と補助点を設定し、基準点の３次元座標値を算出して前記図１で示したフローチャートの演算処理部に入力する（Ｓ３）。
この演算処理部のデータを基に３次元ＣＡＤデータ構築機能を用いて据付け後の状態を表示した配管７の３次元ＣＡＤデータを作成し（Ｓ６）、保存する（Ｓ７）。

また作成した配管７の３次元ＣＡＤデータから配管７のセンターラインを算出し、取得したい３次元座標点（図８のＡ’点−Ｅ’点）および配管勾配値（勾配率）を算出する（Ｓ８）。
これに対して、据え付け設計段階での配管７の３次元座標値及び配管勾配値を同じく図８のＡ点−Ｅ点とする。

図９（ａ）、（ｂ）は図１で示したフローチャートの保存部に保存される配管７の３次元座標値を例示する図である。上記で算出した座標点Ａ’、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ’点の３次元座標値を設備施工精度評価装置４に入力し、配管７の据付け後と設計段階での３次元座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および配管勾配値を比較して、その偏差ΔＸ，ΔＹ，ΔＺを求め、プラント運転開始前に設計条件及び設計要求（規定座標値、配管勾配値等）が満足されているかの確認、評価を行う。

次に図１０は本発明の変形例を示す図で、前記３次元座標位置評価方法において、写真測量法ではなくレーザー光線を用いる方法を説明するための図である。
すなわち、レーザー光線８を設備１Ａへ発射し、その反射光９を受信することにより、そのレーザー発射角度α１と反射レーザー受信角度α２、およびレーザー発射位置Ｐ１とレーザー受信位置Ｐ２の距離Ｌから三角法又はパルスレーダー法を用いて、設備１Ａの３次元座標を算出することができる。

本手法も前述と同様に３次元ＣＡＤへの展開から任意の３次元座標値を算出し、設備施工精度評価装置に入力し、据付け後と設計段階での３次元座標値および配管勾配値を比較、評価することができる。
なお、前記実施の形態におけるカメラでの撮影は可視光によるものに限らず、赤外線、Ｘ線などを用いることができる。

本発明の第１の実施の形態による３次元座標位置評価方法の全体流れを示すフローチャート。 本発明の第１の実施の形態における施工精度評価装置の構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施の形態による３次元座標位置評価方法の画像データ取得方法を示す説明図。 本発明の第１の実施の形態による３次元座標位置評価方法における３次元座標の基準点および補助点を例示する説明図。 本発明の第１の実施の形態による３次元座標位置評価方法における写真測量法を示す説明図。 写真測量法における座標系を示す説明図。 写真測量法における３次元座標の基準点および補助点を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態による３次元座標位置評価方法を示す説明図。 本発明の第２の実施の形態による３次元座標位置評価方法における保存部に保存される設備の３次元座標値を例示する説明図。 本発明の変形例によるレーザー光線による測量法を示す説明図。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…設備、３…光波式測量装置、４…設備施工精度評価装置、５，６…写真、７…配管、２１，２２，２３…基準点、３１，３２，３３…補助点、Ｃ１，Ｃ２…カメラ。

Claims (5)

1. 据え付けられた設備の複数の評価点の３次元座標位置を求める方法であって、少なくとも３個の基準点および少なくとも１個の補助点を少なくとも２箇所から前記評価点とともに見える位置に設定する設定工程と、前記基準点の３次元座標位置を測定する３次元座標位置測定工程と、前記複数の評価点、少なくとも３個の基準点および少なくとも１個の補助点がすべて一つの画像に写し込まれるように、焦点距離が既知の撮影装置によって、少なくとも２箇所で撮影する撮影工程と、前記少なくとも２箇所で撮影された各画像における前記評価点、基準点および補助点の各２次元座標位置を測定する２次元座標位置測定工程と、前記基準点の３次元座標位置および前記各画像における２次元座標位置に基いて、前記評価点の３次元座標位置を算出する３次元座標位置算出工程と、を有することを特徴とする３次元座標位置評価方法。
2. 請求項１に記載の３次元座標位置評価方法において、前記評価点の設計上の３次元座標位置を入力する工程と、前記評価点の設計上の３次元座標位置と、前記３次元座標位置算出工程で得られた前記評価点の３次元座標位置とを比較して、前記設備の施工精度を評価する評価工程と、をさらに有することを特徴とする３次元座標位置評価方法。
3. 請求項１または２に記載の３次元座標位置評価方法において、前記３次元座標位置算出工程で得られた前記複数の評価点のうちの２箇所の評価点の３次元座標位置の相互関係に基いてこれら２箇所の評価点の間の勾配を評価する勾配評価工程をさらに有すること、を特徴とする３次元座標位置評価方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の３次元座標位置評価方法において、前記３次元座標位置測定工程は、測量儀を用いるものであること、を特徴とする３次元座標位置評価方法。
5. 据え付けられた設備の複数の評価点の３次元座標位置を求める装置であって、前記評価点の近傍に設定された少なくとも３個の基準点の３次元座標位置データを入力する手段と、焦点距離が既知の撮影装置によって、前記複数の評価点、前記少なくとも３個の基準点および少なくとも１個の補助点がすべて一つの画像に写し込まれるような画像を少なくとも２箇所の撮影位置で得られる撮影手段と、前記撮影手段によって得られた少なくとも２箇所の撮影位置で得られた各画像における前記評価点、基準点および補助点の各２次元座標位置データを求める２次元座標位置測定手段と、前記基準点の３次元座標位置データおよび前記各画像における２次元座標位置データに基いて、前記評価点の３次元座標位置を算出する３次元座標位置算出手段と、を有することを特徴とする３次元座標位置評価装置。
   
   

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