JP2018173321A - 原料ヤードの原料山形状の計測方法および計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料ヤード内の原料山形状を短時間で安価に計測できる計測方法を提供する。【解決手段】ヤード機械２のブーム２１に、１台の撮像装置１１を設置し、ブーム２１の俯仰角および旋回角を、撮像装置１１の視野の範囲内に原料ヤード２０の幅全体が納まるように設定した角度に保持した状態で、ヤード機械２を原料ヤード２０の長手方向に走行させながら、撮像装置１１で一定時間間隔毎または一定距離毎に原料ヤード２０を撮影し、撮影した画像同士の重複部分の画像を利用して３次元画像計測手法により、原料ヤード２０の原料山形状を計測する。【選択図】図２

Description

本発明は、製鉄所等における原料ヤードの原料山形状（プロフィル）の計測を行う計測方法および計測装置に関するものである。

製鉄所では、大型船で運ばれてきた鉄鉱石や石炭等の原料を原料岸壁で荷揚げし、荷揚げした原料を、スタッカ（積付機）により、種類および銘柄が混ざらないように別々の原料山として原料ヤードに山積みの状態にして保管している。原料ヤードに積み付けられた原料は、操業スケジュールに応じて、リクレーマ（払出機）により原料山から払い出され、焼結工場、コークス工場等の後工程に送られる。原料ヤードでは、操業スケジュールに応じて原料の積み付けと払い出しが行われる。原料山形状を計測し、これらの原料等の体積を管理することは、在庫管理および原料ヤードを効率よく運用するために、極めて重要である。

従来、作業員が、山積みされた原料の周囲の長さと高さとを測量して原料山形状を見積もり、その形状から原料の保管量を見積もるという作業を行ってきた。ところが、製鉄所の原料ヤードは、原料山の高さが１０ｍ〜１４ｍ前後、原料ヤードの幅が５０ｍ前後、長さが５００ｍ〜１０００ｍ程度と大規模であり、さらに、通常、一つの製鉄所で複数の原料ヤードを保有しているため、手作業では極めて手間や時間がかかる。

このため、近年は、スタッカやリクレーマ等のヤード機械のブーム（アーム）上に、２Ｄレーザ距離計やステレオカメラを設置し、ヤード機械を原料ヤードの長手方向に走行させることで、原料ヤードの原料山形状を計測する方法が、例えば特許文献１、２に開示されている。

特開２０１１−１５７１８７号公報 特開２０１２−１９３０３０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されているように２Ｄレーザ距離計を設置する方法は、膨大な設備コストを要するため、普及の大きな障害となっている。また、特許文献２に記載されているようにステレオカメラを用いる場合、市販のステレオカメラでは、広大な原料ヤードの原料山形状を精度良く計測する規模のものはなく、計測範囲を大きくするためにカメラ間距離を大きく離すと、装置が大型化してしまうという問題がある。また、装置の大型化、非汎用機化によりコストが大幅増となるため、普及に至っていないのが実態である。

本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、原料ヤード内の原料山形状を短時間で安価に計測できるようにすることを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、原料ヤードの原料山形状の計測方法であって、ヤード機械のブームに、１台の撮像装置を設置し、前記ブームの俯仰角および旋回角を、前記撮像装置の視野の範囲内に前記原料ヤードの幅全体が納まるように設定した角度に保持した状態で、前記ヤード機械を前記原料ヤードの長手方向に走行させながら、前記撮像装置で一定時間間隔毎または一定距離毎に前記原料ヤードを撮影し、撮影した画像同士の重複部分の画像を利用して３次元画像計測手法により、前記原料ヤードの原料山形状を計測することを特徴とする、原料ヤードの原料山形状の計測方法を提供する。

前記撮像装置を、真下に向けて、且つ、前記原料ヤードの地面と平行に設置することが好ましい。

また、本発明は、原料ヤードの原料山形状の計測方法であって、ヤード機械のブームに、１台の撮像装置を設置し、前記ブームの俯仰角を予め設定した角度に保持し、前記ブームを第一の旋回角まで旋回させた状態で、前記ヤード機械を前記原料ヤードの長手方向に走行させながら、前記撮像装置で一定時間間隔毎もしくは一定距離毎に前記原料ヤードを撮影し、さらに、前記ブームを、前記第一の旋回角とは異なる第二の旋回角まで旋回させた状態で、前記ヤード機械を、前記原料ヤードの長手方向に第一の旋回角での撮影時とは逆方向に走行させながら、前記撮像装置で一定時間間隔毎または一定距離毎に前記原料ヤードを撮影し、前記第一の旋回角と第二の旋回角は、少なくとも両方の撮影を合わせた前記撮像装置の視野の範囲内に、前記原料ヤードの幅全体が納まるように設定され、かつ、前記第一の旋回角または第二の旋回角のいずれかは、前記撮像装置の視野の範囲内に、前記原料ヤードの長手方向に沿って設置されたヤード機械用レール、コンベア、コンベア架台のうち少なくともいずれかが納まるように設定され、撮影した画像同士の重複部分の画像を利用して３次元画像計測手法により、前記原料ヤードの原料山形状を計測することを特徴とする、原料ヤードの原料山形状の計測方法を提供する。

さらに、本発明は、原料ヤードの原料山形状を計測する計測装置であって、前記原料ヤードの長手方向に走行可能なヤード機械のブームに設置された１台の撮像装置と、前記撮像装置により撮影した前記原料ヤードの複数の画像の重複部を利用して３次元画像計測手法により、前記原料ヤードの原料山形状を解析する解析システムを備えた画像処理部と、を備えていることを特徴とする、原料ヤードの原料山形状の計測装置を提供する。

本発明によれば、低コスト且つ短時間で原料ヤード内の原料山形状を計測することができる。

本発明の実施形態にかかる計測装置を示す概略構成図である。 本発明の実施形態にかかる計測装置の撮像装置の取付位置を説明する図である。 本発明の実施形態にかかる原料山形状の計測方法の例を説明する図である。 図３に示す計測方法のフローチャートである。 本発明の実施形態にかかる原料山形状の計測方法の異なる例を説明する図であり、（ａ）は第一の旋回角の撮影時、（ｂ）は第二の旋回角の撮影時を示す。 図５に示す計測方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態にかかる原料ヤードの原料山形状の計測装置の概略構成図である。計測装置１は、撮像装置１１、制御部１２、および画像処理部１３を備えている。

撮像装置１１は、図２に示すように、スタッカやリクレーマ等のヤード機械２のブーム２１の先端付近に、１台設置される。撮像装置１１としては、市販のデジタルカメラを用いることができる。

制御部１２は撮像装置１１に接続され、撮影条件等の制御や撮像装置１１が撮影した画像データの収集等を行う。制御部１２は、ヤード機械２上に設置される。

画像処理部１３は、撮像装置１１で撮影された複数の画像から、３次元画像計測手法によって三次元解析して原料山の体積等を計測するものであり、パーソナルコンピュータに市販の３次元画像解析システム等を導入して用いることができる。画像処理部１３は、例えば原料ヤード全体の情報を集約している事務所等に設けられ、制御部１２から有線または無線の通信手段により画像データが送信され、計測処理が行われる。

次に、上記の計測装置１を用いた、本発明の実施形態にかかる原料山形状の計測方法の例を、図３および図４を参照して説明する。図３は原料ヤード２０を上から見た平面図の一例である。

先ず、スタッカやリクレーマ等のヤード機械２のブーム２１上に、１台の撮像装置１１を設置し（図４，Ｓ１）、ヤード機械２を、計測を行う原料山１０の、原料ヤード２０の長手方向の一端側の位置まで走行させ、停止させる。そして、撮像装置１１が原料山１０よりも高い位置になり、且つ、この撮像装置１１の視野の範囲内に原料ヤード２０の幅Ｗ全体が納まるように、ブームの俯仰角および旋回角を順に調整し、固定する（図４，Ｓ２、Ｓ３）。その状態を保持したままで、ヤード機械２を原料山１０の長手方向の一方の端から他方の端まで走行させながら、撮像装置１１で一定距離毎に連続撮影する（図４，Ｓ４）。

撮像装置１１は、真下に向けて、且つ、原料ヤード２０の地面と平行に設置する。また、なるべくブーム２１の先端付近に設置し、さらに、ブーム２１の仰角θ（図２参照）をなるべく大きくした方が、撮像装置１１の視野が広くなり、撮影回数を減らすことができる。これにより、画像データ、および撮影に要する時間を削減できる。さらに、画像データの量を少なくすることにより、画像処理時間を短縮することが可能となる。例えば本実施形態では、図２に示すヤード幅Ｗが５０ｍの原料ヤード２０において、ヤード機械２のブーム２１の旋回支点からの距離Ｌが４０ｍの位置に撮像装置１１を設置し、ブーム２１の仰角θを２０°とする。ブーム２１の旋回支点の高さｈ０が地上から１３ｍの場合、撮像装置１１の高さｈは２６．７ｍとなる。図３に示すように、旋回角は、撮像装置１１がヤード幅５０ｍの原料ヤード２０の幅方向中央に位置するように、３８．７°とする。また、撮像装置１１の水平画角は９０°であり、これによりカメラ視野は、５３．４ｍ（ヤード幅方向）×４０．１ｍ（長手方向）となる。この状態を維持しながらヤード機械２を走行させ、１ｍ移動毎に１回、撮像装置１１による撮影を実施する。撮影間隔は、ヤード機械２が一定速度で移動する場合には、時間間隔で設定すればよい。

図３に示すように、連続撮影する際、画像Ｐｉは、直前に撮影した画像Ｐ（ｉ−１）に対して、原料ヤード２０の長手方向において、画像全体の少なくとも５０％、好ましくは６０％以上の範囲を重複するように撮影間隔を設定する。原理的には、原料ヤード２０の長手方向に重複する寸法Ｂは、画像全体の当該方向寸法Ａの５０％で問題ないが、使用する撮像装置１１のレンズ収差等を考慮すると、Ｂ／Ａは６０％以上とすることが、より好ましい。図３に示す実施形態では、画像のオーバーラップ率は９４％超である。

本実施形態では、撮像装置１１の視野の範囲内に原料ヤード２０の幅全体が納まるようにブームを調整しているため、撮影された全ての画像には、ヤード幅Ｗの全幅が写っている。したがって、本実施形態では、基準長を、ヤード幅Ｗ（＝５０ｍ）とすればよい。このように設置位置と寸法が明確に把握できるものを全ての画像に写し込んでおくことにより、原料山１０の形状を解析する際の基準となる。

このようにして撮影した画像データは画像処理部１３へ送信され、画像処理部１３により、補正および計測が行われる。まず、写し込んだヤード幅を基準長として入力する（図４，Ｓ５）。次に、得られた画像群の中で、連続して撮影した複数枚の画像の重複部をパターンマッチングすることにより、原料ヤード２０内にある原料山１０の点群モデルを生成し（図４，Ｓ６）、さらに、生成した点群データを元にＴＩＮ（三角形の集合体）モデルを生成する（図４，Ｓ７）。そして、そのＴＩＮモデルに基づいて原料山１０の体積を求める（図４、Ｓ８）。こうして求めた原料山形状に基づいて、原料の在庫を精度良く管理すると共に原料ヤード２０を効率よく運用することができる。この計測装置１によって、ヤード機械２の左右両側の原料ヤード２０の原料山１０の計測を兼用して行うことができる。

図５、図６は、本発明の実施形態にかかる原料山形状の計測方法の異なる例を示す。図５は原料ヤード２０を上から見た平面図である。

ヤード機械２のブーム２１上に、１台の撮像装置１１を設置し（図６，Ｓ１１）、ヤード機械２を、計測を行う原料山１０の一端側の位置まで走行させ、ブーム２１の俯仰角を調整する（図６，Ｓ１２）。この工程までは、上記実施形態と同様である。また、撮像装置１１を設置するヤード機械２とブーム２１への取付位置も同様である。撮像装置１１の水平画角は８０°である。

本実施形態では、ブーム２１の旋回角を２種類設定し、先ず、第一の旋回角度に調整して固定する（図６，Ｓ１３）。本実施形態では、図５（ａ）に示すように、第一の旋回角度を２２．０°とする。これにより、撮像装置１１は、原料ヤード２０の幅方向のヤード機械２側から１５ｍの位置となり、この位置から、ヤード機械２を原料山１０の長手方向の一方の端から他方の端まで往路走行させ、撮像装置１１で一定距離毎に連続撮影する（図６，Ｓ１４）。

ヤード機械２が、計測を行う原料山１０の他端側まで到達すると、一旦停止し、ブーム２１を第二の旋回角度に調整して固定する（図６，Ｓ１５）。本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、第二の旋回角度を６１．０°とする。これにより、撮像装置１１は、原料ヤード２０の幅方向のヤード機械２側から３５ｍの位置となり、この位置から、ヤード機械２を第一の旋回角度のときとは反対の向きに復路走行させ、撮像装置１１で一定距離毎に、原料山１０を長手方向に連続撮影する（図６，Ｓ１６）。

本実施形態では、第一の旋回角度時のカメラ視野は４４．８ｍ（ヤード幅方向）×３３．６ｍ（長手方向）となり、一方向の撮影のみでは、原料ヤード２０の幅方向全体が撮影できないが、旋回角度を換えて往復撮影することにより、原料ヤード２０の幅方向全体にわたって撮影できる。画像処理の工程は、上記の実施形態と同様である（図６，Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９、Ｓ２０）。

撮像装置１１は、ヤード機械２のブーム２１の長手方向に対し、予め定めた角度で固定しているため、ブーム２１の旋回角を変化させると、図５に示すように、ヤード幅方向、長手方向に対する撮像装置１１の視野の角度が変化する。ブーム２１の旋回角に応じて撮像装置１１の角度を変えてもよいが、原料ヤード２０は粉塵などが多く、可動部分はなるべく少ないことが好ましい。

本実施形態では、基準長として、一回目の往路走行時の撮影では、全ての画像に、原料ヤード２０の幅方向片側に設けられたヤード機械２用の一対のレール３１を写し込んでいる。原料ヤード２０の側方には、ヤード機械２用のレール３１が必ず設置されており、この一対のレール３１の間隔は例えば８ｍ程度で原料ヤード２０の全長にわたって一定である。基準となるものはレール３１に限らず、例えば原料運搬用コンベアやコンベア架台等のように、原料ヤード２０内に固定配置された設備のいずれかを写し込んでもよい。なお、基準となるものは、できるだけ長い方が精度上有利である。このように、既存の設備等を利用することにより、基準長を示す専用指標を配置する手間を省ける。既存の設備がないときには、予め決められた寸法の指標を地上に配置し、それを撮影画像に写し込むようにしてもよい。

本発明の原料山形状の計測において、撮像装置１１の位置を把握するため、撮像装置１１の近傍にＧＰＳを配置してもよい。この場合、撮像装置１１としてＧＰＳ機能付きのカメラを用いてもよいし、ヤード機械２の位置情報を利用してもよい。原料山１０の正確な位置情報が必要ではなく、山形状とその在庫量だけを把握できればよい場合には、ＧＰＳによる撮像装置１１の位置情報は不要である。

本発明によれば、原料ヤード２０で使用されているヤード機械２に１台の撮像装置１１を取り付けることで、原料山形状の計測を行うことができ、従来手作業で原料山形状を計測していた作業員の負担を大幅に削減することができる。また、２Ｄレーザ距離計やステレオカメラを用いた従来の計測方法と比較して、本発明は汎用品である撮像装置（デジタルカメラ）、パソコンおよび市販の３Ｄ画像計測ソフトで実施できることから、大幅な設備コスト削減が可能となる。したがって、本発明により、低コストで、精度の良い原料の在庫管理と効率の良い運用管理が可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、実施形態として、２種類の旋回角度を設定してヤード機械を往復走行させる測定方法を記載したが、３種類以上の旋回角度を設定して、その都度前回とは逆向きにヤード機械を走行させて測定してもよい。

本発明は、製鉄所に限らず、例えば石炭火力発電所の石炭ヤードなどのように屋外で原料等を貯蔵する施設において、その山形状を計測する装置および方法として適用でき、在庫管理や施設の運用管理に利用できる。

１ 計測装置
２ ヤード機械
１０ 原料山
１１ 撮像装置
１２ 制御部
１３ 画像処理部
２０ 原料ヤード
２１ ブーム

Claims (4)

1. 原料ヤードの原料山形状の計測方法であって、
   ヤード機械のブームに、１台の撮像装置を設置し、
   前記ブームの俯仰角および旋回角を、前記撮像装置の視野の範囲内に前記原料ヤードの幅全体が納まるように設定した角度に保持した状態で、前記ヤード機械を前記原料ヤードの長手方向に走行させながら、前記撮像装置で一定時間間隔毎または一定距離毎に前記原料ヤードを撮影し、
   撮影した画像同士の重複部分の画像を利用して３次元画像計測手法により、前記原料ヤードの原料山形状を計測することを特徴とする、原料ヤードの原料山形状の計測方法。
2. 前記撮像装置を、真下に向けて、且つ、前記原料ヤードの地面と平行に設置することを特徴とする、請求項１に記載の原料ヤードの原料山形状の計測方法。
3. 原料ヤードの原料山形状の計測方法であって、
   ヤード機械のブームに、１台の撮像装置を設置し、
   前記ブームの俯仰角を予め設定した角度に保持し、
   前記ブームを第一の旋回角まで旋回させた状態で、前記ヤード機械を前記原料ヤードの長手方向に走行させながら、前記撮像装置で一定時間間隔毎もしくは一定距離毎に前記原料ヤードを撮影し、
   さらに、前記ブームを、前記第一の旋回角とは異なる第二の旋回角まで旋回させた状態で、前記ヤード機械を、前記原料ヤードの長手方向に第一の旋回角での撮影時とは逆方向に走行させながら、前記撮像装置で一定時間間隔毎または一定距離毎に前記原料ヤードを撮影し、
   前記第一の旋回角と第二の旋回角は、少なくとも両方の撮影を合わせた前記撮像装置の視野の範囲内に、前記原料ヤードの幅全体が納まるように設定され、
   かつ、前記第一の旋回角または第二の旋回角のいずれかは、前記撮像装置の視野の範囲内に、前記原料ヤードの長手方向に沿って設置されたヤード機械用レール、コンベア、コンベア架台のうち少なくともいずれかが納まるように設定され、
   撮影した画像同士の重複部分の画像を利用して３次元画像計測手法により、前記原料ヤードの原料山形状を計測することを特徴とする、原料ヤードの原料山形状の計測方法。
4. 原料ヤードの原料山形状を計測する計測装置であって、
   前記原料ヤードの長手方向に走行可能なヤード機械のブームに設置された１台の撮像装置と、
   前記撮像装置により撮影した前記原料ヤードの複数の画像の重複部を利用して３次元画像計測手法により、前記原料ヤードの原料山形状を解析する解析システムを備えた画像処理部と、を備えていることを特徴とする、原料ヤードの原料山形状の計測装置。

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