JP2020045682A - 掘削機の位置計測システム及び操作分析システム - Google Patents

Abstract

【課題】極めて簡単に且つコスト安に掘削機の位置を随時計測可能な掘削機の位置計測システムを提供すること。【解決手段】横坑を掘削する掘削機１の位置計測システムであって、前記掘削機１に設けられるカメラ２と、前記掘削機１の後方に設置され覆工を構成するセグメント３に設けられ、既知の位置座標を有し且つ所定高さ若しくは所定幅を有する指標４と、前記カメラ２で撮影された前記指標４を含む画像データをもとに、前記カメラ２から前記指標４までの距離と、前記指標４の高さ若しくは幅の画素数との関係から導かれる関係式を用いて前記画像データ撮影時における前記カメラ２から前記指標４までの距離を算出する算出部とを有し、この算出部で算出した前記カメラ２から前記指標４までの距離に基づいて前記掘削機１の位置を得るように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、掘削機の位置計測システム及び操作分析システムに関するものである。

掘削機（シールド機）を用いて地山に横坑を掘削する際、計画通りに掘削するため、例えば特許文献１に開示されるように、頻繁に横坑内に測量機を持ち込んで掘削機の先端位置の計測（測量）を行い、計画通りに掘削されているか否か確認する必要がある。

ところで、測量機は精密機器であり重量物でもあるため、頻繁に移動・設置するのは厄介であり（測量機を坑内に設置したままではセグメントの搬送等の坑内作業を阻害する。）、より簡単に掘削機の位置計測を行える手段が要望されている。

特開平１０−３０９２６号公報

本発明は、上述のような現状に鑑みなされたもので、市販のデジタルカメラやＷＥＢカメラ等を用い、極めて簡単に且つコスト安に掘削機の位置を随時計測可能な極めて実用的な掘削機の位置計測システム及び操作分析システムを提供するものである。

本発明の要旨を説明する。

横坑を掘削する掘削機１の位置計測システムであって、
前記掘削機１に設けられるカメラ２と、
前記掘削機１の後方に設置され覆工を構成するセグメント３に設けられ、既知の位置座標を有し且つ所定高さ若しくは所定幅を有する指標４と、
前記カメラ２で撮影された前記指標４を含む画像データをもとに、前記カメラ２から前記指標４までの距離と、前記指標４の高さ若しくは幅の画素数との関係から導かれる関係式を用いて前記画像データ撮影時における前記カメラ２から前記指標４までの距離を算出する算出部とを有し、
この算出部で算出した前記カメラ２から前記指標４までの距離に基づいて前記掘削機１の位置を得るように構成されていることを特徴とする掘削機の位置計測システムに係るものである。

また、横坑を掘削する掘削機１の位置計測システムであって、
前記掘削機１に設けられるカメラ２と、
前記掘削機１の後方に設置され覆工を構成するセグメント３に設けられ、既知の位置座標を有し且つ所定高さ若しくは所定幅を有する指標４と、
前記カメラ２で撮影された前記指標４を含む画像データをもとに、前記カメラ２から前記指標４までの距離と、前記指標４の高さ若しくは幅の画素数と実寸法の比との関係から導かれる関係式を用いて前記画像データ撮影時における前記カメラ２から前記指標４までの距離を算出する算出部とを有し、
この算出部で算出した前記カメラ２から前記指標４までの距離に基づいて前記掘削機１の位置を得るように構成されていることを特徴とする掘削機の位置計測システムに係るものである。

また、請求項１，２いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記指標４は前記セグメント３に複数設けられていることを特徴とする掘削機の位置計測システムに係るものである。

また、請求項３記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記カメラ２から前記各指標４までの距離を夫々算出し、後方交会法により前記カメラ２の位置座標を算出して該カメラ２の位置座標に基づいて前記掘削機１の位置を得るように前記算出部が構成されていることを特徴とする掘削機の位置計測システムに係るものである。

また、請求項１〜４いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記指標４は、少なくとも高さ方向の両端部及び幅方向の両端部が夫々異なる色で色分けされているものであることを特徴とする掘削機の位置計測システムに係るものである。

また、請求項５記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記指標４の前記高さ方向の両端部及び前記幅方向の両端部は、一方を白色、他方を黒色として色分けされていることを特徴とする掘削機の位置計測システムに係るものである。

また、請求項１〜６いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記算出部は地上に設置され、この算出部は前記カメラ２と通信回線を介して接続されていることを特徴とする掘削機の位置計測システムに係るものである。

また、請求項１〜７いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記カメラ２は単眼カメラ２であることを特徴とする掘削機の位置計測システムに係るものである。

また、請求項１〜８いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムを使用して前記掘削機１の操作分析を行う掘削機１の操作分析システムであって、前記掘削機１の操作データと、前記カメラ２から前記指標４までの距離をもとに算出された前記掘削機１の計測位置データとを蓄積し、この蓄積された前記掘削機１の計測位置データから前記掘削機１の移動軌跡を算出し、前記操作データと前記計測位置データと前記移動軌跡とから、人工知能を利用して前記掘削機１の操作分析を行う操作分析部を有することを特徴とする掘削機の操作分析システムに係るものである。

本発明は上述のように構成したから、極めて簡単に且つコスト安に掘削機の位置を随時計測可能な極めて実用的な掘削機の位置計測システム及び操作分析システムとなる。

本実施例の概略説明図である。 本実施例の要部の概略説明斜視図である。 関係式（近似曲線）の導出例を示すグラフである。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

掘削機１により横坑を所定距離掘り進めたら、カメラ２により掘削機１の後方に設置されるセグメント３の指標４を含むように撮影し、撮影した画像データを用い、指標４からカメラ２までの距離を算出し、掘削機１の現在位置を計測する。

この際、前記カメラ２の前記関係式を予め導出しておき、算出部で前記関係式を利用可能にしておく。例えば、撮影に用いるカメラ２から指標４までの距離Ａ，Ｂ，Ｃ・・・と、この距離Ａ，Ｂ，Ｃ・・・における画像中の指標４の高さ（若しくは幅）の画素数ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ・・・を前記指標４の高さ（若しくは幅）の実寸法Ｘで除した画素数と実寸法との比（ＰＡ／Ｘ），（ＰＢ／Ｘ），（ＰＣ／Ｘ）・・・との関係をグラフにプロットし、このプロット点を通る近似曲線の式を導出し前記関係式として用いることができる。

指標４は作業者が任意の位置に取り付けることができるから、その位置は既知であり、また、カメラ２から掘削機１の所定部位（例えば先端）までの距離は一定（既知）である。

従って、カメラ２により随時指標４の撮影を行い、画像データ中の指標４の高さ（若しくは幅）の画素数から、指標４からカメラ２までの距離を算出して掘削機１の位置を随時計測し、計測した位置計測データから掘削機１の移動軌跡を得ることで、計画通りに横坑が掘削されているか否かを確認することが可能となる。例えば、カメラ２により常に２つ以上の指標４を捉え画像データを得ることができるように指標４を配置し、カメラ２から各指標４までの距離を夫々算出することで、後方交会法によりカメラ２の位置座標を導出できることになり、精度良く掘削機１の位置を計測可能となる。

よって、本発明によれば、市販のデジタルカメラ２やＷＥＢカメラ２を用いて簡単に且つコスト安に掘削機１の位置確認作業を行えることになる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、横坑を掘削する掘削機１の位置計測システムであって、前記掘削機１に設けられるカメラ２と、前記掘削機１の後方に設置され覆工を構成するセグメント３に設けられ、既知の位置座標を有し且つ所定高さ若しくは所定幅を有する指標４と、前記カメラ２で撮影された前記指標４を含む画像データをもとに、前記カメラ２から前記指標４までの距離と、前記指標４の高さ若しくは幅の画素数との関係から導かれる関係式を用いて前記画像データ撮影時における前記カメラ２から前記指標４までの距離を算出する算出部とを有し、この算出部で算出した前記カメラ２から前記指標４までの距離に基づいて前記掘削機１の位置を得るように構成されているものである。

具体的には、掘削機１は、シールド工法によりシールドトンネルを構築する際に用いるシールド掘進機である。シールド掘進機は、筒状本体部５と、この筒状本体部５の先端部（切羽側端部）に設けられ地山８を掘削するカッタヘッド６と、筒状本体部５の内側に設けられる推進ジャッキ７とを備えている。

シールド工法では、例えばシールド掘進機で地山８を掘削しながら、筒状本体部５の内側で次々に環状のセグメント３を組み立て、隣接するセグメント３同士を横坑の長手方向に連結していくことで円筒状の覆工体を構築する。なお、シールド掘進機は、その後方の既設セグメント３を推進ジャッキ７で後方へ押圧し、その反力として発生する推力によって、地山を掘削しながら前進する。

本実施例の掘削機１の筒状本体部５の後端部内面の天井位置には、吊下げ状態で一つのカメラ２（単眼カメラ２）が後ろ向きに設けられている。カメラ２としては、有線若しくは無線通信可能なＷＥＢカメラ２を採用できる。

また、セグメント３には適宜指標４を設ける。指標４は、少なくとも高さ方向の両端部及び幅方向の両端部が夫々異なる色で色分けされている。具体的には、前記指標４の前記高さ方向の両端部及び前記幅方向の両端部は、一方を白色、他方を黒色として色分けされている。

本実施例においては、指標４は、正面視正方形状で、所定の統一された寸法を有するものであり、二本の対角線で区切られた領域を夫々、高さ方向側を白色、幅方向側を黒色として、カメラ２で撮影した画像データ中で、高さ若しくは幅の少なくともいずれか一方は明瞭に認識できる構成としている。

指標４を取り付ける位置は自由に設定できるが、セグメント３の左右内側面等、通行の妨げになり難い位置（底部以外の部分）に取り付ける。指標４の位置座標は、例えば横坑の入口の所定の点を基準として予め計測しておく。

指標４は、図１に図示したように横坑の長手方向（前後方向）に所定間隔で並設すると共に、図２に図示したように横坑の長手方向と直交する上下左右方向にも並設する（横坑の長手方向と直交する同一平面上に複数設ける）と良い。また、指標４は、横坑がカーブする部分では多めに設け、カメラ２の撮影範囲に常に複数の指標４が含まれるようにするのが望ましい。

算出部は画像処理ソフト等を有するＰＣ（パーソナルコンピュータ）９により実現される。図２に図示したようにＰＣ９は地上の中央監視室10に設置され、地中の掘削機１のカメラ２と通信回線を介して接続されている。従って、掘削機１に算出部を設ける必要がなく、掘削機１のカメラ２で撮影した画像データを逐次地上のＰＣ９に取り込み、リアルタイムで掘削機１の先端位置を確認できる。

単眼カメラ２から指標４までの距離と指標４の高さ（若しくは幅）の画素数との関係、具体的には、単眼カメラ２から指標４までの距離と指標４の高さ（若しくは幅）の画素数と実寸法との比との関係から導かれる関係式は、単眼カメラ２固有のものであり、掘削機１に取り付ける前に予め、撮影に用いるカメラ２から指標４までの距離Ａ，Ｂ，Ｃ・・・と、この距離Ａ，Ｂ，Ｃ・・・における画像中の指標４の高さ（若しくは幅）の画素数ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ・・・を前記指標４の高さ（若しくは幅）の実寸法Ｘで除した画素数と実寸法との比（ＰＡ／Ｘ），（ＰＢ／Ｘ），（ＰＣ／Ｘ）・・・との関係をグラフにプロットし、このプロット点を通る近似曲線の式を導出しておき、この式を関係式として用いる。図３に近似曲線の式の例を示す。

この関係式を用い、撮影した画像データの指標４の高さ若しくは幅の画素数（及び既知の実寸法Ｘ）から、画像撮影時のカメラ２から指標４までの距離を得ることができる。

また、前記カメラ２から前記各指標４までの距離を夫々算出し、後方交会法により前記カメラ２の位置座標を算出して該カメラ２の位置座標に基づいて前記掘削機１の位置を得るように前記算出部を構成する。

具体的には、撮影された２点以上の指標４の位置座標（平面位置座標）と画像上の指標４の高さ若しくは幅の画素数から、カメラ２から指標４までの距離を割り出し、後方交会法により掘削機１内のカメラ位置座標を計算する。カメラ位置は予め掘削機１の既知の取り付け位置であるから、カメラ位置座標から掘削機１の先端位置座標を計算できる。そして、掘削機１の先端位置座標を所定の間隔で得ることで、掘削機１の移動軌跡を把握することが可能となる。

上述した本実施例に係る掘削機１の位置計測手法には以下の利点がある。
・撮影は一瞬で完了するため、坑内作業の支障にはならない（トータルステーション等の測量機で測量を行う場合は、既知点の視準をモータードライブ制御で１点ずつ行うため測量には時間が掛かる。）。
・設置するカメラサイズは小さくコンパクトなため、掘削機１内に設置しても邪魔にならない（モータードライブ式の測量機は非常に大きい。）。
・撮影された画像データを地上のＰＣに転送するだけなので、坑内設備はカメラ２と画像データ転送設備だけで済み、非常に簡単である（測量機の場合は測量機の動きと測量データを取得するための制御システムが必要。）。
・指標４が障害物や曲線施工で隠れることを考慮して、指標４を複数点に予め設置しておくことができる（測量機の場合は既知点が隠れた時に別の点を探すために、さらに時間が掛かる。）。
・カメラ撮影は一瞬で完了するため、掘削中であっても撮影が可能であり、短い間隔の撮影で掘削機１の軌跡が把握できる（測量機の場合は掘進中の測量は複数点視準で時間差による位置の変化が発生するため不可。）。

本実施例は上述のように構成したから、掘削機１により横坑を所定距離掘り進めたら、カメラ２により掘削機１の後方に設置されるセグメント３の指標４を含むように撮影し、撮影した画像データを用い、指標４からカメラ２までの距離を算出し、掘削機１の現在位置を計測することができる。

従って、カメラ２により随時指標４の撮影を行い、画像データ中の指標４の高さ（若しくは幅）の画素数から、指標４からカメラ２までの距離を算出して掘削機１の位置を随時計測し、計測した位置計測データから掘削機１の移動軌跡を得ることで、計画通りに横坑が掘削されているか否かを確認することが可能となる。

よって、本実施例によれば、単眼カメラ２により極めて簡単に且つコスト安に掘削機１の位置を随時計測可能な極めて実用的なものとなる。

また、上述のシステムに更に以下のような操作分析部を加えて掘削機１の操作分析を行うことも可能である。即ち、前記掘削機１の操作データと、前記カメラ２から前記指標４までの距離をもとに算出された前記掘削機１の計測位置データとを蓄積し、この蓄積された前記掘削機１の計測位置データから前記掘削機１の移動軌跡を算出し、前記操作データと前記計測位置データと前記移動軌跡とから、人工知能を利用して掘削機１の操作分析を行う操作分析部をＰＣ９に設けて掘削機１の操作分析システムを構築することも可能である。

操作データは掘削機１を操作するためにオペレーターが入力した操作指示情報及び操作時刻とで構成される。

人工知能を用いたディープラーニング等の機械学習により蓄積した前記データから所定の操作と移動軌跡との関連性等を分析し、分析データを用いて操作の自動調整やオペレーターへの注意喚起等を行うように前記操作分析部を構成することで、より精度の高い掘削機１の操作が可能となる。

１ 掘削機
２ カメラ
３ セグメント
４ 指標

Claims (9)

1. 横坑を掘削する掘削機の位置計測システムであって、
   前記掘削機に設けられるカメラと、
   前記掘削機の後方に設置され覆工を構成するセグメントに設けられ、既知の位置座標を有し且つ所定高さ若しくは所定幅を有する指標と、
   前記カメラで撮影された前記指標を含む画像データをもとに、前記カメラから前記指標までの距離と、前記指標の高さ若しくは幅の画素数との関係から導かれる関係式を用いて前記画像データ撮影時における前記カメラから前記指標までの距離を算出する算出部とを有し、
   この算出部で算出した前記カメラから前記指標までの距離に基づいて前記掘削機の位置を得るように構成されていることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
2. 横坑を掘削する掘削機の位置計測システムであって、
   前記掘削機に設けられるカメラと、
   前記掘削機の後方に設置され覆工を構成するセグメントに設けられ、既知の位置座標を有し且つ所定高さ若しくは所定幅を有する指標と、
   前記カメラで撮影された前記指標を含む画像データをもとに、前記カメラから前記指標までの距離と、前記指標の高さ若しくは幅の画素数と実寸法の比との関係から導かれる関係式を用いて前記画像データ撮影時における前記カメラから前記指標までの距離を算出する算出部とを有し、
   この算出部で算出した前記カメラから前記指標までの距離に基づいて前記掘削機の位置を得るように構成されていることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
3. 請求項１，２いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記指標は前記セグメントに複数設けられていることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
4. 請求項３記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記カメラから前記各指標までの距離を夫々算出し、後方交会法により前記カメラの位置座標を算出して該カメラの位置座標に基づいて前記掘削機の位置を得るように前記算出部が構成されていることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
5. 請求項１〜４いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記指標は、少なくとも高さ方向の両端部及び幅方向の両端部が夫々異なる色で色分けされているものであることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
6. 請求項５記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記指標の前記高さ方向の両端部及び前記幅方向の両端部は、一方を白色、他方を黒色として色分けされていることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
7. 請求項１〜６いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記算出部は地上に設置され、この算出部は前記カメラと通信回線を介して接続されていることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
8. 請求項１〜７いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムにおいて、前記カメラは単眼カメラであることを特徴とする掘削機の位置計測システム。
9. 請求項１〜８いずれか１項に記載の掘削機の位置計測システムを使用して前記掘削機の操作分析を行う掘削機の操作分析システムであって、前記掘削機の操作データと、前記カメラから前記指標までの距離をもとに算出された前記掘削機の計測位置データとを蓄積し、この蓄積された前記掘削機の計測位置データから前記掘削機の移動軌跡を算出し、前記操作データと前記計測位置データと前記移動軌跡とから、人工知能を利用して前記掘削機の操作分析を行う操作分析部を有することを特徴とする掘削機の操作分析システム。

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