JP2024087478A - 重機監視システム - Google Patents

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永康 三河内
幸人 末松
廉樹 浅沼
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【課題】重機に操作員が搭乗しない遠隔制御の場合であっても重機および重機周りの異常を容易に検出することができる重機監視システムを提供する。【解決手段】掘削領域で稼働する重機の監視システム400は、重機が配置された掘削領域内の3次元距離を計測し重機を含む3次元データを出力する3次元スキャナ201と、少なくとも重機を含む掘削領域の温度分布画像を取得するサーモグラフィカメラ202と、3次元データから重機の形状を識別し重機の掘削領域内の位置情報を検出する重機検出部405と、重機の形状および位置情報と温度分布画像とに基づいて重機および重機周辺における異常領域の有無を判定する異常判定部407と、を有する。【選択図】図5

Description

本発明は、工事現場で使用される重機の監視システムに関する。
建設現場やトンネル工事現場で使用されるバックホウ、ブルドーザ、ドリルジャンボなどの重機は他の重機や作業者との接触を回避するように操作されることが必要である。そこで重機の周辺領域を監視する技術が多く提案されている。
たとえば特許文献1に開示されたシステムでは、作業者の通信端末が重機からの磁気を検出して磁気検出信号を送信し、工事領域から離れたところにある制御装置が磁気検出信号を受信することで作業者および重機の状態を監視する。また特許文献2に開示されたシステムでは、重機の外形の変化に応じて監視領域を調整することで警報出力を適切化する。
特開2019-027049号公報 特開2020-173524号公報
しかしながら、上記特許文献に開示されたシステムは、重機の周辺領域を監視し安全を確保しようとする技術であり、重機自体の異常の有無を監視することができない。近年、安全確保や作業環境の向上を図る観点から、トンネルの坑内あるいは工事現場で作業する現場作業員の数をなるべく削減することが要請されており、重機自体および重機周りの監視はますます重要な技術的課題となっている。
一般に、操作員が重機に搭乗してブームおよびアームを操作し掘削等の作業を行うために、重機の異常検出は操作員が経験に基づいて行っている。しかしながら、重機を遠隔操作あるいは自動遠隔制御する場合には操作員は重機に搭乗していないし、重機の周囲に監視する作業員もいない。このような遠隔操作環境では、従来の技術では重機および重機周りの異常を検出することができない。
本発明は前記事情に鑑み案出されたもので、本発明の目的は、重機に操作員が搭乗しない遠隔制御の場合であっても重機および重機周りの異常を容易に検出することができる重機監視システムを提供することにある。
上述した目的を達成するために、本発明の一実施の形態は、掘削領域で稼働する重機の監視システムであって、前記重機が配置された掘削領域内の3次元距離を計測し、前記重機を含む3次元データを出力する3次元スキャナと、少なくとも前記重機を含む前記掘削領域の温度分布画像を取得するサーモグラフィカメラと、前記3次元データから前記重機の形状を識別し、前記重機の前記掘削領域内の位置情報を検出する重機検出部と、前記重機の形状および位置情報と前記温度分布画像とに基づいて前記重機および前記重機周辺における異常領域の有無を判定する異常判定部と、を有することを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記異常判定部は、前記重機の予め定められた複数の領域のうち少なくとも一つの領域で所定の閾値を超えて高温になっていれば、異常領域の発生を判定することができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記重機の予め定められた複数の領域は、前記重機の油圧シリンダ、前記油圧シリンダを駆動するための作動油タンク、前記重機の動力源であるエンジンのオイルパン、前記エンジンのラジエータおよび排気管、前記重機を移動させるための駆動系の軸受け部、電動機を含むことができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記掘削領域および前記重機の騒音および振動を検出する騒音・振動センサをさらに有し、前記異常判定部は、前記前記重機および前記重機周辺における異常領域の有無を前記温度分布画像と前記掘削領域および前記重機の騒音および振動とに基づいて判定することができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記異常判定部は異常領域の発生を判定すると、掘削領域10の内外に警報を発報することができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記重機は遠隔制御システムにより遠隔操作されることができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記遠隔制御システムは、前記重機検出部からの前記位置情報に従って前記重機を遠隔操作することができる。
本発明の一実施の形態によれば、重機の形状および位置情報と前記温度分布画像とに基づいて前記重機および前記重機周辺における異常領域の有無を判定するので、重機に操作員が搭乗しない遠隔制御の場合であっても重機および重機周りの異常を容易に検出することができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、重機の予め定められた複数の領域のうち少なくとも一つの領域で所定の閾値を超えて高温になっていれば異常領域の発生を判定するので、異常発生を早期に検出することができ、火災等の発生を未然に防ぐことができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、重機のなかで特に高温になる領域あるいは高温になると危険が増大する領域を監視対象領域にすることで、異常発生を早期に検出することができ、火災等の発生を未然に防ぐことができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、異常領域の発生を判定すると掘削領域10の内外に警報を発報することで危険を報知することができ、工事の安全性をより高めることができる。
また、本発明の一実施の形態によれば、重機を遠隔制御することで工事の安全性をより高めることができる。
本発明の一実施形態による重機監視システムの全体的構成を説明するための模式的配置図である。 本実施形態で使用される重機の機能的構成の一例を示すブロック図である。 本実施形態で使用される重機の油圧系の一例を示すブロック図である。 本実施形態における遠隔制御システムの機能的構成の一例を示すブロック図である。 本実施形態における掘削管理システムの機能的構成の一例を示すブロック図である。 本実施形態における掘削管理システムにおけるサーモグラフィによる温度分布の一例を示す図である。 本実施形態による重機監視システムの動作の一例を示すフローチャートである。
1.システム構成
以下、図1に示するような掘削工事を一例として、本発明の一実施形態による重機監視システムについて詳細に説明する。ただし、本実施形態による重機監視システムはトンネル掘削工事だけでなく重機を使用する工事一般に適用可能である。また重機はバックホウ、ブルドーザ、ドリルジャンボ等のいずれであってもよい。
図1に示すように、重機100は掘削領域10の掘削面11の正面に配置されている。重機100はブーム・アーム101と、その先端部に設けられたバケットや削孔機等のアタッチメント、撮像部112等を有する。重機100自体の移動、ブームおよびアーム(以下、ブーム・アーム101)および油圧アタッチメントの動作等は、後述する遠隔制御システム300により自動化可能である。
また、掘削領域10内の重機100の後方には移動式の台車200が配置され、台車200には少なくとも3Dスキャナ201およびサーモグラフィカメラ202が搭載されている。3Dスキャナ201は台車200の最上部に設置され、台車200を移動させることで、掘削領域10の内壁部、掘削面11および重機100を含む掘削領域10の3次元距離を計測することができる。サーモグラフィカメラ202は赤外線を利用して重機100および掘削領域10の温度分布画像を取得する赤外線カメラである。また、台車200あるいは掘削領域10内に騒音・振動センサ203が設けられてもよい。
本実施形態における監視システム400は、3Dスキャナ201により取得された3次元距離の計測データ(以下、3Dデータという。)を用いて重機100の掘採領域10内での相対的位置を検出することができる。遠隔制御システム300は、監視システム400により検出された重機100の位置データを用いて重機100を所定位置に移動させることができる。さらに監視システム400はサーモグラフィカメラ202から重機100および掘削領域10の温度分布画像を取得し、温度分布画像と重機100の位置データとに基づいて重機100およびその周りの異常領域の検出を行うことができる。
なお、本実施形態による遠隔制御システム300および監視システム400は1つの装置で構成されてもよいし、別々の装置がデータ通信可能に接続された構成であってもよい。また本実施形態による遠隔制御システム300および監視システム400はCPU(Central Processing Unit)、MPU(Micro Processor Unit)等の1個以上のプロセッサを有する汎用サーバあるいはパーソナルコンピュータ上に構築可能である。
以下、本実施形態における重機100、遠隔制御システム300および監視システム400の機能構成および動作について図2~図5を参照しながら説明する。
2.重機
図2に例示するように、重機100は遠隔制御システム300によって遠隔制御可能であり、掘削作業を行うブーム・アーム101と重機100の移動させるための駆動・制動系110と、撮像部112とを有する。
ブーム・アーム101は油圧系111により駆動され、油圧系111は後述するように掘削制御部121により制御される。たとえば重機100がトンネルのような坑内で使用されるドリルジャンボであれば、ブーム・アーム101の先端部に削孔機が取り付けられ、発破工法における装薬孔の削孔、ロックボルト挿通孔の削孔、ロックボルト挿通孔へのロックボルトの打設、ロックボルト挿通孔へのグラウトの充填などを行なう。
駆動/制動系110は、重機100の本体部を自走させるための操舵輪および駆動輪を備え、走行制御部122により制御される。操舵輪は本体部の前部で車幅方向の両側に設けられ、操舵されることで進行方向を変更させる。駆動輪は、本体部の後部で車幅方向の両側に設けられ、回転駆動することで重機100を前進、後退させる。また、駆動/制動系110は、図示しない動力源、操舵アクチュエータ、ブレーキおよびブレーキアクチュエータを搭載している。動力源は駆動輪に回転駆動力を与えるものであり、エンジン(内燃機関)あるいはモータ(電動機)である。操舵アクチュエータは、操舵輪の操舵角を変更させる。ブレーキは操舵輪および駆動輪の制動を行なう。ブレーキアクチュエータは、ブレーキの駆動を行なう。なお、本実施形態では、操舵輪と駆動輪によって走行する場合について説明したが、本体部がクローラによって走行するものであってもよい。
撮像部112は、重機100の本体部上部に取り付けられており、掘削領域10の掘削面11を撮像して画像情報を生成し、通信部130を通して遠隔制御システム300へ送信する。画像情報としては、掘削面11およびその近傍の周壁面などの画像情報が含まれている。本実施形態では、撮像部112が1台設けられているが、撮像範囲を異ならせた2台以上の撮像部を設けるなど任意である。
重機100の各種動作は、通信部130を通して遠隔制御システム300から受信する制御信号に従って掘削制御部121、走行制御部121等の制御部により制御される。なお、通信部130と遠隔制御システム300との通信は、信号ケーブルを用いた有線回線であってもよい。ただし無線回線を用いる方がケーブル敷設作業が不要となり、またケーブルが坑内で作業の妨げになる事態を避けることができるので望ましい。
また上述した掘削制御部121、走行制御部121等の制御部は、少なくとも1つのプロセッサ131上でそれぞれの機能を実現するプログラムを起動することで実現することもできる。
図3に例示するように、重機100の油圧系111は、ブーム・アーム101の伸縮、旋回、起伏等の動作を行う複数の油圧シリンダ102、油圧シリンダ102および油圧モータ103を制御する制御弁104、油圧ポンプ105、および作動油タンク106を有する。制御弁104は掘削制御部121により制御される。制御弁104が圧油の供給先油圧シリンダを変更することでブーム・アーム101の伸縮、旋回、起伏等の動作が制御される。油圧ポンプ105は動力源であるエンジン107により駆動され、圧油を作動油タンク106から制御弁104へ供給する。圧油は制御弁104を通して油圧シリンダ102および油圧モータ103に供給される。作動油タンク106に回収され、以下油圧系111内で循環する。
走行制御部122は重機100の走行を制御する。具体的には、動力源であるエンジン107のオン/オフ制御、動力伝達の調整、回転数制御、操舵量制御、制動制御等を行なう。エンジン107の冷却水および潤滑油はラジエータ108により冷却され、排気ガスは排気管109から排気される。
一般に、重機100では、油圧シリンダ102、作動油タンク106、ラジエータ108および排気管109が外部に露出しており、重機100の動作に伴ってこれらの温度が上昇する。後述するように、本実施形態では監視システム400が重機100の温度分布をモニタすることで、重機100の異常の有無を判断することができる。
3.遠隔制御システム
図4に例示するように、遠隔制御システム300は、通信部301および302と、制御部303と、操作部304と、表示部305と、プログラム記憶部306とを含んで構成されている。遠隔制御システム300は、掘削作業が行われている現場から離れた箇所、例えば、トンネルの切羽から離間した坑内の箇所、あるいは、トンネルの坑外の箇所に設置されている。
通信部301は上述した重機100と無線通信を可能にし、重機100を制御する制御信号を送信し、重機100の姿勢および動作状態を示す状態信号および掘削面11等の撮像情報を受信することができる。通信部302は、後述する監視システム400との通信を可能とし、監視システム400から重機100の位置情報を受信することができる。通信部302は監視システム400との通信を可能にするものであればよく、有線あるいは無線インタフェースを採用できる。制御部303は遠隔制御システム300の全体的動作を制御する。
操作部304は重機100の遠隔操作を行なう操作員による操作を入力して操作信号を生成し、操作信号が通信部301を通して重機100へ送信されることで、重機100の動作を制御できる。またルーティン化された操作は、たとえばプログラム記憶部306にプログラムとして記憶され、要求に応じて制御部303が読み出し、操作信号として重機100へ送信されてもよい。
表示部305は、監視システム400から受信した掘削領域10内あるいは掘削面11の映像を表示する。遠隔制御システム300を操作する操作員は、表示部305に表示される掘削領域10の坑内の状況を示す映像を確認しつつ操作部304を操作して重機100を走行させ、必要な作業を遂行させる。
なお、重機100に、撮像部112の撮影方向を遠隔操作するための雲台装置と、雲台装置の動作制御を行なう雲台制御部とを設け、遠隔制御システム300に雲台装置を遠隔操作するための雲台操作部を設けてもよい。
4.監視システム
図4に例示するように、監視システム400は各種データを入力するための入力部401を有する。ここでは入力部401は3Dスキャナ201、サーモグラフィカメラ202および騒音・振動センサ203と有線あるいは無線で接続され、3Dデータ、サーモグラフィデータおよび騒音・振動データを入力するものとする。また入力部401はシステムのキーボード、ポインティングデバイス等の入力装置に接続されている。
監視システム400は、システム全体の動作を制御する制御部402を有し、制御部402が入力部401、掘削領域抽出部(掘削面形状抽出部403および掘削領域側面形状抽出部404)、重機検出部405、温度分布解析部406、異常判定部407、データ蓄積部408、出力部409、および通信部410に接続されている。
掘削領域抽出部を構成する掘削面形状抽出部403および掘削領域側面形状抽出部404は、3Dスキャナ201により取得された3Dデータからそれぞれ掘削面形状および掘削領域側面形状を抽出し、それらを掘削領域形状データとしてデータ蓄積部408に時系列に蓄積する。
重機検出部405は、3Dスキャナ201により取得された3Dデータから重機100を識別し、その掘削領域10内での相対的位置を検出する。その重機位置データは掘削領域形状データと共にデータ蓄積部408に時系列に蓄積される。重機100の位置検出は、たとえば重機100に所定の反射板を設置して3Dデータから3Dスキャナ201との距離を測定し、重機100の位置を検出することもできる。またAI解析により掘削領域10内の3Dデータから重機100の部分を識別し、重機100の位置を検出することも可能である。データ蓄積部408の蓄積データはたとえばAI解析での機械学習モデルの構築に利用され得る。
温度分布解析部406はサーモグラフィカメラ202から入力した掘削領域10内の温度分布画像IMGを分析する。後述するように温度領域に区分した温度分布データは重機位置データ、掘削領域形状データと共にデータ蓄積部408に時系列に蓄積される。異常判定部407は、重機100を含む掘削領域10内の温度分布およびその時系列変化を参照して重機100および掘削領域10内の異常発生の有無を判定する。異常発生と判定されると警報信号を出力する。
出力部409はコンピュータのモニタ等の表示部および警報発生部である。異常判定部407から警報信号が出力されると、掘削領域10内および領域外に警報を発生させることができる。また出力部409は3Dデータから抽出された掘削領域10の形状を表示可能であり、掘削領域10および重機100のサーモグラフィ画像を表示することができる。
通信部410は遠隔制御システム300との通信を可能とし、上述した重機位置情報およびサーモグラフィ画像を遠隔制御システム300へ送信する。
なお、制御部102、掘削面形状抽出部403、掘削領域側面形状抽出部404、重機検出部405、温度分布解析部406および異常判定部407の機能は、図示しないメモリに格納されたプログラムをプロセッサ上で実行することにより実現することができる。
図6に例示するように、温度分布解析部406はサーモグラフィカメラ202から入力した温度分布画像を分析し、所定の濃度レベル406aに従った温度領域に区分する。異常判定部407は、重機検出部405により識別された重機100の掘削領域10内の位置情報と掘削領域10内の温度領域に区分された温度分布画像IMGとに基づいて、重機100において異常に温度が上昇している箇所があるか否かを判定する。
たとえば油圧シリンダ102に対応する領域の温度、作動油タンク106に対応する領域の温度、エンジン107のオイルパンに対応する領域の温度、ラジエータ108に対応する領域の温度、排気管109に対応する領域の温度、駆動・制動系110(たとえば軸受け部)に対応する領域の温度、電動機に対応する領域の温度などがそれぞれの通常の範囲を示す閾値を超えて高温になっているかどうかを判定する。たとえばこれらの領域のうち少なくとも1つで所定の閾値を超えて高温になっていれば、異常発生と判断し、異常判定部407は警報信号を出力する。
なお、異常判定部407は、重機100の異常だけでなく、図6に示す温度分布画像IMGから重機100以外の掘削領域10内での異常高温箇所あるいは低温箇所の面積の大きさ等を監視し、異常高温箇所の発生、低温箇所の面積の増大、異常騒音の発生等を検出することで、掘削領域10の異常発生を判定し警報信号を出力することもできる。
5.重機監視動作
図7において、監視システム400の掘削面形状抽出部403および掘削領域側面形状抽出部404は3Dスキャナ201により取得された3Dデータから掘削領域10の形状を抽出し、重機検出部405は重機100を識別して掘削領域10内での相対的位置を計測する(ステップ501)。また撮像部107から掘削面の映像を取得して表示してもよい。
遠隔制御システム300は、重機100を現在の位置から掘削作業を実行する位置へ移動させる(ステップ502)。本実施形態では掘削領域10内の形状と重機100の位置とが計測されているので、遠隔制御システム300の制御部303が通信部301を通して重機100の駆動/制動系110を制御し、重機100を掘削領域10内で掘削面11の手前の作業位置に自動で移動させることができる。あるいは操作員が表示部305に表示される掘削領域10内の状況を視認しつつ、操作部304の走行用操作部を操作して重機100を所定の作業位置に移動させてもよい。
こうして重機100が所定の作業位置に到達すると、遠隔制御システム300は掘削面11と重機100との位置関係を基礎としてブーム・アーム101を動作させ掘削工事を行なう(ステップ503)。
続いて、温度分布解析部406はサーモグラフィカメラ202から入力した温度分布画像を分析し、所定の濃度レベル406aに従った温度領域に区分した温度分布画像IMGを取得する(ステップ504)。異常検出部407は、重機検出部405により識別された重機100の掘削領域10内の位置情報と温度分布解析部406により取得される温度分布画像IMGとに基づいて、重機100において異常に温度が上昇している箇所があるか否か、騒音・振動データに異常があるか否かを判定する(ステップ505、506)。
上述したように、油圧シリンダ102、作動油タンク106、ラジエータ108、排気管109、駆動・制動系110の温度がそれぞれの通常の範囲を示す閾値を超えて高温になっていれば(ステップ506のYES)、異常判定部407は掘削領域10の内外に警報を発報する(ステップ507)。また異常高温と異常騒音および振動の少なくとも一つが検出された時に異常判定部407は掘削領域10の内外に警報を発報してもよい。あるいは、掘削領域10内の音あるいは振動に崩落の可能性を示す成分が含まれている場合に警報を発報してもよい。異常が検出されない場合には(ステップ506のNO)、上記ステップ501に戻り、上記ステップ501~506を作業が終了するまで繰り返して上記監視を行う。
以上説明したように、本実施形態による監視システムによれば、3Dスキャナ201およびサーモグラフィカメラ202、必要に応じて騒音・振動センサ203、を用いて重機100の異常を検出することができ、重機に操作員が搭乗しない遠隔制御の場合であっても重機および重機周りの異常を容易にかつ正確に検出することができる。このような異常の早期発見、それによる警報発生により、重機の破損や加熱による火災発生を未然に防止できる。
10 掘削領域
11 掘削面
100 重機
101 ブーム・アーム
102 油圧シリンダ
103 油圧モータ
104 制御弁
105 油圧ポンプ
106 作動油タンク
107 エンジン
108 ラジエータ
109 排気管
110 駆動・制御系
111 油圧系
112 撮像部
121 掘削制御部
122 走行制御部
130 通信部
131 プロセッサ
200 台車
201 3Dスキャナ
202 サーモグラフィカメラ
203 騒音・振動センサ
300 遠隔制御システム
301、302 通信部
303 制御部
304 操作部
305 表示部
306 プログラム記憶部
400 監視システム
401 入力部
402 制御部
403 掘削面形状抽出部(掘削領域形状抽出部)
404 句作領域側面形状抽出部(掘削領域形状抽出部)
405 重機検出部
406 温度分布解析部
407 異常判定部
408 データ蓄積部
409 出力部
410 通信部

Claims (7)

  1. 掘削領域で稼働する重機の監視システムであって、
    前記重機が配置された掘削領域内の3次元距離を計測し、前記重機を含む3次元データを出力する3次元スキャナと、
    少なくとも前記重機を含む前記掘削領域の温度分布画像を取得するサーモグラフィカメラと、
    前記3次元データから前記重機の形状を識別し、前記重機の前記掘削領域内の位置情報を検出する重機検出部と、
    前記重機の形状および位置情報と前記温度分布画像とに基づいて前記重機および前記重機周辺における異常領域の有無を判定する異常判定部と、
    を有することを特徴とする監視システム。
  2. 前記異常判定部は、前記重機の予め定められた複数の領域のうち少なくとも一つの領域で所定の閾値を超えて高温になっていれば、異常領域の発生を判定することを特徴とする請求項1に記載の監視システム。
  3. 前記重機の予め定められた複数の領域は、前記重機の油圧シリンダ、前記油圧シリンダを駆動するための作動油タンク、前記重機の動力源であるエンジンのオイルパン、前記エンジンのラジエータおよび排気管、前記重機を移動させるための駆動系の軸受け部、電動機を含むことを特徴とする請求項2に記載の監視システム。
  4. 前記掘削領域および前記重機の騒音および振動を検出する騒音・振動センサをさらに有し、
    前記異常判定部は、前記前記重機および前記重機周辺における異常領域の有無を前記温度分布画像と前記掘削領域および前記重機の騒音および振動とに基づいて判定することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の監視システム。
  5. 前記異常判定部は異常領域の発生を判定すると、掘削領域10の内外に警報を発報することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の監視システム。
  6. 前記重機は遠隔制御システムにより遠隔操作されることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の監視システム。
  7. 前記遠隔制御システムは、前記重機検出部からの前記位置情報に従って前記重機を遠隔操作することを特徴とする請求項6に記載の監視システム。
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