JP2017014836A - 作業機械の作業分析システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ショベルによる掘削順序を改善し、作業効率を向上することができる作業分析システムを提供することを目的とする。【解決手段】走行機能を有する下部走行体に対して旋回動作が可能な上部旋回体にバケットを含む作業装置を搭載して掘削作業を行うショベルの作業分析システムにおいて、切羽の一列を掘削する列掘削サイクルにおける掘削順序を認識する掘削順序認識部４１と、掘削順序認識部４１により認識された掘削順序の発生回数に基づいて掘削順序の評価指標を生成する掘削順序評価部４２と、掘削順序評価部４２により生成された評価指標を表示する表示装置５０とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、作業機械の作業分析システムに関し、特に、掘削積込み作業における掘削順序の認識および可視化が可能な作業分析システムに関する。

米国特許第７７５１９５４号明細書（特許文献１）には、運転者に効率的な運転操作を行うようにアドバイスする建設機械の運転システムが記載されている。特許文献１のシステムでは、建設機械の運転状況に関する所定状態値（例えば油圧又はエンジン回転数等）が検出され、その状態値の所定時間区間ごとの頻度分布が計算される。状態値の可変範囲は予め複数の領域に分けられており、領域ごとに異なる設定目標値が予め設定されている。このシステムは、領域ごとに、所定状態値の頻度分布と設定目標値とを比較し、比較結果に応じて、予め用意してあるメッセージを出力する。

米国特許第７７５１９５４号明細書（要約）

ショベル等の掘削積込み作業を行う作業機械は、鉱山における採掘作業や、建設土木工事における整地作業等に使用される。ショベルを用いて、土砂を効率良く掘削搬出するための工法として、ベンチカット工法が知られている。ベンチカット工法では、ベンチと呼ばれる階段状の地形を形成し、ショベルはベンチの上に乗って、ベンチの縁に沿って移動しつつ足元の切羽の土砂を掘削し、下の段に停車したダンプトラックの荷台に土砂を積込む作業を行う。

ショベルによる土砂の掘削積込みの効率を高めるには、掘削する順序を適切に選択することが重要である。ベンチカット工法では、ベンチの端から一定の幅で土砂を掘削して行くが、幅方向に対してどの位置を先に掘削するかによって、作業の効率が影響される。

従来、掘削順序はショベルのオペレータの経験によって選択されており、実際に行われている作業の掘削順序の分析及び管理は行われていなかった。掘削順序は、過去数回の掘削を含む作業の履歴によって決まる作業特性である。従って、油圧圧力やエンジン回転数等の状態値と異なり、センサ等を用いて直接に検出することができない。このため、計測データから掘削順序を認識する適当な手法がなかった。

特許文献１のシステムでは、建設機械の運転状況に関する所定状態値（例えば油圧又はエンジン回転数等）が検出され、その状態値の所定時間区間ごとの頻度分布を評価している。しかし、掘削順序を評価することについては配慮されていない。

ショベル（作業機械）から得られる情報を基に、掘削順序を認識して可視化し、結果をオペレータや、管理・監督者に提示すれば、作業効率を高めるための気づきを与えることができる。そしてオペレータや管理・監督者は、作業方法を改善することによって、作業効率を高めることができる。

本発明は、ショベルによる掘削順序を改善し、掘削作業の効率を向上することができる作業分析システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の作業分析システムは、走行機能を有する下部走行体に対して旋回動作が可能な上部旋回体にバケットを含む作業装置を搭載して掘削作業を行うショベルの作業分析システムにおいて、切羽の一列を掘削する列掘削サイクルにおける掘削順序を認識する掘削順序認識部と、前記掘削順序認識部により認識された掘削順序の発生回数に基づいて、掘削順序の評価指標を生成する掘削順序評価部と、前記掘削順序評価部により生成された前記評価指標を表示する表示装置とを備える。

本発明により、掘削順序の分析および可視化が可能となり、オペレータや管理・監督者に掘削順序を改善する気づきを与えることができる。これにより、掘削作業の効率を向上することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る作業分析システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施例に係るショベルの側面図である。 本発明の一実施例に係るショベルの作業環境を示す斜視図である。 本発明の一実施例に係る掘削順序を模式的に説明するベンチの上面図である。 本発明の一実施例に係る分析装置４０による掘削順序の認識、評価を説明する図である。 本発明の一実施例に係る表示装置５０の表示画面に表示される内容を示す図である。 本発明の一実施例に係る作業分析システムのフローチャートである。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図２は、本発明の一実施例に係るショベルの側面図である。ここでは、ショベル（作業機械）は、油圧により駆動される油圧ショベルの例を示している。

ショベル１は、クローラ１１による走行機能を有する下部走行体１０と、走行部に対して旋回動作が可能な上部旋回体２０とを備えている。クローラ１１は走行油圧モータ１２により駆動される。上部旋回体２０は、旋回油圧モータ２１により駆動される。上部旋回体２０には、ブーム３１、アーム３２及びバケット３３からなる作業装置３０が備えられている。作業装置３０は、油圧シリンダ３４、３５及び３６により駆動される。

ショベル１のオペレータは、運転席２２に搭乗し、操作レバー２３を操作して、下部走行体１０の走行動作、上部旋回体２０の旋回動作及び作業装置３０の動作を制御して作業を行う。

ショベル１には、掘削順序を認識する分析装置４０と、分析結果を可視化する表示装置５０が備えられている。

図３は、本発明の一実施例に係るショベルの作業環境を示す斜視図である。図３では、ベンチカット工法におけるショベル１とベンチ６０とダンプトラック２との位置関係を示している。なお、図３では、ショベル１とベンチ６０とダンプトラック２との寸法関係（大小関係）は必ずしも正確ではない。

ショベル１は、ベンチ６０の上に乗っており、ベンチ６０の端の切羽６１の土砂を作業装置３０で掘削し、上部旋回体２０を旋回してダンプトラック２に積込む作業を行う。切羽６１の幅は、バケット３３の幅よりも大きいため、ショベル１は、旋回角度を変えることによって、切羽の幅方向６２に対して掘削場所を変えて、複数回の掘削を行うことにより、切刃６１の全幅の一列の土砂を掘削する。その後、ショベル１はベンチの縁６４に沿って掘削方向６３に後退移動し、切羽６１の掘削を繰り返す。以下、この切羽６１の全幅の一列の掘削のサイクルを、列掘削サイクルと呼ぶ。

図４は、本発明の一実施例に係る掘削順序を模式的に説明するベンチの上面図である。この図は、掘削順序の概念を説明するために、ベンチ６０の上面を上方から見た図であり、切羽の幅方向６２を図の横向きに、掘削方向６３を図の縦向きに示している。ショベル１（図示されていない）の移動方向は図の下向きとなる。切羽６１は横向きの直線で、ベンチ６０の縁は縦向きの直線で模式的に示されている。

ショベル１が切羽６１を４回で掘削すると、ショベル１は、切羽６１を６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄのように分割して掘削することになる。この分割掘削の順序が掘削順序である。

一般的には、切羽の角は他の場所よりも掘削の抵抗が小さいため、６１Ａから掘削する方が有利と考えられるが、ショベル１のバケット３３が横向き（この場合左向き）に押されるため操作がしにくい面もある。最も操作がしやすく、短時間で、効率良く掘削できる順序は、土砂の固さ等の様々な環境条件に依存する。熟練したオペレータは、それぞれの環境条件に応じた最適な掘削順序を経験によって選択して作業している。逆に、適切な順序で掘削しなければ、作業時間が長くなり生産性が低下する。

上記の掘削順序を車体データから認識し、可視化してオペレータや管理者・監督者に提示することにより、作業方法を改善するための気づきを与えるシステムを提供することが本発明の狙いである。

図１を参照して、本実施例に係る作業分析システム３の構成について説明する。図１は、本発明の一実施例に係る分析システムの構成を示すブロック図である。

分析装置４０は、掘削順序認識部４１と、掘削順序評価部４２と、基準値設定部４３とを備えている。分析装置４０は、ショベル１に搭載された旋回角度センサ７１、作業装置姿勢センサ７２及び走行検出センサ７３の出力を入力し、表示装置５０に掘削順序の認識結果及びその評価結果を出力する。

ここで、旋回角度センサ７１は、ポテンショメータ等により下部走行体１０に対する上部旋回体２０の旋回角度を検出するものである。作業装置姿勢センサ７２は、ポテンショメータ等により、ブーム３１、アーム３２及びバケット３３の角度を検出するものである。走行検出センサ７３は、走行操作レバーの操作量等により、走行が行われたことを検知するものである。

分析装置４０は、センサ７１、７２、７３からの入力と表示装置５０への出力の機能を有する計算機で構成されており、その内部の機能要素はソフトウェアにより実現されている。

以下、分析装置４０の掘削順序認識部４１の内部要素を説明する。掘削順序認識部４１は、掘削動作判別部８１と、掘削方位検出部８２と、掘削方位記憶部８３と、列掘削サイクル検出部８４と、掘削方位順序認識部８５とを有する。

掘削動作判別部８１は、作業装置姿勢センサ７２の出力に基づいて、作業装置３０の動作を分析し、掘削を開始したタイミングを検出する。掘削動作判別部８１は、例えば、バケット３３が所定の角度（姿勢）になると、掘削を開始したものと判断する。この場合、掘削開始を判断するために、バケット３３の一連の動作（姿勢）を実現する複数の角度を設定してもよい。

掘削方位検出部８２は、掘削を開始したタイミングの旋回角度センサ７１の値を抽出することで掘削方位を検出する。掘削方位記憶部８３は、掘削方位検出部８２が検出した掘削方位を記録する。掘削方位は、旋回油圧モータ２１の動作量により検出するようにしてもよい。

列掘削サイクル検出部８４は、走行検出センサ７３の出力に基づいて、走行が行われた時に、切羽６１の全幅の掘削が終了してその回の列掘削サイクルが完了したと判断する。列掘削サイクルの完了を判断する走行距離に閾値を設けてもよい。そして、走行距離が閾値を超えた場合に、列掘削サイクルの完了を判断するようにしてもよい。

掘削方位順序認識部８５は、掘削方位記憶部８３に記憶された掘削方位を参照し、列掘削サイクルが進む度に、掘削方位の大小の順序から掘削順序を認識する。すなわち、一つの列掘削サイクルの中で、掘削方位ごとに掘削順序を決定する。

以下、分析装置４０の掘削順序評価部４２の内部要素を説明する。掘削順序評価部４２は、頻度集計部８６と、安定度評価部８７とを有する。

頻度集計部８６は、掘削順序認識部４１で認識された掘削順序ごとに出現した回数を数え上げ、その頻度を算出する。安定度評価部８７は、算出された掘削順序頻度から掘削順序の安定度の評価値を算出する。安定度については、後で詳細に説明する。

基準値設定部４３は過去のデータ等に基づいて、望ましい頻度の値を、手動入力や電子データの通信により設定する。

表示装置５０は、掘削順序認識部４１から出力される掘削順序と、掘削順序評価部４２から出力される掘削順序の頻度及び安定度と、基準値設定部４３によって設定された掘削順序の基準値を表示する。掘削順序の頻度は、図１に破線矢印で示すように、頻度集計部８６から表示装置５０に送信するようにしてもよい。

掘削順序、掘削順序の頻度、安定度及び基準値は、記憶部４４に記憶するようにしてもよい。記憶部４４はその他のソフトウェア等も記憶することができる。

上述したように、掘削順序評価部４２は、掘削順序認識部４１により認識された掘削順序の発生回数に基づいて、掘削順序の評価指標を生成する。この評価指標の一つが掘削順序の頻度である。本実施例では、その他の評価指標として安定度を用いている。評価指標は上記のものに限らず、掘削順序の発生回数に基づく評価指標を用いることができる。評価指標は、作業方法（掘削順序）を改善するための気づきを与える指標であればよい。

図５は、本発明の一実施例に係る分析装置４０による掘削順序の認識、評価を説明する図である。

以下、本図を用いて、分析装置４０の作用を説明する。

(1)掘削方位記憶部８３は、掘削方位検出部８２が検出した方位の値（角度）を掘削された順に記憶する（図５の（１））。

(2)掘削方位順序検出部８５は、列掘削サイクル検出部８４の出力に従って、列掘削サイクル１回毎の掘削方位を掘削方位記憶部８３から取り出し、その値の大小順序に従って、順序番号列を生成する。これが掘削順序認識結果である（図５の（２））。

(3)頻度集計部８６は、掘削順序毎に出現回数を数え上げ、その比率（頻度）を算出する（図５の（３））。

(4)安定度評価部８７は、その集計された頻度から掘削順序の安定度の指標を算出する。安定度は、例えば、掘削順序の頻度の大きいものから数種の掘削順序の頻度の合計値を用いる。例えば、図５の（３）で、上位２つの合計値を用いる場合は、掘削順序４１２３の頻度と掘削順序１２３４の頻度との合計値である７５になる。或いは、上位３つの合計値を用いる場合は、掘削順序４１２３の頻度と掘削順序１２３４の頻度と掘削順序５１２３４の頻度との合計値である８５になる。

このような安定度を評価指標に用いるのは、同じ現場では、特別に固い土砂が現れた時などの例外を除いて、最適な掘削順序は概ね同じであると考えられるため、効率の良い作業では、作業の大半を数種類の掘削順序で行うと考えられるためである。

図６は、本発明の一実施例に係る表示装置５０の表示画面に表示される内容を示す図である。

表示装置５０には、分析装置４０の掘削順序認識部４１により認識された掘削順序の履歴がリスト５１として順次表示される。また、掘削順序評価部４２で集計された掘削順序の頻度５４が、頻度の大きいものの順に、基準値（基準頻度）５５と並べてグラフ５２で表示される。また、安定度評価部８７により算出された安定度指標５３が数値で表示される。本実施例では、掘削順序の頻度において上位３つの合計値を用いて安定度指標５３を算出している。

本実施例に係る作業分析システムの動作について説明する。図７は、本発明の一実施例に係る作業分析システムのフローチャートである。

ステップ１（Ｓ１）で、回数集計メモリ(連想配列)を消去する。回数集計メモリは図１の記憶部４４で構成することができる。或いは、専用のメモリで回数集計メモリを構成してもよい。

ステップ１に続くステップ２（Ｓ２）で、掘削方位記憶部８３の旋回方位リストを消去し、走行距離変数に０を設定する。走行距離変数は記憶部４４に記憶され、記憶部４４の走行距離変数として０を記憶することで、走行距離変数に０が設定される。

ステップ２に続くステップ３（Ｓ３）で、走行検出センサ７３の出力を読み込み、前回からの走行距離を計算し、走行距離変数に加算する。

ステップ３に続くステップ４（Ｓ４）で、作業装置姿勢センサ７２の出力を読み込む。

ステップ４に続くステップ５（Ｓ５）で、作業装置姿勢センサ７２の出力に基づいて掘削開始姿勢か否かを判定する。この処理は、掘削動作判別部８１によって実行される。掘削開始姿勢でない場合（ＮＯの場合）は、ステップ３（Ｓ３）に戻る。掘削開始姿勢である場合（ＹＥＳの場合）は、ステップ６（Ｓ６）に進む。

ステップ６（Ｓ６）で、旋回角度センサの出力を読み込み、旋回方位リストに追加する。

ステップ６に続くステップ７（Ｓ７）で、走行距離変数が所定値以上か否かを判定する。この処理は、列掘削サイクル検出部８４によって実行される。走行距離変数が所定値未満の場合（ＮＯの場合）は、ステップ３（Ｓ３）に戻る。走行距離変数が所定値以上の場合（ＹＥＳの場合）は、ステップ８（Ｓ８）に進む。

ステップ８（Ｓ８）で、掘削方位順序検出部８５により、旋回方位リストに記録された角度から掘削方位順序を求める。この処理においては、旋回方位リストに記録されたそれぞれの角度に対して、角度が最も小さいものを１とする方位番号を求め、その方位番号を掘削した順序で並べることによって、掘削方位順序を求める。この掘削方位順序はこの掘削方位順序が生成された列番号に対応させて記憶部４４に記憶してもよい。掘削方位順序の生成方法を、図５（１）における最初の列の部分（掘削回数１〜４）を例として説明する。まず、４回の掘削のうち、最初の掘削の方位角度（１２０度）は、最も角度が大きく、小さい方から数えて４番目であるため、方位番号を「４」とする。続いて、２番目の掘削の方位角度（５８度）は、最も角度が小さいので、方位番号を「１」とする。続いて、３番目の掘削の方位角度（７５度）は、２番目に角度が小さいので、方位番号を「２」とする。続いて、４番目の掘削の方位角度（１０２度）は、３番目に角度が小さいので、方位番号を「３」とする。これらの方位番号を、掘削した順序で並べると「４」「１」「２」「３」となる。このようにして求めた番号列「４１２３」が掘削方位順序である。

ステップ８に続くステップ９（Ｓ９）で、掘削方位順序をキーとして回数集計メモリを参照し、この掘削方位順序に対応する変数に１を加える。

ステップ９に続くステップ１０（Ｓ１０）で、所定の集計期間が終了したか否かを判定する。この判定は集計期間判定部４５で実行される。この判定は、時間に基づいて行ってもよいし、列数に基づいて行ってもよい。

ステップ１０に続くステップ１１（Ｓ１１）で、回数集計メモリから全ての掘削方位順序に対する回数を読み出してその合計値を求め、各々の回数を合計値で割って掘削方位順序の頻度を求める。この処理は、頻度集計部８６によって実行される。その他に、安定度評価部８７では安定度５３が算出される。

ステップ１１に続くステップ１２（Ｓ１２）で、表示装置５０に、掘削方位順序毎に頻度を表示する。このステップＳ１２では、その他に、掘削順序履歴５１、安定度５３及び基準頻度等が表示装置５０に表示される。

上記の説明では、表示装置５０はショベル１に搭載され、情報はオペレータに提示されるものとしている。これに対して、表示装置５０を鉱山や工事現場の管理事務所に設置し、ショベル１から無線通信でデータを管理事務所に送信して表示するようにしてもよい。或いは、表示装置５０はショベル１及び管理事務所の両方に設置してもよい。これにより、情報を管理者・監督者に提示することができる。

また、上記の説明では、分析装置４０はショベル１に搭載されるものとしている。これに対して、分析装置４０を管理事務所やデータ処理センタに設置し、ショベル１からセンサ情報を無線で管理事務所やデータ処理センタの分析装置４０に伝送して分析を行うようにしても良い。分析した結果は、管理事務所やデータ処理センタの分析装置４０からショベル１に無線伝送するとよい。複数台のショベル１が作業を行う現場では、個々のショベル１に分析装置４０を設ける必要がなく、ショベル１を低コスト化できる。また分析した結果は、管理事務所やデータ処理センタからショベル１に無線伝送するようにするとよい。これにより、オペレータは分析結果を確認しながら作業を行うことができる。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路等で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するようにしたソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ当の記録媒体におくことができる。

また、図１に示した情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品において必要とされる全ての情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

また、上記の説明では、本発明をベンチカット工法に適用した例を説明したが、移動しながら掘削する他の工法に適用することもできる。

１…ショベル、３…作業分析システム、１０…下部走行体、２０…上部旋回体、３０…作業装置、３１…ブーム、３２…アーム、３３…バケット、４０…分析装置、４１…掘削順序認識部、４２…掘削順序評価部、４３…基準値設定部、４４…記憶部、４５…集計期間判定部、５０…表示装置、６０…ベンチ、６１…切羽、６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ…切羽の分割掘削位置、６２…切羽の幅方向、６３…掘削方向、７１…旋回角度センサ、７２…作業装置姿勢センサ、７３…走行検出センサ、８１…掘削動作判別部、８２…掘削方位検出部、８３…掘削方位記憶部、８４…列掘削サイクル検出部、８５…掘削方位順序認識部、８６…頻度集計部、８７…安定度評価部。

Claims (5)

1. 走行機能を有する下部走行体に対して旋回動作が可能な上部旋回体にバケットを含む作業装置を搭載して掘削作業を行うショベルの作業分析システムにおいて、
   切羽の一列を掘削する列掘削サイクルにおける掘削順序を認識する掘削順序認識部と、
   前記掘削順序認識部により認識された掘削順序の発生回数に基づいて、掘削順序の評価指標を生成する掘削順序評価部と、
   前記掘削順序評価部により生成された前記評価指標を表示する表示装置と、
   を備えたことを特徴とする作業分析システム。
2. 請求項１に記載の作業分析システムにおいて、
   前記掘削順序認識部は、
   掘削方位を検出する掘削方位検出部と、
   列掘削サイクルを検出する列掘削サイクル検出部と、
   前記掘削方位検出部により検出された掘削方位に基づいて、前記列掘削サイクル検出部により検出された列掘削サイクルにおける掘削順序を検出する掘削方位順序検出部と、
   を備えることを特徴とする作業分析システム。
3. 請求項１に記載の作業分析システムにおいて、
   前記評価指標が掘削順序の頻度であることを特徴とする操作支援システム。
4. 請求項３に記載の作業分析システムにおいて、
   前記掘削順序の頻度と共に、前記掘削順序の頻度の基準値を前記表示装置に表示することを特徴とする操作支援システム。
5. 請求項１に記載の作業分析システムにおいて、
   前記評価指標が頻度の高い上位複数の掘削順序の頻度の合計値により求められた安定度であることを特徴とする操作支援システム。

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