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プラント改修向けas-builtモデル構築のための地上型レーザスキャナの最適配置計画
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| Title: | プラント改修向けas-builtモデル構築のための地上型レーザスキャナの最適配置計画 |
| Other Titles: | Optimal Placement of a Terrestrial Laser Scanner for As-built Modelling for Plant Renovation |
| Authors: | 脇坂, 英佑 Browse this author |
| Keywords: | 地上型レーザスキャナ | | スキャナ配置計画 | | Structure-from-Motion | | 整数計画問題 | | プラント | | Terrestrial laser scanner | | Scanner placement planning | | Next-Best-View problem | | Integer programming | | As-built modeling | | Plant | | Next-Best-View 問題 | | As-built モデル化 |
| Issue Date: | 25-Sep-2018 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | 温室効果ガス削減の流れを受け，空調設備業界では，近年，省エネルギーを目的とする既存設備の改修の需要が高まっている．改修工事では，既存の熱源プラントや配管系統などの現況をまず計測し，その一部を新規設備と交換する作業が必要となる．近年，その計測の高精度化･効率化を図るため，3次元地上型レーザスキャナ（TLS）が導入され始めている．TLSにより計測された既存設備の３次元計測点群から，設備の現況形状と配置を反映した3次元as-builtモデルを構築することで，改修に必要な調査期間の短縮と綿密な計画立案が可能となっている．本来，改修工事に求められる精度品質の3次元as-builtモデルを構築するためには，設備各部に要求される計測条件の制約を満たすよう，設備内に地上型レーザスキャナ（TLS）を適切に設置し，効率的に設備を計測することが望ましい．しかし現状は，熟練オペレータの判断のみでこのスキャナの配置が決定されているため，その配置において計測条件の制約が満たされ，求められる精度品質の3次元as-builtモデルが生成できるという保証が必ずしも無いのが実情である．本研究はこの問題を解決するため，事前調査時に既存設備をカメラで撮影した多数の写真からStructure-from-Motion (SfM) を用い計測対象設備のラフな3次元モデル（SfMモデル）を生成し，このSfMモデルを活用し，TLS計測時のレーザの入射角や計測距離，レジストレーションのための点群間重複の制約を満たし，計測必要箇所の計測率を最大化する最適スキャナ配置を，整数計画問題等の最適化手法を用いて計算機により合理的に導出する手法を新たに提案した．また，実設備を対象に，提案手法で得られたスキャナ配置と熟練者が決定したスキャナ配置について，スキャン回数，計測の網羅性，as-builtモデル化の精度，処理時間の観点から比較を行い，提案手法の優位性を示した．さらに，実務への展開時に求められる最適配置に対する要求条件の様々な拡張に対しても，提案手法の目的関数や制約条件を一部変更するだけで対応可能であることを，計算機シミュレーションにより確認した． | | In response to the trend of reducing greenhouse gas emissions, demand for renovation of existing facilities for energy conservation is incleasing in recnt years in the heating, ventilating, and air-conditioning (HVAC) industry. In renovation work, it is necessary to the current status of existing heat source plants and piping systems, and to exchange some of them with new ones. In recent years, a three-dimensional (3D) terrestrial laser scanner (TLS) have begun to be introduced in order to improve measurement accuracy and efficiency. It is possible to shorten the investigation process and make in-depth planning necessary for renovation work by constructing a 3D as-built model that reflects the current shape and arrangement of facilities form the 3D laser-scanned point cloud of existing facilities by using TLS. Ordinally, in order to build a high quality 3D as-built model required for renovation work, it is desirable to properly install a TLS in the facilitiy so as to efficiently scan the facility satisfying constraints of scan qualities required for each part of the facility. However, since the placement of the TLS has been decided only by an experienced operator, there is no guarantee that its placement satisfies the constraints of the scan qualities and that a 3D as-built model of the required quality can be generated. To solve the issues, in this research, a coarse 3D model (SfM model) of the object to be scanned is constructed from multiple photos taken of the existing equipment with a camera by using Structure-from-Motion (SfM). Then, by utilizing this SfM model, we have developed a new method that an optimal scanner placement maximize the scan coverage while satisfying constraints on laser beam incident angle, scan range, and scan overlap by using a numerical optimization approach. In the actual site, we compare the scanner placement obtained by the proposed method and the scanner placement decided by experienced operator in terms of the number of scans, scan coverage, as-built modeling accuracy, and processing time, and demonstrated the superiority of the proposed method. In addition, we comfirmed by computer simulation that we can deal with various extensions of requirement for optimal placement required at the time of applyment to practical work by changing part of objective function and constraint condition of proposed method. |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第13302号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 情報科学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 金井 理, 教授 小野里 雅彦, 教授 近野 敦, 准教授 伊達 宏昭 |
| Degree Affiliation: | 情報科学研究科（システム情報科学専攻） |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/71905 |
| Appears in Collections: | 学位論文 (Theses) > 博士 （情報科学）
課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 情報科学院(Graduate School of Information Science and Technology)
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