Система автоматизированного расчета объема сыпучего материала на складах закрытого типа Российский патент 2023 года по МПК G01C11/06 

Изобретение относится к фотограмметрии, а именно к системам и устройствам топографической съемки местности с помощью фотографирования и может использоваться для построения трехмерных цифровых моделей местности на основе снимков с неметрических камер и расчета на основе полученных моделей объема сыпучих продуктов, находящихся на закрытых складах. Прибор полезен при мониторинге объема произвольного сыпучего продукта для учета его количества, определения степени наполненности складских площадей, оптимизации складской логистики, а также определения реальных показателей производительности технологического оборудования.

Из уровня техники известно устройство по способу фотограмметрии ледового поля в ледовом бассейне (RU 2695596 C1, МПК G01C 11/00, G01C 3/08, опубл. 24.07.2019). Устройство, обеспечивающее осуществление способа, осуществляет структурированную подсветку ледового поля, формируемую в виде параллельных световых линий с помощью, по меньшей мере, двух лазерных нивелиров, жестко закрепленных на опоре, установленной над ледовым полем с возможностью перемещения вдоль бассейна. Перспективные искажения структурированной подсветки регистрируют посредством закрепленного с возможностью перемещения над ледовым полем устройства фотофиксации, при этом для получения различных частей карты фотофиксацию структурированной подсветки производят устройством фотофиксации.

Недостатком известного технического решения является сложность его адаптации для решения задачи измерения объема сыпучих материалов, хранящихся на закрытых складах.

Наиболее близким к заявленному изобретению техническим решением и выбранной в качестве прототипа признана система для осуществления способа измерения объемов сыпучих материалов на открытых складах (RU 2646538 C1, МПК G01C 11/00, опубл. 05.03.2018).

Система включает в себя комплекс программно-аппаратных средств, состоящих из следующих основных элементов:

• беспилотная авиационная система «ГЕОСКАН-101» с беспилотным воздушным судном самолетного типа, оборудованная специализированным цифровым фотоаппаратом и бортовым спутниковым геодезическим приемником

• программно-аппаратные средства для обработки спутниковых измерений «Pinnacle» и «Javad Justin»;

• программно-аппаратные средства для фотограмметрической обработки данных воздушного сканирования с беспилотных автоматических станций и получения цифровых 3D моделей поверхности;

• программно-аппаратные средства для расчета объемов по полученным 3D моделям, ортофотопланам и картам высот.

Недостатком известной системы измерения объемов сыпучих материалов является то, что она предназначена для применения на открытых складах, а ее адаптация для использования в условиях закрытых складских помещений является затруднительной, вследствие применения для фотосьемки беспилотного авиационного комплекса, что также усложняет применения системы, делая необходимым для осуществления измерений привлечение опытного оператора авиационного комплекса для точного управления им и качественной сьемки насыпей.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности измерения объема сыпучих продуктов, находящихся на закрытых складах, с одновременным упрощением способа измерения объема насыпи с помощью предложенной системы.

Указанная задача решена тем, что внутри склада на его сводах по всему периметру закреплены статичные неметрические IP-камеры, при этом каждая из камер оснащена КМОП-матрицей и объективом, снабжена Ethernet-интерфейсом и выполнена с возможностью питания по технологии Power over Ethernet. Камеры посредством Ethernet-интерфейса подключены к модулю связи и передачи данных, который, в свою очередь, подключен к модулю распределения питания, по электрическому каналу, подключенному к модулю питания оборудования и к модулю сбора, обработки и хранения данных. Последний посредством Ethernet-интерфейса подключен к неметрическиим IP-камерам и выполнен с возможностью обработки и анализа видеопотока, полученного от камер, расчета объема и сопутствующих технологических показателей насыпи, построения карты изовысот и трехмерной модели насыпи сыпучих продуктов с дальнейшей передачей результатов измерений посредством Ethernet-интерфейса конечному пользователю.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью конструктивных признаков устройства, является обеспечение возможности полностью автоматизированного сбора полевых данных об объеме насыпи сыпучего материала на закрытых складах и их обработка в режиме реального времени. Применение оборудования для съемки в виде статических камер позволяет также значительно упростить конструкцию устройства для измерения объема сыпучих продуктов и снизить трудоемкость его изготовления.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема системы для автоматизированного расчета объема сыпучего материала на складе закрытого типа; на фиг.2 показана схема расположения камер и опознавательных знаков (вид сверху); на фиг.3 показана схема расположения камер (вид сбоку); на фиг. 4, 5, 6 показаны фотографии первой, второй и третьей конфигурации насыпи; на фиг. 7 приведен пример плотного облака точек; на фиг. 8 приведен пример синтезированной карты высот; на фиг. 9, 10, 11, 12, 13 и 14 приведены изолинии и трехмерные полигональные модели насыпи первой, второй и третьей конфигурации, интерполированные методом крикинга; на фиг. 15, 16, 17, 18, 19 и 20 приведены изолинии и трехмерные полигональные модели насыпи первой, второй и третьей конфигурации, интерполированные методом радиальных базисных функций.

Основой системы является совокупность статичных IP-камер 1, в качестве которых применены неметрические бытовые камеры с матрицей IMX335 и светочувствительностью 0.001 лк, характеристики которых приведены в таблице 1, закрепленных по всему периметру свода склада закрытого типа, каждая из которых оснащена КМОП-матрицей, объективом, интерфейсом Ethernet и питанием по технологии Power over Ethernet (РоЕ). Упомянутые камеры 1 посредством интерфейса Ethernet подключены к модулю связи и передачи данных 2. Последний подключен к модулю распределения питания 3, по электрическому каналу, подключенному к модулю питания оборудования 4 и к модулю сбора, обработки и хранения данных 5. Модуль 5 посредством Ethernet-интерфейса подключен к неметрическиим IP-камерам 1 и выполнен с возможностью обработки и анализа видеопотока, полученного от камер.

Модуль связи и передачи данных 2 может быть реализован на основе модели YCONNECT-IT-I-RJ4501^{1 (1}Модули Ethernet и РОЕ // Farnell. AN AVNET Compamy. URL: https://ru.farnell.com/c/wireless-modules-adaptors/communications-networking-modules/ethernet-modules-poe (дата обращения: 13.07.2021).

Модуль распределения питания может быть реализован в виде прибора АРС для ИТ-оборудования² (² Модуль распределения питания АРС для ИТ-оборудования, 3 полюса, 5 проводов // АРС.URL: https://www.apc.com/shop/ru/ru/products/-APC-3-5-63A-IEC309-560- / P-PDV3563IEC-560?).

Модуль сбора, обработки и хранения данных 5 строится на основе специализированного компьютера, содержащего центральный процессор Intel Core i7 или AMD Ryzen 7 и дискретной видеокарты NVIDIA, содержащей 32 Гб оперативной памяти.

Пример работы системы для автоматизированного расчета объема сыпучего материала на складе закрытого типа рассмотрен ниже.

Осуществление способа расчета объема сыпучего материала на складе закрытого типа с применением рассмотренной системы приведем на примере исследования насыпи, расположенной в закрытом складе, занимающей в длину 30 м и в ширину 36 м, при этом высота балок, на которых установлен подвижный насыпной конвейер, составляла 17,5 м.

На подготовительном этапе камеры, в соответствии с известными рекомендациями³ (³Руководство пользователя Agisoft Metashape // Agisoft.com URL: https://www.agisolt.com/pdf/ metashape-pro 1 5 ru.pdf (дата обращения: 19.03.2021), размещали равномерно вдоль исследуемой насыпи, а их число выбирали исходя из требований к перекрытию кадров: 50% поперечное перекрытие и 50% продольное перекрытие. В соответствии с этим требованием на упомянутых балках закрепили 6 камер (1), а для более точной географической привязки модели на полу склада разместили (6) опознавательных знака (наземных опорных точки Ground Control Points - GCP) (7), выполненных в виде контрастных координатных меток. После установки камер (1) и расположения опознавательных знаков (7) камеры и опознавательные знаки были координированы с помощью геодезического оборудования в условной системе координат, связанной со стенами склада (8, 9), оси которых направлены вдоль стен.

В качестве камер были применены типы камер, указанных выше. В качестве геодезического оборудования для координирования камер и опознавательных знаков применялся тахеометр Leica TS06plus.

Для проверки возможности использования камер с указанными характеристиками был проведен замер освещенности, в результате которого было принято решение об установке в зону сьемки двух осветительных прожектора.

Камеры (1) были подключены к сети Ethernet склада по проводному или беспроводному (Wi-Fi) каналу связи для обеспечения возможности передачи фотографий модулю сбора, обработки и хранения данных 5, выполненному на основе специализированного компьютера, содержащего для обеспечения более высокопроизводительной обработки изображений в качестве видеокарты модель GeForce RTX 2080 Ti, содержащей 2944 скалярных процессоров (ядер CUDA).

Для обеспечения буферизации данных и ускорения их передачи камеры (1) выполнены с возможностью подключения к сети Ethernet не напрямую, а через специализированные узлы промежуточного хранения данных, каждый из которых представляет собой микропроцессорную систему на основе микроконтроллера, выполненного на ядре ARM7TDMI-S, работающем на частоте 72 МГц, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, USB-контроллером, Ethernet-контроллером и модулем подключения SD-карты, в который вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта (на фигурах структурная схема узла не показана). При этом каждую из камер (1) подключают к USB-контроллеру узла промежуточного хранения данных, а Ethernet-контроллер узла подключают к сети Ethernet склада.

На полевом этапе выполнялась одновременная площадная плановая сьемка насыпи всеми камерами и передача фотографий по сети Ethernet удаленной автоматизированной системе обработки изображений. При этом сьемка производилась при отвесном (в пределах 3°) положении оптической оси камер. В описываемом исследовании проводилось измерение трех конфигураций насыпи:

• первая конфигурация - насыпь не нарушена (фиг.4);

• вторая конфигурация - часть объема вывезена с помощью подпольного конвейера (фиг.5);

• третья конфигурация - центральная часть насыпи полностью вывезена, остались только боковые борта (фиг.6).

Камеральный этап работ осуществлялся с помощью автоматизированной системы обработки изображений с использованием следующего специализированного программного обеспечения:

• GeoSetter - программа обеспечивает осуществление привязки к полученным на полевом этапе снимкам GPS-координат;

• Agisoft Metashape - программа, позволяющая реконструировать ЗЭ-модель на основе фотографий, снятых любыми цифровыми фотокамерами с любых ракурсов (при условии, что каждый элемент реконструируемой сцены виден, по крайней мере, с двух позиций съемки);

• Surfer - программа предназначена для моделирования и структурного анализа поверхностей, поддерживает импорт файлов в формате «*.DEM» (USGS Digital Elevation Models), обеспечивает визуализацию поверхностей с применением координатных точек с возможностью отображения и совмещения плоских векторных и трехмерных графических слоев.

Первоначально фотографии, полученные от камер (1), загружались в программу GeoSetter, затем к ним осуществлялась привязка геоданных камер в условной системе координат, связанной со стенами склада, полученных на предварительном этапе и представленных в виде текстового файла в формате «*.txt» (таблица 2).

Далее фотографии с геопривязкой загружались в программу Agisoft Metashape, после чего выполнялось их выравнивание, выполняемое в автоматическом режиме на основе нахождения общих точек снимков с определением всех параметров камер: положение, ориентация, внутренняя геометрия (фокусное расстояние, и параметры дисторсии). Результатом обработки являются разреженное облако общих точек в 3D-пространстве модели и данные о положении и ориентации камер. Данные о положении и ориентации камер используется на дальнейших стадиях обработки.

После предварительного выравнивания производилась расстановка маркеров на опознавательные знаки (7) - это необходимо для оптимизации результатов расчета положения камер и их параметров внутреннего ориентирования. Процедура оптимизации выравнивания камер применяется для повышения точности расчета параметров внутреннего и внешнего ориентирования камер, а также для коррекции возможной дисторсии.

Основываясь на рассчитанных положениях фотографий программа Agisoft Metashape строит карты глубины для каждой из них и формирует плотное облако точек (фиг. 7), которое может быть отредактировано и классифицировано при помощи программы, а также использовано для построения полигональной модели, тайловой модели или карты высот (фиг. 8), представляющей собой модель поверхности в виде регулярной сетки значений. На карте высот выполнялось визуальное дешифрирование основания насыпи и ее распознанных частей, осуществлявшееся плотной сеткой из точечных объектов для получения максимального объема модельных данных.

На фиг. 7 видно, что облако точек корректно и плотно сформировано на участках, где есть нарушения насыпи, однако в местах монолитных бортов фрагменты насыпи не были распознаны, что связано со слишком контрастными оттенками объектов: черные и белые объекты плохо распознаются фотограмметрическими программами. В связи с этим, для получения значений точек в «просветах», использовалась программа Surfer для построения полигональной модели ее интерполяции методами крикинга и радиальных базисных функций, а также расчета объема насыпи. Входными данными для программы Surfer являются координаты упомянутых выше точечных объектов сохраненных в текстовом файле.

Программа Surfer рассчитывает объемы на основании двух сеточных поверхностей, первая из которых является моделью насыпи, а вторая является моделью пола. Объем заключенный между двумя поверхностями может быть рассчитан с помощью трех известных методов численного интегрирования: метода трапеций, метода Симпсона (также Ньютона-Симпсона) и метода 3/8 Симпсона.

Результаты расчета объемов для каждой из трех конфигураций представлены в таблицах 3,4 и 5 соответственно.

Изолинии и трехмерные полигональные модели насыпи первой, второй и третьей конфигурации, интерполированные методом крикинга приведены на фиг.9, 10, 11, 12, 13 и 14. Изолинии и трехмерные полигональные модели насыпи первой, второй и третьей конфигурации, интерполированные методом радиальных базисных функций, приведены на фиг. 15, 16, 17, 18, 19 и 20.

Расхождение между различными методами расчета объема составляет менее 1%, что подтверждает достаточно высокую точность моделей.

Для определения степени применимости предложенного устройства для расчета объема насыпи было произведено сравнение численных значений объемов и сравнение их с допустимой погрешностью определения. Согласно пункту 119 инструкции по производству маркшейдерских работ допустимая погрешность определения объема взорванных, рассыпных и прочих пород определяется по формуле:

где V - объем вынутых (взорванных) пород, приведенный к объему в целике, м³.

Зависимость (1) используется при объемах от 45 до 2200 тыс. м³. Если объем пород больше 2200 тыс.м³, то принимают допустимую погрешность определения 1,5%; если объем меньше 45 тыс. м³, то допустимая погрешность σV_ДОП не должна превышать 10%. В рассмотренном выше случае объем V составляет менее 45 тыс. м³, следовательно, предельно допустимая погрешность должна составлять не более 10%.

В качестве эталонных значений для сравнения использовано отношение веса снимаемого продукта к его насыпной плотности, равной 1,02 кг/м³.

Сравнивая полученное значение 5,72% с предельно допустимым значением 10% можно судить о достаточно точном определении объема насыпи, так как вычисленная погрешность не превышает предельно допустимого значения погрешности определения объема.

Таким образом, рассмотренная в настоящей заявке система является эффективным инструментом для подсчета объема сыпучих материалов на закрытых складах, позволяющая получать оперативную информацию о движении запасов, сокращающая время измерений по сравнению с традиционными техническими устройствами, за счет применения на полевом этапе статичных IP-камер, а также обеспечивающая автоматизацию процесса получения картографического материала.

Система содержит внутри склада на его сводах по всему периметру закрепленные статичные неметрические IP-камеры, при этом каждая из камер оснащена КМОП-матрицей и объективом, снабжена Ethernet-интерфейсом и выполнена с возможностью питания по технологии Power over Ethernet. Камеры посредством Ethernet-интерфейса подключены к модулю связи и передачи данных, который, в свою очередь, подключен к модулю распределения питания по электрическому каналу, подключенному к модулю питания оборудования и к модулю сбора, обработки и хранения данных. Последний посредством Ethernet-интерфейса подключен к неметрическим IP-камерам и выполнен с возможностью обработки и анализа видеопотока, полученного от камер, расчета объема и сопутствующих технологических показателей насыпи, построения карты изовысот и трехмерной модели насыпи сыпучих продуктов с дальнейшей передачей результатов измерений посредством Ethernet-интерфейса конечному пользователю. Обеспечивается повышение точности измерения объема сыпучих продуктов, находящихся на закрытых складах. 2 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Система для автоматизированного расчета объема сыпучего материала на складе закрытого типа, содержащая внутри склада на его сводах по всему периметру закрепленные статичные неметрические IP-камеры, при этом каждая из камер оснащена КМОП-матрицей и объективом, снабжена Ethernet-интерфейсом и выполнена с возможностью питания по технологии Power over Ethernet, отличающаяся тем, что упомянутые камеры посредством Ethernet-интерфейса подключены к модулю связи и передачи данных, который, в свою очередь, подключен к модулю распределения питания по электрическому каналу, подключенному к модулю питания оборудования и к модулю сбора, обработки и хранения данных; последний посредством Ethernet-интерфейса подключен к неметрическим IP-камерам и выполнен с возможностью обработки и анализа видеопотока, полученного от камер, расчета объема и сопутствующих технологических показателей насыпи, построения карты изовысот и трехмерной модели насыпи сыпучих продуктов с дальнейшей передачей результатов измерений посредством Ethernet-интерфейса конечному пользователю.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что количество статичных неметрических IP-камер выполнено с учетом 50% поперечного перекрытия и 50% продольного перекрытия кадров.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве камер использованы бытовые камеры с матрицей IMX335 и светочувствительностью 0.001 лк.