JP2000500195A

JP2000500195A - 掘削機データ収集及び制御システム及び処理

Info

Publication number: JP2000500195A
Application number: JP9503409A
Authority: JP
Inventors: スタンプ、グレッグ
Original assignee: ヴェルマーマニュファクチュアリングカンパニー
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1996-06-19
Publication date: 2000-01-11
Also published as: EP1281816A2; CN1067455C; EP1281816A3; US5659985A; EP2128655A2; ATE228620T1; ATE440297T1; ES2331948T3; RU2158952C2; WO1997000389A1; EP0830522B1; HK1015859A1; US6195922B1; DE69638005D1; EP1281816B1; US6477795B1; CA2222448A1; US20030074812A1; DE69625058D1; US5553407A

Abstract

(57)【要約】掘削場所の地表下の地質を特徴化し、収集したデータを利用して地中貫通部材を備えた機械の性能を最適化するためのデータ収集及び制御システム及び処理。地質学的情報収集ユニット（２５６）及び任意の地球物理学的位置決めシステム（２５４）が所定の掘削場所またはルートを調査するために採用されている。地質学的特徴化ユニット（２６０）が地表下の地質を決定するために採用されうる。収集されたデータは処理され、地質学的情報を提供し、また適用可能であれば、メイン制御ユニット（２３０）及び機械の性能を調整するための機械コントローラ（２５５）が利用する掘削場所の位置情報を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】掘削機データ収集及び制御システム及び処理発明の属する技術分野本発明は、一般的に掘削技術の分野に関する。特に地質学的及び位置的データを収集するための及び収集されたデータに対応して掘削機を制御するためのシステム及び処理に関する。発明の背景特定の掘削方法に応じて所定の場所やルートを掘削するため様々なタイプの掘削機が開発されてきた。一般的によくトラック溝掘機と呼ばれる特定タイプの掘削機が、パイプラインや水道管を設置し、埋設する目的で長く連続した溝を掘削する際に使われている。土地開発業者や土木建設業者は数マイルもしくは数百マイルもの地表下の地質のわからない様々なタイプの地形の掘削を望むこともありうる。一般に、そのような土木建設業者は、その地形の性質、掘削すべき地形の大きさや長さを評価するために、所定の掘削場所の調査を行う。１つまたは２つの抜き取りサンプルが所定の掘削ルートに沿って分析され、掘削すべき土壌のタイプをよりよく評価する。様々なタイプの質的及び量的情報に基づいて、一般的に土木建設業者は掘削事業を完遂するために必要な財源を予測してコスト予算をたてる。掘削の請負いの入札に際しては、土木建設業者はしばしば固定費入札を行っている。不十分、不正確な、または誤った調査情報が、特定の掘削事業関連の予算または入札の正確さに大いに影響を及ぼす。例えば、最初の調査で所定の掘削ルートの地表下の全てまたはほとんどの地質が、砂もしくは柔らかい砂利からなると判断されるかもしれない。すると土木建設業者の予算や入札は、相対的に柔らかい土壌の地表下の掘削に対応するコストを反映して行われる。しかし、掘削中に所定の掘削ルートの重要な部分が、花崗岩のような比較的堅い土壌からなると判明することがある。当初検出されなかった堅い土壌の掘削に対する追加費用は通常、土木建設業者が負担しなければならない。そのような予測不能のコストが土木建設業界の財政を危うくしうるということは、掘削業界では一般に理解されている。地下の地形のタイプ、性質、構造的特性を確かめるために、地表下の地質を分析するための様々な方法が開発されてきた。地面貫入レーダ及び赤外線サーモグラフィは、地表下の地質を検出するためのよく知られた方法の２つの例である。しかし、これら及びその他の非破壊的な撮像分析器具にはいくつかの欠点があり、現時点では、長い連続した溝を掘削したり、比較的大きな場所を掘削する時の適用性に限界がある。さらに、従来からある地表下の分析器具は通常特定の地表下の地質の画像のみを提供するものであり、掘削すべき土壌の特性を決定しようとする際に重要な、掘削する地形の構造的、機構的特性に関する情報を提供するものではない。開発業者及び土木建設業者は、所定の掘削場所の地表下の地質を決定する上での困難さを最小限にするために掘削機械を利用する必要がある。そのような地表下の地質を正確に特徴づけることによって、掘削業者の効率を更に高めることが必要である。本発明はこれら及びその他の要求を満たすものである。発明の要旨本発明は、掘削場所の地表下の地質を特徴づけ、掘削機の掘削性能を最適化するために収集したデータを使用するための、掘削機データ収集及び制御システム及び処理である。地質学的撮像システム及び地理学的位置決めシステムは最初に所定の掘削場所やルートを調査するために採用される。地質学的特徴化ユニットはまた地質学的撮像データの質を向上させるために採用してもよい。収集したデータは、掘削場所の詳細な地質学的及び位置データを提供するために処理され、またメイン制御ユニットによって掘削性能を最適化するために利用される。第一の形態においては、地表下の未知の地質を分析する際、メイン制御ユニットは多くの種類の地質の地質学的プロフィールデータを含む地質学的フィルターデータベースにアクセスする。収集された地質学的撮像データからの既知の地質に対応した地質学的フィルターデータ内容を除去することで、未知の及び疑わしい地表下物質を迅速に認識することができる。地質学的撮像システムは好ましくは、地表下の地質を３次元的に撮影できるように直交して配列された複数のアンテナを備えた地中貫入レーダシステムを含む。収集された地質学的撮像データを履歴掘削性能データと関連づけるために相関付けソフトウェアが採用される。掘削場所の正確な地理学的地図作成は、掘削機に取付けられた移動体トランスポンダ及び複数の地上ベースのトランスポンダを適度に含む地理学的位置決めシステムによって提供される。第一の形態においては、１つ以上のグローバルポジショニングシステム(Global Positioning System)(ＧＰＳ)サテライトによって変換された信号が、複数の地上ベースのトランスポンダによって生成された基準信号とともに利用される。簡単な図の説明図１は、トラック溝堀機と呼ばれる、溝堀機チェイントレンチング取付け部を含む掘削機の第一の形態の側面図である。図２は、掘削機の第一の形態であるトラック溝堀機の全体システムブロック図である。図３は、トラック溝堀機を制御し、収集された地質学的情報及び位置データを表示し、掘削機の様々な電気的及び機械的構成部を制御するためのメインユーザインターフェースを示す図である。図４は、新規な掘削機データ収集及び制御システムのメイン制御ユニット（ＭＣＵ）のシステムブロック図である。図５は、新規な掘削機データ収集及び制御システムの地質学的データ収集ユニット（ＧＤＡＵ）のシステムブロック図である。図６は、従来の単一軸アンテナシステムを使った地中貫入レーダシステムによって受信された反射されたソース電磁気信号の平面図である。図７は、新規な掘削機データ収集及び制御システムの地質学的位置決めユニット（ＧＰＵ）のシステムブロック図である。図８は、新規な掘削機データ収集及び制御システムの掘削機制御ユニット（ＥＰＵ）のシステムブロック図である。図９は、メイン制御ユニットによってアクセスされ、処理される様々なデータベース及びソフトウェアのブロック図である。図１０は、地表下に不均質な地質を有する所定の掘削場所を示す図である。図１１は、新規な地質学的データ収集ユニット（ＧＤＡＵ）及び地質学的位置決めユニット（ＧＰＵ）を使った所定の掘削ルートのためのチャート形式で示された調査プロフィール図である。図１２は、推定された掘削生成プロフィールを示す図で、図１１の調査プロフィールチャートに対応したチャート形式の図である。図１３は、地表下に不均質な地質及び未知の埋設物がある所定の掘削場所を示す図である。図１４は、地表下の二次元的な地質学的撮影を提供するための地中貫入レーダシステムと一般的に併せて使用される従来の単一軸アンテナシステムを示す図である。図１５は、地表下の３次元的な地質学的撮像を提供するための地中貫入レーダシステムと併せて使用される直交して配列された複数のアンテナを含む新規なアンテナシステムを示す図である。図１６は、都市道路の一部を表わす図及び所定の掘削場所の地図を正確に作成するために採用される新規な掘削機データ収集及び制御システムを備えた掘削機を示す図である。図１７〜２０は、新規な掘削機データ収集及び制御処理に作用する全体的な方法の工程をフローチャート形式で示したものである。好ましい形態の詳細な説明新規な掘削機データ収集及び制御システム及び処理は、特定の掘削場所の地質学的、地球物理学的及び地理学的位置情報の収集及び処理をすることによって掘削効率及び事業コストの推定を実質的に改善する。掘削機の操作は、収集した調査データ及び掘削機のオペレータから受けた入力コマンド情報に基づいて掘削機操作パラメータを修正することによって最適化されることが好ましい。特定の場所の掘削を始める前に、収集した調査データをコンピュータ分析することによって、その掘削場所の掘削に付随する資源やコストの推定の正確さが高められたことが意義深い。それによって、対象の掘削場所の地質に関する正確で詳細な情報がないために特定の掘削事業に付随するコストを読み誤るという建設業者のリスクが実質的に軽減される。トラック溝堀機と呼ばれる特定のタイプの掘削機を使って、新規な掘削機データ収集及び制御システム及び処理の利点と特徴を一般的に説明する。しかし、トラック溝堀機は、以下に説明する新規な掘削機データ収集及び制御システムに装備することのできる掘削機の１もしくは多数の形態を代表するものである。したがって、ここに開示された新規なシステムと処理の利点及び特徴はトラック溝堀機に関する用途のみに限定されるものではない。図、特に図１は、新規なデータ収集及び制御システムに好ましい掘削機の１つの形態を示す図である。図１及び２に示されたトラック溝堀機は一般的にトラック溝堀機３０のトラクター部４５を含む右トラックドライブ３２及び左トラックドライブ３４に連結されたエンジン３６を含む。掘削装置取付け部４６は通常トラクター部４５の前部に連結されており、一般的には特殊な掘削動作を行う。掘削チェイン５０または他の掘削装置取付け部が、しばしば様々な幅と深さの溝をかなりの速度で掘るために使われる。掘削チェイン５０は一般的に掘削場所周辺で溝堀機３０を移動させているときの走行の形態５６においては地面上に出たままである。掘削中は、掘削チェイン５０は下がり、地面に貫入し、溝堀の形態５８においては望ましい深さと速さで溝を掘る。別のよく知られた溝堀取付け部は、この技術の分野においてはロックホィールと呼ばれるもので、掘削チェイン５０の取付け部と類似の方法によって制御される。トラック溝堀機３０は、所定の掘削ルートに沿って様々なタイプのパイプラインや水道管を埋設する目的で効率的に溝を掘るのに好ましいものである。図３には、トラック溝堀機３０のメインユーザーインターフェース１０１が示されている。走行モードでの操作時、トラック溝堀機３０の推進及び操縦は、それぞれ左右のトラックドライブ３４、３２の作動をそれぞれ制御する左右トラックレバー６４、６６を扱うことによって一般的に制御される。例えば、右トラックレバー６６を前へ動かすと、一般に右トラックドライブ３２が前方向に動き、左トラックドライブ３４に対する相対速度によって、トラック溝堀機３０を左右どちらかの方向に操縦する。一般に右トラックレバー６６を後に引くと右トラックドライブ３２を逆にすることができ、それによって右トラックドライブ３２は反対方向に動かされる。左のトラックドライブ３４の推進は、右のトラックドライブ３２について前述したのと実質的に同じ方法で行うことができる。したがって、推進も操縦も一般的に、トラック溝堀機３０のトラックレバー６４及び６６によって制御される。また、左右のトラックドライブ３４、３２それぞれの独立した操作及び推進を提供するためにメインユーザーインターフェース１０１が構成されてもよい。掘削中、エンジン３６を一定に、最適出力レベルに維持しておくことが好ましいことが多い。そうすることで取付け部４６は最適な掘削出力レベルでの操作が可能になる。従来技術の制御パネルは一般的に制御及びスイッチを含み、それらにはスピード範囲スイッチ、ＲＰＭノブ、操縦調節ノブ及び前進調節ノブがあり、これらすべては、標準的な溝堀操作中において、一般的に取付け部４６の負荷を変化させてエンジンを所望のエンジン出力レベルに維持するため、そしてトラック溝堀機３０を所望の方向に操縦させるために調整されなければならない。さらに、左右一対のポンプ分圧器は左右のポンプ３８、４０の操作特性の平衡を維持するために調整及び再調整することが一般的に要求される。従来のトラック溝堀機制御パネルの重大な短所は、エンジン３６の負荷の変化に対し、オペレータが一般的にはまず調整するために適切なスイッチを決定し、次いでスイッチ調整量を決定することにより即座に反応しなければならない点である。一般的に、小さな推進修正は前進調節ノブを調整することによって行われる。トラック溝堀機３０の推進レベルに対する適切な変化は一般的にＲＰＭノブを調整することによって作用される。トラック溝堀機３０の推進レベルの大きな修正は一般的にスピード範囲スイッチを高い設定から中程度または低い設定に切り換えることによって、そして、エンジンが止まるのを避けるべく再び前進調節ノブ及びＲＰＭノブを調整することによってなされる。新規なデータ収集及び制御システム及び処理においては、複数のスイッチ、ノブ、レバーによる連続的な手動の調整、再調整の必要がなくなる。それに代わって、インテリジェント掘削制御ユニット（ＥＣＵ）が採用されており、様々な掘削機の機能を電気信号に変換し、最小限の調整作業によって、これら及びその他の電気信号の操縦及び掘削性能を最適処理するためのセンサーのネットワークを連続的にモニターしている。改善されたユーザインターフェースは適切な掘削機性能情報、及び地質学的、地理学的位置データをオペレータに伝える。好ましくは、例えば、液晶ディスプレイまたは陰極線管ディスプレイといったディスプレイによって表示する。データ収集及び制御システムとの入出力のために、また掘削機の操作を制御するためにキーボードやその他のレバー、スイッチがユーザインターフェース上に設けられている。データ収集及び制御システム図４は新規なデータ収集及び制御システムをシステムブロック図形式で示したものである。広く、一般的な意味において、図４に示されたシステムは、特定の掘削場所に関する地質学的、地理学的及び位置的情報によって、そして掘削効率を高めるためにこれらの情報を採用することにより、掘削機の操作が大幅に改善されている。掘削場所のデータの収集により、特定の掘削事業のコストと計画を推定する上でのリスクは実質的に軽減される。地質学的位置データをリアルタイムで収集することで、正確に位置と深さ、例えば、掘削場所に設置された埋設パイプライン及び水道管を認識するための掘削範囲の正確な地図作成ができる。新規な掘削機データ収集及び制御システム及び処理に関する利点及びその他の利点、特徴を以下により詳しく述べる。図４を詳しく説明する。新規なデータ収集及び制御システムの第一の処理構成部分はメイン制御ユニット（ＭＣＵ）２５０であり、中央処理ユニット（ＣＰＵ）２６４、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２６６、及び、電気的書き込み消去可能なＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only-Memor y）などの不揮発性メモリ２８６を含むことが好ましい。ＭＣＵ２５０は、いくつかの他のサブシステムと通信するための適切な入力出力ポートを含むことが好ましく、それは様々なタイプのデータを収集し、それらデータを処理し、掘削機の処理を適切、最適にするために掘削機の制御システムの調整に用いられる。メインユーザインターフェース（ＭＵＩ）１０１は、掘削機に取付けられたオペレータのシート近くに位置することが好ましく、メイン制御ユニット２５０と通信するための手段を提供している。掘削機制御ユニット（ＥＣＵ）２５５はメイン制御ユニット２５０と接続され、協同で掘削機の操作を制御し、メインインターフェース１０１から入力されるオペレータ入力を処理する。コンピュータまたはプログラム可能コントローラー１８２は好ましくは掘削機制御ユニット２５５のコンピューターの一部に組み込まれ、掘削機の機能を制御及び修正する。掘削機の移動と方向はモニターされ、必要に応じて地理学的位置決めユニット（ＧＰＵ）２５４によって適正化されることが好ましい。地理学的位置決めユニット（ＧＰＵ）は掘削機に取付けられた移動体トランスポンダを含むことが好ましく、１または複数の基準トランスポンダに対応することが好ましい。基準トランスポンダによって作成される位置関連信号は、地質学的位置決めユニット２５４のＧＰＵ２７０によって処理され、例えば、緯度、経度、海抜データ、及び１以上の基準位置からのずれのデータをはじめとした地質学的位置データとされる。新規なデータ収集及び制御システムの重要な構成部分は地質学的データ収集（ＧＤＡＵ）２５６に関するものである。それは、特定の掘削場所の様々なタイプの地質学的及び地球物理学的データを収集する。一実施形態において、地質学的データ収集ユニット２５６は、所定の掘削場所の初期調査データを提供するためのメイン制御ユニット２５０から取り外すことができる。初期調査後、地質学的データ収集ユニット２５６によって収集されたそのデータはＥＥＰＲＯＭ２６８のＲＡＭ２５６にダウンロードされることが好ましい。また、地質学的データ収集ユニット２５６は掘削機及びメイン制御ユニット２５０に直接連結され、地質学的、地球物理学的及び位置データを、掘削中においてリアルタイムに収集して提供できることが好ましい。別の形態においては、掘削場所の初期調査は、初期調査の終了時点でメイン制御ユニット２５０にダウンロードされた段階で、関連する地質学的、地球物理学的、及び位置データを提供する。初期調査に使用される構成成分を含む内蔵された地球物理学的データ収集ユニット２５６が、掘削性能を最適化するために初期調査に関連して使用されるリアルタイムデータ収集機能を提供することが好ましい。地球物理学的データ収集ユニット２５６は、ＧＰＵ２７６、ＲＡＭ２７８及びＥＥＰＲＯＭ２８０を含むことが好ましい。地質の物理的特性に加えて、地球物理学的データ収集ユニット２５６によって収集された様々なタイプのデータや特定の掘削場所に関するデータは、掘削機の性能を最適化する際、そして、特定の掘削事業のコストや場所を推定する際に、特に重要である。地質学的撮像ユニット（ＧＩＵ）２５８は好ましくは地球物理学的データ収集ユニット２５６に連結し、掘削場所に関連する特定の地質に関する情報を提供する。特定の掘削場所における特定の地質に関する様々な地質学的特性は地球物理学的特徴化ユニット（ＧＣＵ）２６０によって決定されることが好ましい。補助ユニット（ＡＵＩ）２６２は、地球物理学的データ収集ユニット２５６に連結し、収集されたデータ及び画像の局所的観察、及びオペレータが地球物理学的情報収集ユニット２５６と通信するための手段を提供することが好ましい。補助ユーサーインターフェース２６２は、地球物理学的データ収集ユニット２５６が掘削場所の初期調査を行うためのメイン制御ユニット２５０から取り外されている実施形態である場合は特に有用である。ＲＳ−２３２通信ケーブルは、電気的ユニットと新規なデータ収集及び制御システムの計器の間のデータ通信路となるための十分な帯域幅を提供できる。地球物理学的データ収集ユニット（ＧＤＡＵ）図５に示されているように、地球物理学的データ収集ユニット２５６は地質学的撮像ユニット２５８及び地球物理学的特徴化ユニット２６０を含むことが好ましい。地球物理学的特徴化ユニット２６０は特定の掘削場所の物理学的特性を提供するいくつかの地質学的計器を含むことが好ましい。弾性波利用地図作成モジュール(Seismic mapping module)２８６は複数の地球物理学的圧力センサからなる電気的装置を含む。これらのセンサのネットワークは掘削に関して特殊の配列で配置されており、直接地面と接触するように位置づけられている。センサのネットワークは、掘削機の下及び掘削機によって作られた溝の壁の中に生成された地面の圧力波を測定する。センサのネットワークによって受信された地面の圧力波の分析は掘削場所における地表下の物理的特性を決定するための基礎データを提供する。このデータは地球物理学的データ収集ユニット２５６のＧＰＵ２７６によって、またはメイン制御ユニット２５０のＣＰＵ２６４によって処理されることが好ましい。掘削場所の地表下の地球物理学的特性を決定するためにポイントロードテスター２８８を採用してもよい。ポイントロードテスター２８８は、特定の地表下が耐えることのできる換算負荷レベルをテストするために地面に接触した負荷ポイントとして、複数の円錐形の小片を採用したものであることが好ましい。ポイントロードテスター２８８によって収集されたデータは、テストされている土壌の地球物理学的力学に対応する情報を提供する。そのデータは、ＲＡＭ２７８またはＥＥＰＲＯＭ２８０に保存するために地球物理学的データ収集ユニット２５６に転送される。地球物理学的特徴化ユニット２６０はサンプルとなっている地表下の地質の反発硬度を測定する地球物理学的計器であるシュミットハンマー（Schmithammer）２９０を含むことが好ましい。岩盤、摩滅性、岩圧、岩質、及びその他の物理的特性の相対的なエネルギー吸収特性を測定するためにその他の地球物理学的計器を使用することもできる。それは与えられた地質の掘削に対する困難性についての情報を提供する。シュミットハンマー２９０によって収集されたデータは地球物理学的情報収集ユニット２５６のＲＡＭ２７８またはＥＥＰＲＯＭ２８０に保存されることが好ましい。地質学的情報撮像ユニット２５８は好ましくは地中貫入レーダシステム（ＧＰレーダ）２８２及びアンテナシステム２８４を含む。ＧＰレーダシステム２８２はアンテナシステム２８４と協同してソース電磁気信号を掘削場所の地表下に転送する。そのソース電磁気信号は地表下を貫入し、アンテナシステム２８４に反射される。アンテナシステムによって受信された反射ソース電磁気信号はＧＰレーダシステム２８２によって増幅され、調整される。第一の形態においては、ＧＰレーダ２８２によって処理されたアナログ反射ソース電磁気信号は量子化装置２８１によって量子化され、ディジタル化されることが好ましい。地質学的撮像ユニット２５８によって収集されたそのディジタル化レーダーデータは地質学的情報収集ユニット２５６のＲＡＭ２７８または不揮発性のＥＥＰＲＯＭ２８０メモリに保存されることが好ましい。図６は、ＧＰレーダシステム２８２によって収集された、従来の単一軸のアンテナシステム２８４を採用した一般的な地質学的撮像データを視覚化した図である。図６は、深さ約４〜５メートルの位置に地下水面をもつ砂状の土壌に深さ１．３メートルで埋められた５つの異なる人工障害物のある試験場所において収集されたＧＰレーダシステム２８２のデータを図示している。図６に示されたデータは、従来の単一軸の４５０ＭＨｚ中心周波数アンテナを使って一般的に検出できるデータの一例であり、センサーアンドソフトウェア社（Sensor and Softwar e,Inc.）製パルスＥＫＫＯ１０００システムを使用することによって得られたものである。ここに適用される他のＧＰレーダシステム２８２はジオフィジカルサーベイシステム社（Geohysical Survey Systems Inc.）製のＳＩＲシステム−２及びシステム１０Ａ及びジオレーダ社（GeoRadar-Inc.）製モデル１０００ＢＳＴＥＰＰＥＤ−ＦＭグランドペネットレイトレーダ（Ground Penertating Rader ）などが含まれる。図６に示されているそれぞれの埋設障害物は時間位置特性双曲線と関連している。特性双曲線の頂点は埋設障害物の位置及び深さの両方を示す。図６のグラフから、それぞれの埋設障害物は地下１．３メートルのところに位置することが読み取れる。そしてそれぞれの障害物は近くの障害物から水平距離で約５メートル離れていることがわかる。図６に示されているＧＰレーダシステム２８２データは、従来の単一軸のアンテナシステムを使って収集された地質学的撮像データを代表している。従って、調査される地表下の２次元的典型例を提供しているにすぎない。以下に更に詳しく述べるように直交する複数のアンテナを含む新規なアンテナシステム２８４は、特定の掘削場所に関連する地表下の地質の改善された３次元的観測を提供することができる。地理的位置決めユニット（ＧＰＵ）図７は、掘削場所上における掘削機の位置、動きおよび方向に関する地理的位置情報を供給する地理的位置決めユニット２５４を詳細に示す。一実施形態において、地理的位置決めユニット２５４は、１つ以上の外部基準信号源と通信し、１つ以上の既知の基準地点に対する掘削機の位置に関する情報を決定する。特定の掘削ルート上の掘削機の相対的な動きは、地理的位置決めユニット２５４のＣＰＵ２７０によって決定され、ＲＡＭ２７２またはＥＥＰＲＯＭ２７４に位置データとして記憶されることが好ましい。別の実施形態において、所定の掘削機の地理的位置データは、ルートを掘削する以前に収集しておくことが好ましい。この位置データは、メイン制御ユニット２５０および掘削機制御ユニット２５５と連動するナビゲーションコントローラ２９２にアップロードされ、これにより掘削機は所定の掘削ルート上で自動運転システムのように制御および操作される。また別の実施形態において、地理的位置決めユニット２５４によって収集された位置データは、例えば、市街路高圧送電線網または地下に種々の公共事業、通信、水道管および他の導管が埋設されているゴルフコースなどの掘削場所に関する位置データを記憶するルート地図作成データベース２９４と通信することが好ましい。ルート地図作成データベース２９４に記憶されたデータは、後に、特定の掘削領域に埋設された種々の公共事業の導管の位置および深さを正確に特定する調査地図を作成するのに用いられ得る。ある実施形態において、地球位置決めシステム（ＧＰＳ）２９６が、地理的位置決めユニット２５４の位置データを供給するのに用いられる。Global Positio ning System(GPS)またはNAVSTARと呼ばれている、３組の軌道において２４時間通信衛星を展開するという米国政府の計画に従って、１つ以上のＧＰＳ衛星から送信された種々の信号が、１つ以上の既知の基準地点に対する掘削機の位置の移動を決定するために間接的に用いられ得る。米国政府のＧＰＳ衛星システムはリザーブされた、またはプロテクトされた周波帯および民生の周波帯を提供すると一般に理解されている。一般に、プロテクトされた周波帯は、約１〜１０フィートの正確さで高精度な位置決め情報を提供する。しかし、プロテクトされた周波帯は、一般には、軍事的および政府の監視目的のためだけにリザーブされており、民生用アプリケーションには実質的に使用できないように変調されている。民生周波帯も変調され、高精度が要求されるアプリケーションにとってシステムの有用性が大幅に低減されたものとなっている。ほとんどのアプリケーションにおいて、典型的には約１００〜３００フィートの位置精度のものが民生周波帯を用いている。しかし、民生用ＧＰＳ周波帯は、１つ以上の地上ベースの基準信号源と組み合わせて１つ以上の民生ＧＰＳ信号を用いることによって比較的高精度のアプリケーションに間接的に用いられ得る。差動式ＧＰＳシステム（ＤＧＰＳ）と一般に呼ばれている公知の信号処理技術を用いることによって、１フィート以下程度の位置精度が利用可能である。図７に示すように、ＧＰＳシステム２９６は、少なくとも２つのベーストランスポンダ３０４によって生成される信号と連動して、少なくとも１つのＧＰＳ衛星３０２によって生成された信号を利用するが、１つのベーストランスポンダ３０４の使用で十分であるアプリケーションもあり得る。ＧＰＳ衛星信号３０２および掘削機に搭載される移動体ＧＰＳ受信機３０３と共に、１つ以上のベーストランスポンダ３０４を用いる差動式地球位置決め信号を使用する種々の方法が、ＧＰＳ衛星信号源を用いてベーストランスポンダ３０４基準地点に対する掘削機の動きを正確に検出するために用いられ得る。別の実施形態において、地上ベースの位置決めシステムとして範囲レーダシステム２９８を用いたものが使用され得る。範囲レーダシステム２９８は、複数のベース無線周波数（ＲＦ）トランスポンダ３０６および掘削機に搭載される移動体トランスポンダ３０８を含むことが好ましい。ベーストランスポンダ３０６は、ＲＦ信号を出し、移動体トランスポンダ３０８によって受信される。移動体トランスポンダ３０８は、種々の公知のレーダ技術によって各ベーストランスポンダ３０６に対する移動体トランスポンダー３０８の距離を計算し、次ぎにすべてのベーストランスポンダ３０６に対する位置を計算するためのコンピュータを含むことが好ましい。範囲レーダシステム２９８によって収集された位置データは、地理的位置決めユニット２５４のＲＡＭ２７２またはＥＥＰＲＯＭ２７４に記憶されることが好ましい。別の実施形態において、超音波位置決めシステム３００が、ベーストランスポンダ３１０および掘削機に搭載される移動体トランスポンダ３１２とともに用いられ得る。ベーストランスポンダ３１０は、既知のクロックレートを有する信号を出し、移動体トランスポンダ３１２がその信号を受信する。移動体トランスポンダ３１２は、超音波供給源のクロック速度を参照して、各ベーストランスポンダ３１０に対する移動体トランスポンダ３１２の範囲を計算するためのコンピュータを含むことが好ましい。移動体トランスポンダ３１２のコンピュータはまた、すべてのベーストランスポンダ３１０に対する掘削機の位置を計算する。種々の他の公知の地上ベースおよび衛星ベースの位置決めシステムが、所定の掘削ルートに沿った掘削機の動きを正確に決定するために用いられ得る。掘削機制御ユニット（ＥＣＵ）図８は、メイン制御ユニット（ＭＣＵ）２５０と通信し、掘削機の動作を調整する掘削機制御ユニット（ＥＣＵ）２５５のシステムブロック図を示す。図１および図２に示すトラック溝堀り掘削機３０の一実施形態において、左のトラックドライブ３４は、典型的には左トラックモータ４２に連結する左トラックポンプ３８を含み、右のトラックドライブ３２は、典型的には右トラックモータ４４に連結する右トラックポンプ４０を含む。左トラックモータセンサ１９８および右トラックモータセンサ１９２は、それぞれ、左トラックモータ４２および右トラックモータ４４と連結していることが好ましい。エンジン３６から動力を得ている左トラックポンプ３８および右トラックポンプ４０は、左トラックモータ４２および右トラックモータ４４へオイルの流れを制御し、左トラックモータ４２および右トラックモータ４４は、左および右のトラックドライブ３４および３２に推進力を与える。掘削装置取付け部４６は、取付け部モータ４８および取付け部制御部９８を含み、掘削装置取付け部４６はエンジン３６から動力を得ることが好ましい。センサ１８６は、取付け部モータ４６と連結されていることが好ましい。左トラックモータ４２、右トラックモータ４４および取付け部モータ４８の起動は、それぞれセンサ１９８、１９２および１８６によってモニタされる。センサ１９８、１９２および１８６によって生成される出力信号は、コンピュータ１８２に伝送される。それぞれ、操縦制御部９２および推進制御部９０によって生成される操縦信号および推進信号に応じて、コンピュータ１８２は、典型的に制御電流の形態で、左トラックポンプ３８および右トラックポンプ４０に制御信号を伝送し、左トラックポンプ３８および右トラックポンプ４０により左トラックモータ４２および右トラックモータ４４が作動するスピードを調節する。左トラックモータセンサ１９８および右トラックモータセンサ１９２は、左トラックモータ４２および右トラックモータ４４の実際のスピードを示すトラックモータ検知信号をコンピュータ１８２に伝送する。同様に、エンジン３６に連結されたエンジンセンサ２０８は、コンピュータ１８２へエンジン検知信号を供給し、それによってトラック溝堀機３０のトラクター駆動部４５に関する閉ループ制御システムが形成されている。種々の公知のコンピュータ構成により、推進制御部９０および操縦制御部９２によって生成される推進および操縦信号に応じてトラック溝堀機３０の推進および操縦の変更を行うための適切なプラットフォームの提供が可能である。トラック溝堀機３０の掘削装置取付け部４６は、取付け部モータ４８、取付け制御部９８および少なくとも１つの取付け部センサ１８６を含む。取付け部モータ４８は、コンピュータ１８２から取付け制御９８へ伝送される指示に応じる。取付け部モータ４８の実際の出力は、取付け部センサ１８６によってモニタされ、取付け部センサは、コンピュータ１８２によって受信される取付け部センサ信号を生成する。ある実施形態において、左および右トラックモータセンサ１９８および１９２は、当該技術分野において磁気パルスピックアップまたはＰＰＵと一般に呼ばれているタイプのセンサである。ＰＰＵ１９８および１９２は、トラックモータの回転を連続的な一連のパルス信号に変換し、パルス列は、１分間のトラックモータの回転数を表わすことが好ましい。走行の移動モードが選択されると、推進制御部９０は、典型的には１分間の回転数で測定される左および右トラックモータ４２および４４の目標速度を表わす移動推進制御信号を生成することが好ましい。移動推進信号の目標トラックモータ速度への変換は、推進制御部９０自体によって、好ましくは、コンピュータ１８２によって実行される。典型的にはコンピュータ１８２は、それぞれ左および右ＰＰＵセンサ１９８および１９２によって生成された左および右トラックモータ検知信号と移動推進信号によって表される目標トラックモータ推進レベルとを比較する。コンピュータ１８２は、実際のトラックモータ推進レベルと目標のトラックモータ推進レベルとの差を補償するために比較結果に応じて、適切なポンプ制御信号を左および右トラックポンプ３８および４０に伝送する。ディスプレイ７３が、コンピュータ１８２またはメイン制御ユニット２５０に連結され、動作状態、診断、調整、欠陥、安全性および他の関連情報を示すメッセージをオペレータに伝送することが好ましい。ディスプレイ７３は、複数のトラック溝堀機センサならびに種々の地質学的および地球物理学的機器からのデータを収集および処理するコンピュータ１８２の処理能力によって、素早く、正確および理解しやすい情報をオペレータに提供する。例えば、地質学的撮像データおよび関連する地球物理学的情報が、ディスプレイ７３に適切に表示される。さらに、掘削機が所定の掘削ルートに沿って進む際の掘削機の位置に関する情報および地理的位置決めユニット２５４から受信される信号の品質を示す情報がディスプレイ７３に表示される。キーボード７５もまたメインユーザインターフェース１０１に具備されており、オペレータが掘削機制御ユニット２５５およびメイン制御ユニット２５０と通信することを可能にする。メイン制御ユニット（ＭＣＵ）図９は、地質学的データ、地球物理学的データ、位置データおよび選択された掘削場所を調査し、掘削に関するデータにアクセスおよび処理する際に、メイン制御ユニット（ＭＣＵ）２５０によって利用される種々のデータベースおよびソフトウェアのブロック図を示す。例えば、地球物理学的データ収集ユニット２５６によって収集されたデータは、データベース３２６に記憶されるのが好ましく、データベース３２６は、ＧＰレーダデータベース３２８、地質学的フィルターデータベース３３０および地球物理学的データベース３３２を含む。ＧＰレーダシステム２８２データは、上記のように、他のシステムのデータベース上のデータとの対応がとりやすいように適切なデジタルフォーマットでＧＰレーダデータベース３２８にデジタル化され、記憶されることが好ましい。地質学的フィルターベース３３０は、以下に詳細に述べるように、ＧＰレーダデータを掘削性能データベース３２４に記憶された掘削機生成データと相関をとることによって生成されるフィルタリングデータを含む。相関付け・最適化ソフトウェア３２０は、ＧＰレーダベースを実際の掘削機生成データと相関させ、リアルタイムで収集した地質学的画像データを適切に重ね合わせ、照合された地質学的データを除外または「フィルタリングし」、これにより、１つ以上の埋設された障害物を表わす画像を表示できることとなり、調整可能な地質学的デジタルフィルター群を提供できる。より進んだ表示手段によって、特定のタイプの土壌は、掘削機制御ユニット２５５によって収集された掘削機生成データと対応づけられる特徴的な反射レーダ画像が生成できる。例えば、花崗岩に対する掘削は、掘削装置取付け部モータ４８のスピード、エンジン３６の負荷および左または右トラックモータ４２および４４の速度変化などの種々の掘削機動作パラメータに対応づけられる特徴的な反射レーダ画像が生成できる。「掘削困難性」パラメータまたはパラメータ群が、掘削機動作パラメータに基づきコンピュータ処理されることが好ましい。そして、「掘削困難性」パラメータは、例えば、花崗岩などの特定の地質学に対応する特徴的な反射レーダ画像データに付加される。「掘削困難性」フィルターパラメータおよび反射レーダ画像データ値は、広範囲の土壌および岩に対して展開され、地質学的フィルターデータベース３３０に記憶されることが好ましい。掘削統計データベース３１６は、相関付け・最適化ソフトウェア３２０からデータファイルを受信し、統計学的データを処理し、特定の地質学、メンテナンスおよび設備の変数に対する実際の掘削機性能を反映する。ある実施形態において、ＧＰレーダデータおよび地球物理学的データは、所定の掘削ルートの初期調査の間、地球物理学的データ収集ユニット２５６によって収集される。このデータは、所定のルートを掘削する前に、掘削統計データベース３１６にアップロードされることが好ましい。掘削統計データベース３１６に記憶されたデータは、過去の掘削性能に基づく標本地質学における性能推定値であるとみなすことができる。メイン制御ユニット２５０はまた、相関付け・最適化ソフトウェア３２０からのデータファイルおよびメインユーザインターフェース１０１から受信される入力命令を受信するＥＣＵ制御ソフトウェア３１８を実行する。ＥＣＵ制御ソフトウェア３１８は、掘削機を所定の掘削ルートのコース上に移動させるための当該時点における標準動作を実行する。もし、メインユーザインターフェース１０１から受信される入力データが、標準動作の修正を行うものであると、ＥＣＵ制御ソフトウェア３１８は、修正後の掘削機動作指示をコンピュータ処理し、それら指示をメイン制御ユニット２５０および掘削機制御ユニット２５５に送信し、メイン制御ユニット２５０および掘削機制御ユニット２５５が修正後の標準動作に応じて掘削機の動作を修正する。メンテナンスログメモリ３１４は、種々のタイプの掘削機メンテナンス情報を記憶する不揮発性メモリを含むことが好ましい。掘削機の総稼働時間を示す経過時間のインジケータがメンテナンスログメモリ３１４に含まれることが好ましい。予め設定された総稼働時間値がメンテナンスログメモリ３１４に記憶されるのが好ましく、掘削機のオペレータにメンテナンス作業が必要であるということがメインユーザインターフェース１０１により知らされる。予定メンテナンス作業のチェック、作業の種類、作業の日付および他の関連情報は、メインユーザインターフェース１０１を介して入力され、メンテナンスログメモリ３１４の不揮発メモリに書き込み記憶されることが好ましい。ある実施形態において、メンテナンスログメモリ３１４は、メーカー指定の実作業値および標準掘削動作に対する名目作業値の範囲を表わすテーブルを含むことが好ましい。所定の値または値の範囲外で掘削動作が発生すると値が増加していく状態カウンタが、各動作値および値の範囲に対して設けられている。状態カウンタ情報は、掘削機のメーカー指定動作範囲外での作動の程度を評価するのに有用であり、特に、適切なアフターサービスの修理作業の内容を決定する際に有用である。地質学的調査および撮像一般的な掘削作業において、図１０に示すように、所定の掘削ルートは、最初に地理的位置決めユニット２５４および地球物理学的データ収集ユニット２５６を用いて調査することが好ましい。ある実施形態において、地理的位置決めユニット２５４および地球物理学的データ収集ユニット２５６は、車３４２が所定の掘削ルートに沿って牽引する輸送カート３４０に設置される。図１０に示す例では、掘削ルートは、地下に公共事業の導管が埋設されている田舎道である。輸送カート３４０は道路３４４に沿って牽引され、地質学的撮像ユニット２５８から受信されるデータは、道路３４４の地表下の土壌の特質を決定するために収集される。同時に、地理的位置データは、車３４２および輸送カート３４０が道路３４４を横切るときに地理的位置決めユニット２５４によって収集される。このように、地質学的撮像ユニット２５８から得られる特定の地質学的データは、道路３４４に沿った特定の地理的場所に対応づけられる。地質学的撮像ユニット２５８は、典型的には、所望の深さの掘削に利用される所定の深さ分を貫入するように調整されるＧＰレーダシステム２８２を含む。所定の掘削深さによって、種々のタイプの土壌および岩が、所定の掘削ルートに沿って存在し得る。図１０に示すように、道路３４４の真下にある盛り土３４６の層は、特徴的な地質学的プロフィールＧＰ₁および前述のように、特定の土壌タイプの反射レーダ画像データと掘削性能データとの相関関係を表す対応する地質学的フィルタープロフィールＧＦ₁が付随している。輸送カート３４０が道路３４４を進むとき、砂層３４５、れき質３５２、岩床３５０および天然土壌３４８などの種々のタイプの土壌および地下構造物が検出され、それぞれ、対応する特徴的な地質学的プロフィールおよび地質学的フィルタープロフィールを有する。初期調査が終了すると、地球物理学的データ収集ユニット２５６および地理的位置決めユニット２５４に収集および記憶されたデータは、別個のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２５２にダウンロードされることが好ましい。ＰＣ２５２は、掘削統計ソフトウェアおよび関連データベース３１６を含み、収集された調査データを掘削機の履歴性能データに相関させ、調査されたルート上の予想される掘削機性能に関する推定値を生成する。性能推定値は、さらに、実際の地質学的データおよび掘削機履歴性能データに基づく特定の領域の掘削に伴う時間およびコストをコンピュータ処理する基礎データとして使用され得る。初期調査の終了後、地球物理学的データ収集ユニット２５６は、調査ルートに沿って掘削を開始する前に掘削機のメイン制御ユニット２５０に連結することが好ましい。前述のように、掘削中、地質学的データ、地球物理学的データ、位置データおよび掘削機性能データを含む種々のデータベースは、メイン制御ユニット２５０によって処理される。掘削機制御ユニット２５５に連動するメイン制御ユニット２５０は、掘削機が、調査ルートに沿って進み掘削するとき、掘削機の動作を調整し、掘削を最適化する。図１１は、所定の掘削ルートに沿って地球物理学的データ収集ユニット２５６および地理的位置決めユニット２５４を移動することによって得られた調査プロフィールの一例を示す。この例において、掘削ルートの長さは、地点Ｌ₀と地点Ｌ₅との間の距離として定義されている。所定の掘削ルートの対応する推定掘削生成プロフィールが、図１２に示されている。図１１を詳細に参照すると、地表下の地質学的特性に明確な変化が、地点Ｌ₁ 、Ｌ₂、Ｌ₃およびＬ₄において観察され、それらには、調査プロフィールチャートのＹ軸に沿って示された「掘削困難性」パラメータに対応する変化がみられる。例えば、地点Ｌ₀とＬ₁との間において、地表下の地質学的プロフィールＧＰ₁ ３６２には、Ｄ１という掘削困難性パラメータが付加されている。Ｌ₁での地質学的撮像データは、ＧＰ₂３６４の地質学的プロフィールおよびＤ２という掘削困難性パラメータを有する土壌への地表下地質学における移行を示し、これにより、比較的柔らかい土壌への移行を示している。図１２に示す推定掘削性能プロフィールは、最初の性能プロフィールＰＰ₁３７２から地点Ｌ₁においての別の生成プロフィールＰＰ₂３７４への移行を示している。掘削率は、掘削生成プロフィールチャートのＹ軸に沿って示されている。地点Ｌ₀とＬ₂との間の地表下の地質学的特性の調査プロフィールに基づいて、掘削率Ｒ１が、地点Ｌ₀とＬ₁との間の所定の掘削ルートの部分について推定されているが、地質学的プロフィールＧＰ₂３６４は低い掘削困難性パラメータＤ₂となっており、そのため掘削ルート地点Ｌ₁とＬ₂との間では、Ｒ₂という増加した掘削率が推定されていることがわかる。同様の関係が、特定の掘削困難性パラメータとその対応する推定掘削率パラメータとの間に存在することが見られる。一般に、掘削困難性パラメータが増加すると対応する掘削率パラメータは減少する。この一般化された反比例の関係は、花崗岩などの比較的硬い土壌の掘削は、比較的掘削率が低くなるが、砂などの比較的柔らかい土壌の掘削は、比較的掘削率が高くなるという実際の掘削結果を反映している。各特定の地質学的プロフィール（ＣＰｘ）および生成プロフィール（ＰＰｘ）は例えば、地質学的プロフィールＣＰ₁３６２および生成プロフィールＰＰ₁３７２に対する掘削時間Ｔ１などのように各々対応する掘削時間が存在する。このように、特定の所定の掘削ルートの全推定掘削時間が、個々の掘削時間パラメータＴ₁〜Ｔ_Nのそれぞれを加算することによって得ることができる。掘削ルート地点Ｌ₃とＬ₄との間の地質学的プロフィールＧＰ₄３６８に対応する図１１の調査プロフィールデータは、この地点間での不連続性を示している。所定の掘削ルートのこの地点間に対応する図１２の掘削生成プロフィールは、掘削率推定値が値がゼロ以下になるように示されており、不連続性を示している。所定の掘削ルートのこの部分のデータは、非常に硬い土壌あるいは、例えば、コンクリートまたは鋼鉄のパイプラインなどの人為的な障害物の存在を示している。特定の領域のさらなる探索および調査が必要とされることもあり、これは、障害物の除去または所定の掘削ルートの変更が必要となり得る。所定の掘削ルートの特定の範囲のより実際の地質学的プロフィールが、掘削ルート地点Ｌ₄とＬ₅との間に示される地質学的プロフィールＧＰ₅３７０として図示されている。この地質学的プロフィールの掘削困難性パラメータは、Ｄ５という平均パラメータになる。したがって所定のルートの部分を掘削するときは平均掘削率Ｒ５が適切な値となる。またあるいは生成プロフィールＰＰ₅３８０に対する掘削率としてこのような掘削困難性の変動に基づいて掘削率を最適化するように掘削機制御ユニット２５５によって調整すればよい。このような掘削機の掘削率変動を最適化する能力は、一般には、種々の機械上および処理上の制約によって限界がある。図１３は、Ｌ_sという所定の距離を有する所定の掘削ルート上の異なる土壌タイプの異質成分を示す。例えば、領域１の土壌は、ＧＰ₁という地質学的プロフィールおよびＧＦ₁という地質学的フィルタープロフィールを有する。図１３に示す他の土壌タイプのそれぞれが、対応する地質学的プロフィールおよび地質学的フィルタープロフィール値を有している。地質学的フィルターデータベース３３０は、図１３に示す領域１、２、３および４のそれぞれについての地質学的フィルターデータを含むものとする。地球物理学的データ収集ユニット２５６によって達成される新規の障害物検出プロセスの重要な利点は、未知の埋設された構造物４０１の存在を素早く検出できる点である。メイン制御ユニット２５０によって実行される相関付け・最適化ソフトウエア３２０は、対応する既知の地質学的フィルターを用いて既知の地質学をフィルタリングし、調査走査画像として得られるデータから既知のまたは照合された地質学データを除外することが好ましい。既知のまたは照合された地質学データをフィルタリングまたは除外することは、未照合の埋設された構造物４０１のみを表示することになる。既知の地質学データを地質学的撮像調査走査データから除外することによって、未知のまたは疑わしい埋設された構造物が明瞭に識別できる。図１４は、地中貫通レーダシステムとともに用いる従来のアンテナ構成を示す。一般に、Ｚ軸方向に向いているアンテナＡ３８２として示されるもののような単軸アンテナが、潜在する埋設された障害物３８６を探索している時に、多数の探索走査線３８４を受信するために用いられる。一般に、地中貫通レーダシステムは、信号が送信機から発信され、目的物で反射し、受信機に戻るまでの時間を測定できる反射時間測定能力を有する。この時間関数は、地下物質または地平線上の距離を測定するために特定の地表下条件に応じて調整できる。特定の土壌タイプにかかる誘電率および波速度などの特徴的な土壌特性のフィールド決定値に基づいて、この測定時間値を目的物までの深さを表す距離に変換するための計算処理が実行される。特定の地中貫通レーダシステムの深さ測定能力を調整するとき用いられる簡単な調整方法は、標本目的物を抜き取り、その深さを測定し、そこまで波動が伝搬するのにかかる時間をナノ秒単位で関連付けることにより行うものである。地中貫通レーダシステムの時間測定能力により、オペレータに深さ情報を供給した後、レーダシステムは、水平（Ｘ）方向に動作し、これにより地表下の二次元プロフィールの構成が可能になる。特定の場所上の一連の並列ライン３８４において多数の探索走査を行うことにより、埋設された障害物３８６が突き止められる。しかし、従来のアンテナ構成３８２の二次元撮像能力は、特に、障害物３８６が、探索走査線３８４の方向と平行であるとき、埋設された障害物３８６を見逃す可能性がある。新規の地質学的撮像アンテナ構成２８４の重要な利点は、図１５に示されるような地表下の三次元撮像が提供できる点である。一対のアンテナＡ３８８およびアンテナＢ３９０は、直交構成で用いられ、埋設された障害物３８６の三次元撮像を供給する。図６において従来の単軸アンテナの使用による二次元形態で示したような、特徴的な双曲的時間一位置データ分布が、検出された埋設障害物３８６の幅、長さおよび広さ寸法を提供する三次元双曲的形状として示され得ることがわかる。探索走査線３９２に平行に走る排水パイプラインのような埋設障害物３８６は、三次元撮像ＧＰレーダシステム２８２によって直ちに検出されることがわかる。それぞれの対の直交した向きの送信および受信アンテナは、地質学的撮像ユニット２５８のアンテナシステム２８４に用いられることが好ましい。掘削場所地図作成図１６は、市街路高圧送電線網４２２がある市街路４２０に沿って掘削動作を行う掘削機４１０を示す。掘削機４１０の新規の地理的位置決めユニット２５４の重要な利点は、市街路４２０のような、所定の掘削ルートに沿って正確に進み、地理的位置決めユニット２５４に連結されたルート地図作成データベース２９４に掘削ルートを正確にマッピングする能力を持つことである。例えば、市街路高圧送電線網４２２を含み、本システムが適用可能な市街路４２０のそれぞれの掘削ルートを正確に確定するために、最初に市街路高圧送電線網４２２を調査するのが望ましい。このデータは、地理的位置決めユニット２５４のナビゲーションコントローラ２９２にロードされることが好ましい。掘削機４１０が、各市街路４２０について指定された掘削ルートに沿って進むとき、実際の位置データは地理的位置決めユニット２５４によって収集され、ルート地図作成データベース２９４に記憶される。ナビゲーションコントローラ２９２に記憶された所定の掘削ルートからはずれると、ルート地図作成データベース２９４に正確に記録される。掘削作業が終了すると、ルート地図作成データベース２９４に記憶されたデータは、ＰＣ２５２にダウンロードされ、市街路高圧送電線網４２２の「実際に掘削された」掘削地図を構成し得る。従って、掘削ルートに沿って設置された公共事業または他の導管の正確な調査地図が、ルート地図作成データから製作され、その後の作業において、埋設された導管に到達したいまたは回避したい作業員によって参照され得る。図１６に示すような公共事業の導管の設置を目的とする１つ以上の市街路の掘削は、例として挙げられているのであって、新規の掘削機データ収集および制御システムの地理的位置決めおよびルートマッピング能力の応用範囲の制限を意図するものではない。図１６において、所定の掘削ルートの正確なナビゲーションおよび地図作成は、図７に関して上記に述べたような、地球位置決めシステム２９６、範囲レーダシステム２９８または超音波システム３００によって達成され得る。ＧＰＳ２９６構成を利用する掘削機データ収集および制御システムは、利用できる複数のＧＰＳ衛星３０２から受信する１つ以上のＧＰＳ信号とともに第１および第２のベーストランスポンダ４０４および４０８を含むことが好ましい。好ましくは、掘削機４１０に搭載された移動体トランスポンダ４０２が、ベーストランスポンダ４０４および４０８からそれぞれ送信されたＧＰＳ衛星信号４１２およびベーストランスポンダ信号４１４を受信するために設けられている。前述のように、改良された差動式ＧＰＳ位置決め技術を用いることによって、位置決め精度を１フィート以下に向上させることができる。別の実施形態において、地上ベース範囲レーダシステム２９８は、３つのベーストランスポンダ４０４、４０８および４０６ならびに掘削機４１０に搭載された移動体トランスポンダ４０２を含む。第３の地上ベーストランスポンダ４０６は、ＧＰＳ衛星信号４１２送信が一時的に終了した場合にＧＰＳ衛星信号４１２を用いるシステムのための予備のトランスポンダとして設けられている。位置データは、３つの地上ベースレーダトランスポンダ４０４、４０８および４０６から受信される３つの基準信号４１４、４１６および４１８を用いて、地理的位置決めユニット２５４によって処理および記憶されることが好ましい。超音波位置決めシステム３００を用いる実施形態は、同様に、掘削機４１０に搭載された移動体トランスポンダ４０２とともに３つのベーストランスポンダ４０４、４０６および４０８を用い得る。掘削機データ収集および制御プロセス図１７〜図２０は、新規の掘削機データ収集および制御システムおよびプロセスに対応するプロセスステップを表わすフローチャートである。まず、図１７に示すように、多くの地上ベーストランスポンダが、ステップ５００で所定の掘削ルートに沿って適切な地点に配置される。次いで、ステップ５０２において、地球物理学的データ収集ユニット２５６および地理的位置決めユニット２５４が掘削ルートの最初の地点Ｌ₀に配置される。次いで、ステップ２０４において、地質学的撮像ユニット２５８、地球物理学的特徴化ユニット２６０および地理的位置決めユニット２５４が初期化または調整される。初期化後、地球物理学的データ収集ユニット２５６および地理的位置決めユニット２５４が、掘削ルートに沿って移動し、その間、ＧＰレーダデータ、位置データおよび地球物理学的データが、ステップ５０６、５０８および５１０において収集される。ステップ５１２において、ＧＰレーダシステム２８２によって収集されたデータは、デジタル化および量子化されることが好ましい。ステップ５１６においてデータ収集が続行され、ステップ５１８に示すように、掘削ルートの最終点に到達するまで行われる。そして、収集されたデータは、ＰＣ２５２にダウンロードされるか、またはメイン制御ユニット２５０に直接ダウンロードされることが好ましい。図１８に示すように、ステップ５３０において、掘削統計ソフトウェアが、掘削ルート調査中に収集されたデータに基づいて実行されることが好ましい。ステップ５３２において、履歴掘削データが、掘削統計データベース３１６からＰＣ２５２に転送される。調査中に収集されたデータもまた、ステップ５３４において、ＰＣにロードされる。そして、ステップ５３６において、掘削統計ソフトウェアが、収集したＧＰレーダデータと履歴掘削データとを対応づける。ある実施形態において、ＧＰレーダデータと履歴掘削データとの間の相関付けは、種々の公知のマトリックス操作技術の使用によって行われる。ステップ５３８において、履歴掘削データマトリックスは、地質学的画像データ（ＩＤｘ）と対応する掘削データ（ＰＤｘ）とを相関させることによって生成されることが好ましい。相関値（ＣＶｘｘ）は、各一対の地質学的画像データおよび掘削データパラメータに対応して生成される。例えば、相関値ＣＶ₂₂は、地質学的画像データパラメータＩＤ₂と掘削データパラメータＰＤ₂との統計に対する相関値である。地質学的画像データパラメータＩＤ₁に対応するＴ₁およびＬ₁のような関連する時間パラメータおよび場所パラメータが各地質学的画像データパラメータに対応する。複数の地質学的画像データおよび掘削データパラメータ対に対応する相関値は、所定の掘削ルートに沿って時間および位置の増分について生成され得ることがわかる。ステップ５４０において、実際の地質学的画像データが、掘削ルート上で収集され、好ましくは、対応する別個の時間および地点距離増分についての別個の地質学的画像データのマトリックスとして処理される。ステップ５４２において、ステップ５３８および５４０において生成されたマトリックスは、推定または予測された掘削データパラメータ（ＰＤｘｘ）が一対の対応する実際の地質学的画像データ（ＩＤｘ）および相関値（ＣＶｘ）パラメータ対に対応する相関マトリックスを生成するように操作される。例えば、推定掘削データパラメータＰＤ₃ は、実際の地質学的画像データパラメータＩＤ₃および相関値パラメータＣＶ₃に対応する。推定掘削データパラメータそれぞれは、対応する時間および距離地点増分に対応することがわかる。図１９に示すように、ステップ５５０において、特定掘削ルートの推定掘削性能パラメータがコンピュータ処理される。全掘削ルートを掘削するための全推定時間（ＥＴ_T）が、別個の時間増分Ｔ₁〜Ｔ_Nを加算することによって推定され得る。所定の掘削ルートの掘削に対する動作コストは、ルートに沿う別個の部分のそれぞれに対応する動作コストを加算することによって決定され得る。推定労働コスト（ＬＣ_T）は、全推定掘削時間（ＥＴ_T）に１時間当たりの作業員コストを掛けることによって推定され得る。コストの総計（ＧＴ_E）の推定値は、全ルートの掘削に対応するすべての掘削コストおよび労働コストを加算することによって決定され得る。ステップ５５２において、推定掘削機動作パラメータが計算される。例えば、基準地点Ｌ₀とＬ₁との地点間で指定された掘削ルートの部分において、推定掘削データは、１２５フィート／分（ＦＰＭ）の最適な左トラック速度（Ｖ_L）および１２５ＦＰＭの右トラック速度（Ｖ_R）を含み得る。さらに、推定掘削データは、約１１０ＲＰＭの最適な掘削装置取付け部スピードおよび２,２５０ＲＰＭの目標エンジンスピードを示唆している。それぞれ１２５ＦＰＭの左および右トラック速度Ｖ_LおよびＶ_Rは掘削ルートに沿った掘削機の直進速度を表すものとする。地点Ｌ₀とＬ₁との地点間において指定された掘削ルートに沿って、掘削機は、２３０ＦＲＭである左トラック速度Ｖ_Lが、１５０ＦＲＭである右トラック速度Ｖ_Lより大きいので、右方向に操縦されることがわかる。また、掘削装置取付け部スピードは、１３０ＲＰＭまで加速され、目標エンジンスピードは、２,４００ＲＰＭまで増加することが示され、これにより、地点Ｌ₀とＬ₁との間に指定された領域内には比較的柔らかい土壌が存在していることを示している。地点Ｌ₀ とＬ₁との地点間に指定された掘削ルートに沿って、掘削機はまた、直進方向に６０ＦＰＭという比較的遅い速度で移動していることがわかる。これにより、比較的硬い地表下の土壌の存在が示されていることがわかる。１００ＲＰＭという遅い掘削装置取付け部スピードおよび２,００ＲＰＭという低い目標エンジンスピードは、掘削機速度が遅いためであることが示されている。図２０に示すように、ステップ５６０において、ステップ５５２で生成された推定掘削動作パラメータが、メイン制御ユニット２５０にロードされる。ステップ５６２において、基準地点Ｌ₀から掘削が開始される。ステップ５６４において、メイン制御ユニット２５０が、掘削機のパラメータをモニタし、条件範囲外の稼働がメンテナンスログメモリ３１４に記録される。ステップ５６８において、実際の掘削性能パラメータが、掘削機制御ユニット２５５によって収集され、メイン制御ユニット２５０に転送される。ステップ５７０において、メインユーザインターフェース１０１から受信された入力も同様にメイン制御ユニットに転送される。ステップ５７２においてテストされたとき、もし、掘削機のパラメータから受信される実際の掘削性能パラメータが、推定掘削動作パラメータの所定の値と異なる場合には、ステップ５７４において、メイン制御ユニット２５０は推定パラメータを最適化し、ステップ５７６において、最適化されたパラメータを掘削機制御ユニット２５５に送信し掘削動作の必要な変更を行う。ステップ５７８において、掘削が続行され、ステップ５８０において、所定の掘削ルートの最終地点に達すると、その後、ステップ５８２において、掘削動作が終了する。もちろん、種々の変更および追加が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく上記の好適な実施形態になされ得ることが理解される。従って、本発明の範囲は、上記の特定の実施形態に限定されるべきではなく、以下に記載の請求項および開示された実施形態の均等物によってのみ限定されるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．地中貫入部材を有する機械のためのデータ収集及び制御システムであって、前記機械は前記機械を所定のルートに沿って前進させるための推進手段を含み、前記システムは、所定のルートに沿って地質学的情報を収集するための地質学的情報収集ユニットであって、所定のルートの地表下に向けられた地中貫入ソース信号を出し、地表下からの反射信号を受信するための信号処理ユニットを含む地質学的情報収集ユニットと、推進手段の動作を制御するための機械コントローラと、地質学的情報収集ユニットからの地質学的情報及び機械コントローラからの操作情報を受信するためのメインコントローラとを備え、前記メインコントローラが、機械性能パラメータを前記地質学的情報と前記操作情報に応じて推定し、前記機械コントローラが、推定された機械性能パラメータに応じて推進手段の操作を修正するシステム。２．前記信号処理ユニットが、地中貫入ソース信号が地表下を通るように送信するための及び地表下からの反射信号を受信するための、直交して配列された２本のアンテナに連結されている請求項１に記載のシステム。３．前記地質学的情報収集ユニットに連結され、反射信号を用いて地表下の画像を表示するディスプレイを更に備えた請求項１に記載のシステム。４．前記メインコントローラに連結され、所定のルートに沿った機械の位置を決定する地理学的位置決めユニットを更に備え、前記メインコントローラは、収集された地質学的情報と地理学的位置決めユニットから受信した位置情報とを相関させ、推定された機械性能パラメータを生成する請求項１に記載のシステム。５．前記地理的位置決めユニットが、前記機械に取り付けられたグローバルポジショニングシステム（Global Positioning System）トランスポンダ及び複数の地上ベースのトランスポンダを含む請求項４に記載のシステム。６．前記地質学的情報収集ユニットに連結され、地表下の物理的特徴を決定する地質学的特徴化装置を更に備えた請求項１に記載のシステム。７．前記メインコントローラが既知の地質学的特徴に対応した地質学的フィルタリング情報を含むメモリに連結されており、前記メインコントローラが、収集した地質学的情報を前記地質学的フィルター情報を用いてフィルタリングし、収集された地質学的情報の内容から既知の地質学的情報を取り除く請求項１に記載のシステム。８．前記メインコントローラが履歴機械性能データを含むメモリに連結しており、前記機械コントローラが、推定された機械性能パラメータ及び履歴機械性能データに応じて推進手段の動作を修正する請求項１に記載のシステム。９．所定のルート及び掘削中における機械の前記所定のルートからの逸脱をマッピングするための地図作成手段を更に備えた請求項１に記載のシステム。１０．所定のルートの地図を用いて機械をナビゲートするためのナビゲータ手段を更に備えた請求項９に記載のシステム。１１．前記地質学的情報収集ユニットが、前記メインコントローラに連結された取り外し可能な連結コネクタを含む請求項１に記載のシステム。１２．所定のルートの地表下の地質を特徴化し、地中貫入部材を有する機械を制御する方法であって、地質学的情報収集システムを所定のルートに沿って移動し、前記地質学的情報収集システムを用いて所定のルートの地質学的情報を収集し、前記地中貫入部材が所定のルートを移動する時、前記収集した地質学的情報に応じて機械の動作を修正する工程を備えた方法。