JP2005220687A

JP2005220687A - 土木施工管理システム

Info

Publication number: JP2005220687A
Application number: JP2004031888A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Imai; 今井博; Hiroshi Ono; 小野浩史
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】仮想空間を利用した土木施工管理のためのシステムを提供すること。
【解決手段】入力操作部１と演算処理部２と表示部４と土木施工に必要なデータを格納したデータベース部３とを備え、データベース部３に格納されたデータを演算処理部２で処理して仮想空間に土木施工画像５を構築して表示部４に表示すると共に、仮想入力部４１を表示部４に表示し、表示部の土木施工画像５を観察しながら、入力操作部１で仮想入力部４１を操作する、土木施工管理システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、土木施工管理のための仮想空間を利用したシステム（バーチャルリアリティーシステム）に関するものである。

従来、土木工事において、切羽ごとに地質を調べたり、写真を撮ったりして、切羽観察をまとめている。また、掘削時のビット反力などを切羽面で測定し、連続的な測定から以降の地山状態を予測している。そのため、膨大な量の切羽観察データを、効率よく且つ簡便に、視覚的に、連続的に評価することができない。また、掘削土量の計算を素早く行うことができない。また、現状では、完成された地質予測システムが実用化されていない。なお、トンネルの切羽面の掘削におけるリアルタイムな処理については、特許文献１に記載されている。
特開平１１−２７０２８３号公報

＜１＞本発明は、仮想空間を利用した土木施工管理のためのシステムを提供することにある。
＜２＞また、本発明は、仮想空間で、視覚的、感覚的、連続的に地質情報を統合し、シミュレーションを加えることにより、地質評価を施工中に可能にするシステムを提供することにある。
＜３＞また、本発明は、工事中、または、工事全体を通した地質データ、切羽状況、写真などの工事記録を系統的に統合したデータベースを提供することにある。

本発明は、入力操作部と演算処理部と表示部と土木施工に必要なデータを格納したデータベース部とを備え、データベース部に格納されたデータを演算処理部で処理して仮想空間に土木施工画像を構築して表示部に表示すると共に、仮想入力部を表示部に表示し、表示部の土木施工画像を観察しながら、入力操作部で仮想入力部を操作することを特徴とする、土木施工管理システムにある。

＜１＞本発明は、施工中に、現在までの掘削土量などを瞬時に計算できる。
＜２＞また、本発明は、連続した施工条件・状態の記録から、地質条件、施工条件の予測を容易にでき、施工管理を容易にできる。
＜３＞また、本発明は、施工時のトラブル対応に関する結果をシミュレートでき、的確な判断の選択を可能となる。
＜４＞また、本発明は、施工中に得られた地質情報や全計測データに関する整理が竣工時には終了する。その結果、後日の工事データの再利用が迅速かつ簡便となる。

＜１＞土木施工管理システム
土木施工管理システムは、トンネルなどの土木工事の施工管理を仮想空間を利用して擬似的に行うものであり、バーチャルリアリティー（ＶＲ）技術により仮想空間を構成し、この仮想空間で視覚的、感覚的、連続的に地質情報を統合的に入手し、シミュレーションを加えることにより、施工中に、施工の評価や予測を可能とするシステムにある。

土木施工管理システムは、例えば図１に示すように、キーボード、マウス、レーザースキャナ、特別なグローブなどの入力操作部１と、演算処理部２と、データベース部３と、ヘッドマウンティングディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mount Display）、液晶表示装置などの表示部４とを備えている。表示部４には、仮想キーボードなどの仮想入力部４１や仮想空間に構築されたトンネルなどの土木施工画像５を表示する。表示部４は、例えば眼鏡タイプのＨＭＤを使用し、１００インチ画面を仮想的に見ることができる。土木施工管理システムのユーザーは、特別なグロープを装着することで、仮想キーボード４１やマウスを使用することができる。これにより、データベース部３のデータ入力や出力の操作が可能となる。土木施工管理システムのマニュアルに従って、仮想入力部４１を操作して、切羽観察記録、写真などの切羽の画像、地質データなどをデータベース部に登録、削除、修正することができる。画像データは、PICTやJPEGなどの汎用フォーマットであれば、入力操作部１から簡単に読み込んで登録できる。なお、データの入力は、上記の他に、通信手段、携帯メモリ等から行うこともできる。また、仮想入力部４１を操作して、切羽５１毎の掘削土量を計算でき、また、掘削モードでは、そのパワーの大きさを設定して、掘削のシミュレーションを可能とする。

＜２＞データベース部
データベース部３は、例えばリレーショナル・データベースの構造を取り、データの種類、測定位置、測定日、測定業者名などのデータを持つ。データの種類については、切羽を含む内空断面のレーザースキャンデータ、切羽５１の写真などの切羽５１の位置データと画像データ、及び、地質データ、現場試験データ、切羽前方探査データ、岩種、掘削土量、水量、断面形状、決まった計測業務パッケージのＡ計測やＢ計測、比抵抗や弾性波計測データ、電磁波計測データ、超音波計測データなどの地層データを含む項目リストがある。データの測定位置については、例えば坑口からの距離（ＴＤ：Tunnel Distance）、ステーション番号などの項目リストがある。データの測定日については、測定した日時などの項目リストがある。データの測定業者名については、測定業者リストなどの項目リストがある。図１では、データベース部３をキーにより検索して、安山岩、玄武岩、花崗岩、砂地などの地質データの中、花崗岩について、測定日、測定位置などを表示している。

＜３＞演算制御部
演算制御部２は、データベース部３を検索したり、表示部４に画像を表示したり、画像を制御したり、表示部４に仮想入力部４１を表示し、仮想入力部４１からの入力情報により、土木施工管理システムを制御するものである。

＜４＞位置データと画像データの取得
地山の位置データと画像データの取得として、切羽５１ごとにカラー写真を撮り、データベース部３に格納する。カラー写真は、例えば間隔１ｍ程度の切羽５１ごとに撮り、ビットマップ形式で保存する。カラー情報としては、ピクセルごとにＲＧＢそれぞれ８ビットづつの２４ビットフルカラーの情報を持たせる。近接した写真は、地山の特徴が連続性を持っている場合は、写真と写真の間を精度良く地質統計学的に内挿する。切羽の過去のデータと現在のデータの連続性を仮定して内挿する。内挿で用いたパラメータを用いて写真の輝度やカラー情報をマッピングすることで、トンネル軸に沿う３Ｄデータ（Solid Data）を作成できる。

内挿で用いたパラメータは、データのトレンドと考えられ、これを用いることによって、地質断面の外装が可能となる。即ち、切羽５１の奥の地質が予測できる。例えば図２のように、前回掘削の切羽５１の写真（図２の（Ａ））と今回の切羽５１の写真（図２の（Ｂ））から、各写真の特徴的な点を、適宜、指定してトレンドのパラメータを設定し、そのトレンドのパラメータにより外挿して、次の切羽５１の写真（図２の（Ｃ））を予測する。実際には、多数の写真を利用することにより、正確な予測が可能となる。３次元の場合、数式１のように、ベクトルの空間微分で流れのベクトルを定義して、トレンドを求めることができる。数式１において、ｅ_ｘ、ｅ_ｙ、ｅ_ｚは、各々ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の単位ベクトルである。∂は、偏微分の記号であり、Φは、輝度であり、ＲＧＢのカラーデータである。実際には、ユーザーが同じようなカラー部分を選択することにより、結果的に▽Φがトレンド・ベクトル、即ち流れ方向を表わす。

＜５＞３Ｄレーザースキャンを用いた位置データと画像データの取得
切羽５１の写真は、切羽５１からほぼ等距離で、その位置は測量されて数ｃｍ程度で決まる。３Ｄレーザースキャンは、切羽の進行に従って切羽ごとに投光器でライティングしながら高感度フィルムで撮影する。この撮影は、精度の良いデジタルカメラでも良い。高速でしかも３Ｄデータをカラーで取得する３Ｄレーザースキャンを用いた測定は、図３に示すように、同じ３Ｄレーザースキャン位置５３で第１回と第２回のように２度撮影する。即ち、現在の切羽（図３（Ａ））と次に進行した切羽（図３（Ｂ））に対して測定する。これらの測定を繰り返すことにより、掘削土量を正確に求めることができる。３Ｄレーザースキャン位置５３をトータルステーションなどで精度良く測量するとよい。１回ごとに掘削土量を測定しながら、且つ、各切羽付近の３次元的位置を正確に記録する。これと同時に、切羽５１の写真を３Ｄレーザースキャンと同位置で撮影する。もちろん、３Ｄレーザースキャンが２４ビットのＲＧＢ対応のフルカラー情報がある場合は、写真撮影は不要である。しかし、解像度を考えると、高感度のフィルムを用いた写真があれば、鮮明な画像となり、３Ｄレーザースキャンデータより精度の高いカラーマッピングをすることが可能となり、地質の変化を効果的にシミュレートできる。

＜６＞地層データのマッピング
３Ｄレーザースキャンによる位置データとその位置に対して、地層データを持たせる方法を述べる。切羽５１の観察時に、切羽毎の目視又は写真の色と岩質の対応表を演算処理装置２で作成する。ここで言う岩質とは、層状に繋がる岩種の名前、載荷試験による強度、体積含水率などの計測データが挙げられる。この岩質対応表から、３Ｄレーザースキャンによる位置データの中の同等な部分を同一岩質ゾーンとして定義することができる。この岩質ごとのゾーンが切羽毎に定義でき、図２に示すように、このことにより切羽と切羽の間の岩質ゾーン５２が地質統計学的に内挿される。このゾーンは、切羽から切羽へと内挿されたソリッドデータである。このようにして、３Ｄグリッド上に岩質情報を含む地層データがマップできる。

＜７＞切羽の出水シミュレーションの方法
地山の破砕層や帯水層などのデータを電磁レーダなどにより求める。演算処理装置２は、これらのデータを基にして、切羽での出水をシミュレートできる。まず、切羽前方に帯水層などがあることを電磁レーダで検知し、その水平範囲を把握する。帯水層の簡単なモデルを図４に示す。図４（Ａ）は切羽５１の前方の帯水層５４の幅ｗを示し、図４（Ｂ）は出水状況の断面図を示し、図４（Ｃ）は出水状況のモデルを示している。切羽奥の帯水層５４の下側に、面積Ｓの孔から速度ｖで流水している状況を考えると、単位時間あたり流出する水量Ｖは、Ｖ＝ｖＳで与えられるから、逆に流水量Ｖと孔の面積Ｓから流水速度ｖが求められる。また、帯水層５４の高さをｈとすると、孔口５５で与えられる圧力Ｐはベルヌーイの定理から、数式２のようにエネルギー方程式として記載できる。ここで、添え字０は孔口５５から出水する寸前の状況での値であり、ｈは帯水層の上面位置の状況での値である。また、ρは水の密度、ｇは重力加速度である。

図４（Ｃ）のような場合、ほぼ、Ｐ_０＝Ｐ_ｈ＝１、ρ_０＝ρ_ｈ＝ρ、ｖ_０＝０、ｖ_０＝ｖと記載できるから、結局、ｈ＝ｖ^２／２ｇが得られる。それ故、瞬間的であるが、流水の速度ｖから帯水層５４の高さｈが分かる。もし、ある時間の流速がｖ_１あり、ある時間間隔後に流速を測定したらｖ_２であった場合、帯水層５４の水の高さは、それぞれの場合、ｈ_１＝ｖ_１ ^２／２ｇ、ｈ_２＝ｖ_２ ^２／２ｇとなっていることになる。この速度変化の間に全流水量Ｖが測定できた場合、帯水層５４の奥行きＤを数式３のようにして求めることができる。Ｄ＝２ｇＶ／ｗ（ｖ_１ ^２−ｖ_２ ^２）

帯水層５４の奥行きＤはＤ＝２ｇＶ／ｗ（ｖ_１ ^２−ｖ_２ ^２）であり、これにより、どの程度の流水量Ｗが残っているか、次の数式４で推定することができる。

このような解析結果を基に、仮想空間における擬似的に孔口５５をＳだけ開けた場合、湧水量や流速が推定できるので、いわゆる、異常出水を表示部４で表示して擬似的に体験することができる。

＜８＞崩落の疑似体験と硬さの感触の疑似体験
地山の３次元の各グリッドデータとして、岩質のデータも定義し、硬さを入力する。岩の硬さと崩落のしやすさを反比例の関係にあるとし、そのパラメータを定義することで、掘削のパワーと壊れ易さを１対１に関係付けることができる。実験データがあれば、それを使用することができる。壊れ易さは、岩を作っている粒子同士の結合力に関係するから、結局、掘削の仮想パワーと粒子間結合力の関係を定義すれば、画面上で崩落を起こさせ、疑似崩落を体験するができる。

例えば、簡単な方法として、１）新鮮な花崗岩の粒子間結合を１０とし、２）マサ土化２５％の花崗岩の粒子間結合を８とし、３）マサ土化５０％の花崗岩の粒子間結合を６とし、４）マサ土化７５％の花崗岩の粒子間結合を４とし、５）マサ土化１００％の花崗岩の粒子間結合を２とし、６）新鮮な溶結流紋岩の粒子間結合を１５とするなど、現場で出現する岩種ごとに定義する。掘削の仮想パワーを７とすれば、演算処理部２により演算処理して、新鮮な花崗岩やマサ土化２５％の花崗岩、新鮮な溶結流紋岩などは、７より大きいので崩落しないことになる。掘削の仮想パワーを上げれば、更に崩落する岩質が増え、掘削の仮想パワーを下げれば、崩落する岩質が減少する。実験などから数字に物理的な意味をもたせて、より正確な崩落の条件を求めることができる。例えば、岩石の堅い・柔らかさをＮ値に比例した形式で登録するとよい。

また、ユーザーが仮想空間内で岩質に接触する際の感覚を定義すると、特別なグローブで表示上の岩質ゾーンを触れると、その岩質ゾーンの硬さや粘弾性などの属性データに従って、擬似的な感触を得ることができる。

土木施工管理システムの説明図各切羽の写真の図３Ｄレーザースキャンによる切羽の測定の説明図切羽の出水の説明図

符号の説明

１・・・入力操作部
２・・・演算処理部
３・・・データベース部
４・・・表示部
４１・・仮想入力部
５・・・土木施工画像
５１・・切羽
５２・・岩質ゾーン
５３・・３Ｄレーザースキャン位置
５４・・帯水層
５５・・孔口

Claims

入力操作部と演算処理部と表示部と土木施工に必要なデータを格納したデータベース部とを備え、
データベース部に格納されたデータを演算処理部で処理して仮想空間に土木施工画像を構築して表示部に表示すると共に、仮想入力部を表示部に表示し、表示部の土木施工画像を観察しながら、入力操作部で仮想入力部を操作する、土木施工管理システム。
請求項１に記載の土木施工管理システムにおいて、
データベース部は、切羽に対して切羽の位置データと画像データを有し、
切羽の位置データと画像データから地層のつながりを内挿し、切羽の前方の画像を表示部に表示する、土木施工管理システム。
請求項２に記載の土木施工管理システムにおいて、
データベース部は、帯水層の地層データを有し、
表示部の土木施工画像において仮想的に掘削することにより、地山からの出水を擬似的に体験できる、土木施工管理システム。
請求項２に記載の土木施工管理システムにおいて、
データベース部は、地層と強度の地層データを有し、
地山に模擬的に地山の仮想改良を行い、表示部の土木施工画像において仮想的に掘削することにより、崩落とその制御を擬似的に体験できる、土木施工管理システム。
請求項２に記載の土木施工管理システムにおいて、
データベース部は、切羽に対して地層データを有し、
表示部の土木施工画像において仮想的に掘削することにより、地層データから地山の硬さの程度を擬似的に体験できる、土木施工管理システム。