JP2015140800A - 建設機械の運転支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】作業内容に適した省エネ運転を実現する。【解決手段】エンジン(22)と、油圧ポンプ(41)と、油圧アクチュエータ(32,34,36)と、操作レバー(201)と、複数の作業モードの中から何れかを選択する作業モード選択装置(90)と、を有する建設機械の運転支援システムであって、エンジンの燃料消費量を算出する燃料消費量算出部(301)と、油圧アクチュエータの仕事量を算出する仕事量算出部(302)と、エンジンの燃料消費量と油圧アクチュエータの仕事量とに基づいて各作業モードの作業効率を算出する作業効率算出部(303)と、操作者に対して報知を行う報知装置(306,307)と、報知装置の制御を行う報知制御部(305)と、を備え、報知制御部(305)は、作業効率算出部(303)の算出結果に基づく情報を報知装置(306,307)に出力することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械の運転支援システムに関する。

近年では、世界的な環境対応への動きに伴い、油圧ショベル等の建設機械においても燃費低減に対する取組みが進んでいる。このような背景から、作業モードとして従来の標準モード（パワーモード）だけでなく、燃費重視モード（エコモード）を更に備えた建設機械が公知である。これらの作業モードは、室内に設けられたスイッチやタッチパネル等の作業モード選択装置により運転者が手動で設定する方式が主流である。

例えば、均し作業のような負荷の軽い作業を行う場合は燃費重視モードを選択し、それ以外の作業を行う場合は従来の標準モードを選択するのが通例である。燃費重視モードでは、燃費を重視して油圧アクチュエータの出力（以下、「作業出力」と称する）をある程度抑える仕様になっており、標準モードでは作業出力を最大限に活用できる仕様になっている場合が多い。

また、特許文献１では、実燃費が目標燃費に到達しないときに省エネ運転に切り換えることのできる建設機械の省エネ運転装置が提案されている。この特許文献１に記載された技術は、燃料タンク内の燃料残量を検出した結果に基づいて、過去のある時点から現時点に至るまでの単位時間当りの実燃費を算出し、この実燃費が予め記憶されている目標燃費を下回るときにエンジン回転数を制御して省エネ運転に切り換える方式である。

特開２００２−２８５８９０号公報

上述したように、運転者が標準モードや燃費重視モード等の作業モードを選択する機能を有する従来の建設機械においては、実際の作業内容と選択した作業モードのアンマッチにより作業効率が低下する可能性がある。例えば、燃費重視モードでも十分な作業が行える軽負荷作業を標準モードで実施した場合には、燃料消費量が増大する。この場合に、特許文献１では、単位時間当たりの実燃費と目標燃費との関係でエンジン回転数を制御しているため、作業モードが切り替わるような作業環境において作業内容に適した省エネ運転が行われていないという課題がある。

本発明は上記した実状を鑑みてなされたものであり、その目的は、作業内容に適した省エネ運転を実現できる建設機械の運転支援システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、エンジンと、前記エンジンによって駆動可能な油圧ポンプと、前記油圧ポンプの動力で作業機を駆動する油圧アクチュエータと、前記作業機を操作する操作レバーと、複数の作業モードの中から何れかを選択する作業モード選択装置と、を有する建設機械の運転支援システムであって、前記エンジンの燃料消費量を算出する燃料消費量算出部と、前記油圧アクチュエータの仕事量を算出する仕事量算出部と、前記燃料消費量算出部で算出した前記エンジンの燃料消費量と前記仕事量算出部で算出した前記油圧アクチュエータの仕事量とに基づいて前記各作業モードの作業効率を算出する作業効率算出部と、操作者に対して報知を行う報知装置と、前記報知装置の制御を行う報知制御部と、を備え、前記報知制御部は、前記作業効率算出部の算出結果に基づく情報を前記報知装置に出力することを特徴している。

本発明によれば、作業効率算出部により算出された各作業モードの作業効率に基づく情報が報知装置に出力されるから、建設機械の操作者は、報知装置で各作業モードの作業効率を確認したうえで、作業内容に適した省エネ運転を行うことができる。よって、燃料消費量も抑えることができる。

ここで、本発明は、燃料消費量算出部、仕事量算出部、作業効率算出部、報知装置、および報知制御部の各構成を建設機械に全て備えるシステムに限定されない。即ち、前記構成の一部を建設機械に設け、残りを例えば建設機械から離れた管理センタなどの建物に設け、通信手段によって各種情報の送受信を可能としたシステムも本発明に含まれる。

また、本発明は、上記構成において、前記作業効率算出部にて算出された所定期間内の作業効率を履歴として記憶すると共に、前記記憶された作業効率の履歴から推奨される前記作業モードを判定する作業モード判定部を備え、前記報知制御部は、前記作業モード判定部にて判定された前記推奨される作業モードの情報を前記報知装置に出力することを特徴としている。

本発明によれば、推奨される作業モードの情報が報知装置に出力されるため、操作者はその推奨される作業モードを選択して建設機械を運転することにより、より適切な省エネ運転を行うことができる。なお、本発明の作業モード判定部は建設機械に設けることもできるし、例えば管理センタなどの建設機械から離れた建物に設けることもできる。

また、本発明は、上記構成において、前記作業モード判定部は、前記推奨される作業モードを使用した場合における前記作業効率を予測し、前記報知制御部は、前記作業モード判定部にて予測された作業効率に関する情報を前記報知装置に出力することを特徴としている。

本発明によれば、推奨される作業モードを使用した場合の作業効率の予測結果の情報が報知装置に出力されるため、操作者はその予測結果を参照することにより、さらに好適な省エネ運転を行える。そのため、省エネ効果もより一層高まる。

また、本発明は、上記構成において、前記作業効率算出部は、前記油圧アクチュエータの仕事量を前記エンジンの燃料消費量で除算することにより前記作業効率を算出することを特徴としている。本発明によれば、作業効率を精度良く算出することができる。

また、本発明は、上記構成において、前記仕事量算出部は、操作者による前記操作レバーの操作量または前記油圧ポンプの負荷に基づいて前記油圧アクチュエータの仕事量を算出することを特徴としている。本発明によれば、油圧アクチュエータの仕事量を精度良く算出することができる。

また、本発明は、上記構成において、前記建設機械は、前記エンジンによって発電可能、かつ、前記油圧ポンプを駆動可能な発電機モータと、前記発電機モータを駆動する電力の供給および前記発電機モータで生成した電力の充電を行うための蓄電デバイスと、を有し、前記仕事量算出部は、前記蓄電デバイスの充電量に基づいて前記油圧アクチュエータの仕事量を算出することを特徴としている。本発明によれば、発電機モータと蓄電デバイスとを備えたハイブリッド式の建設機械においても好適な運転支援システムとなる。

また、本発明は、上記構成において、前記作業モード判定部は、前記作業モード選択装置にて現在選択されている作業モードと前記作業モード判定部にて判定された推奨される作業モードとが異なる場合に、前記作業モードを前記推奨される作業モードに自動的に切り替えるための信号を出力することを特徴としている。

本発明によれば、推奨される作業モードに自動的に切り替わるため、操作者が煩わしい操作をしなくて済み、利便性が高まる。

また、本発明は、上記構成において、前記建設機械の運転室内に設けられた、前記報知装置としての表示装置を備え、前記表示装置に、前記作業モード毎の作業効率、前記推奨される作業モード、前記予想された作業効率のうち、少なくとも１つの情報を表示することを特徴としている。本発明によれば、操作者が視覚的に各種情報を認識できるため、作業性が向上する。

また、本発明は、上記構成において、前記建設機械の運転室内に設けられた、前記報知装置としてのスピーカを備え、前記スピーカから、前記作業モード毎の作業効率、前記推奨される作業モード、前記予想された作業効率のうち、少なくとも１つの情報を音声ガイダンスとして出力することを特徴としている。本発明によれば、操作者が聴覚的に各種情報を認識できるため、作業性が向上する。

本発明によれば、作業内容に適した省エネ運転を実現できる建設機械の運転支援システムを提供するこができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。 図１に示す油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。 本発明の実施形態に係る運転支援システムの構成図である。 （ａ）はレバー操作量の時間的な頻度分布を求める手順を示すフローチャートであり、（ｂ）はレバー操作量の頻度分布を用いて、アクチュエータの仕事量を推定する方法を説明するための図である。 （ａ）はポンプ出力の時間的な頻度分布を求める手順を示すフローチャートであり、（ｂ）はポンプ出力の頻度分布を用いて、アクチュエータの仕事量を推定する方法を説明するための図である。 （ａ）はハイブリッド式の建設機械におけるアクチュエータの仕事量を推定する手順を示すフローチャートであり、（ｂ）はバッテリＳＯＣのタイムチャートを用いて、アクチュエータの仕事量を推定する方法を説明するための図である。 （ａ）は作業モード毎の作業効率、推奨される作業モード、推奨される作業モードを使用した場合の作業効率の予測結果を示す表であり、（ｂ）は表示装置に表示される作業効率等の具体例を示す図である。 （ａ）は作業時間と作業効率との関係を示す図であり、（ｂ）は作業モードを自動的に推奨モードへ切り替える処理を示すフローチャートである。 本発明の変形例に係る運転支援システムの全体構成図である。

以下、本発明に係る建設機械の運転支援システムの一実施形態について、図を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る建設機械の運転支援システムに用いられる油圧ショベルの側面図である。図１に示す油圧ショベル（建設機械）１は、主に、下部走行体１０、下部走行体１０に旋回可能に設けられる上部旋回体２０、運転室５、上部旋回体２０に設けられ、各種作業を行う作業機３０、および作業機３０を駆動する油圧アクチュエータ３２，３４，３６を備えて構成される。

下部走行体１０は、一対のクローラ１１およびクローラフレーム１２、各クローラ１１を独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータと減速機構等（図示しない）で構成されている。

上部旋回体２０は、旋回フレーム２１、旋回フレーム２１上に設けられたエンジン２２、エンジン２２によって発電可能な発電機モータ２３、旋回用油圧モータ（以下、旋回モータと称する）２５、発電機モータ２３と電気的に接続されたバッテリ（蓄電デバイス）２４、旋回用油圧モータ２５の回転を減速する減速機構（図示せず）、旋回モータ２５の駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させるための旋回機構２６等で構成されている。

作業機３０は、主に、ブーム３１、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３、アーム３３の先端部近傍に回転可能に軸支されたバケット３５を備えて構成される。作業機３０は、油圧アクチュエータによって駆動される。具体的には、ブームシリンダ３２によってブーム３１が駆動され、アームシリンダ３４によってアーム３３が駆動され、バケットシリンダ３６によってバケット３５が駆動される。

また、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６、旋回モータ２５、および走行用油圧モータ（以下、走行モータと称する）１３，１４（図２参照）等を駆動するための油圧を発生する油圧ポンプ４１、および各油圧アクチュエータ３２，３４，３６を駆動制御するためのコントロールバルブ４２を含む油圧システム４０が搭載されている。なお、本実施形態における油圧ポンプ４１は、エンジン２２で駆動し、必要に応じて発電機モータ２３のアシストを受けて駆動することができる構成（ハイブリッド式）となっているが、発電機モータ２３およびバッテリ２４が搭載されていない油圧システムの構成としても良い。

運転室５には、ブーム３１、アーム３３、バケット３５等を操作するレバー（操作レバー）２０１、作業モードを選択するモード選択スイッチ（作業モード選択装置）９０などの運転者（操作者）が操作する各種操作装置や、運転に関する各種情報を表示する表示装置（報知装置）３０６、これらの各種情報を音声として出力するスピーカ（報知装置）３０７などが設けられている。

図２は、本発明の実施形態に用いられる油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。図２に示すように、エンジン２２の動力は発電機モータ２３を介して油圧ポンプ４１に伝達される。また、コントロールバルブ４２は、レバー２０１からの指令に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６、旋回モータ２５および走行モータ１３、１４への動作油の吐出量および吐出方向を制御する。

バッテリ２４からの直流電力はパワー・コントロール・ユニット５５（以下、ＰＣＵと称する）内の図示しないチョッパ等によって所定の直流電圧に昇圧され、発電機モータ２３を駆動するためにＰＣＵ５５内の図示しないインバータ等に入力される。また、発電機モータ２３の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、バッテリ２４は充放電されることになる。

ハイブリッド・コントロール・ユニット１００（以下、ＨＣＵと称する）は、ＰＣＵ５５やエンジン・コントロール・ユニット５７（以下、ＥＣＵと称する）、マシン・コントロール・ユニット８０（以下、ＭＣＵと称する）で検出した回転速度信号、レバー信号、圧力信号等に基づいて、ＰＣＵ５５、ＥＣＵ５７、ＭＣＵ８０に対して指令を行い、エンジン２２、発電機モータ２３、油圧ポンプ４１、およびコントロールバルブ４２を統括的に制御する。

例えば、運転者がレバー２０１を操作してブーム上げ動作を行う場合には、ＭＣＵ８０が電磁比例弁７５を制御し、コントロールバルブ４２によって油圧ポンプ４１の動力をブームシリンダ３２に伝達する。ここで、電磁比例弁７５は、ＭＣＵ８０からの電気信号を油圧信号に変換するデバイスである。このとき、ＨＣＵ１００は、ＭＣＵ８０で検出したレバー信号と油圧ポンプ４１の圧力信号等に基づいて油圧ポンプ４１に必要な動力を推定し、ＰＣＵ５５で検出したバッテリ２４の電圧値に基づいてバッテリ２４の蓄電残量（以下、ＳＯＣと称する）を推定する。ＨＣＵ１００は、油圧ポンプ４１に必要な動力をエンジン２２と発電機モータ２３で適切に配分するため、推定した油圧ポンプ４１の動力とバッテリ２４のＳＯＣに基づいてエンジン回転速度指令および発電機モータ出力指令を演算し、それぞれＥＣＵ５７とＰＣＵ５５に対して指令を行う。

また、ＨＣＵ１００は、シリンダや油圧モータの負荷が大きくなり、油圧ポンプ４１が過負荷状態になった場合には、エンジン２２のストールを防止するためにエンジン２４の回転速度に応じて油圧ポンプ４１の動力を制限する指令をＭＣＵ８０に出力する。ＭＣＵ８０は、ＨＣＵ１００からの指令に応じて電磁比例弁７５を制御し、油圧ポンプ４１の動力を制限する。

次に、図３を用いて、本発明の実施形態に係る建設機械の運転支援システム（以下、運転支援システムという）について説明する。図３に示すように、本実施形態に係る運転支援システムは、情報処理部３００と、表示装置３０６と、スピーカ３０７とによって構成され、情報処理部３００の処理内容は、ＨＣＵ１００にプログラミングされ、あらかじめ定められた周期で繰り返し実行される。

情報処理部３００は、燃料消費量算出部３０１と、アクチュエータ仕事量算出部（仕事量算出部）３０２と、作業効率算出部３０３と、仕事効率記憶部３０４と、表示制御部（報知制御部）３０５と、を備えて構成される。

燃料消費量算出部３０１では、ＥＣＵ５７で検出した燃料流量とモード選択スイッチ９０の操作信号とに応じて運転者が現在選択している作業モードにおける燃料消費量を算出する。

アクチュエータ仕事量算出部３０２では、ＭＣＵ８０で検出したレバー操作量、油圧ポンプ４１の圧力や流量、および、ＰＣＵ５５で検出したバッテリＳＯＣに応じて運転者が現在選択している作業モードにおけるアクチュエータ仕事量を算出する。なお、アクチュエータ仕事量の算出方法については後述する。

作業効率算出部３０３では、アクチュエータ仕事量算出部３０２で算出したアクチュエータ仕事量を燃料消費量算出部３０１で算出した燃料消費量で除算することにより運転者が現在選択している作業モードにおける作業効率を算出し、その算出結果を作業モード判定部３０４に出力する。また、作業効率算出部３０３は、現在選択している作業モード（当該Ｍ）と、現在選択している作業モードにおける作業効率の算出結果（実測値）とを表示制御部３０５に出力する。

作業モード判定部３０４では、作業効率算出部３０３で算出した作業モード毎の作業効率を履歴として記憶し、記憶した作業モード毎の作業効率履歴に応じて推奨される作業モード（推奨Ｍ）を判断して、それを表示制御部３０５に出力する。また、推奨される作業モードを使用した場合の作業効率の予測結果（予測値）を表示制御部３０５に出力する。なお、これらの具体的な実現方法については後述する。

表示制御部３０５では、作業効率算出部３０３で算出した作業モード毎の作業効率を報知手段である表示装置３０６に表示する処理を行う。また、作業モード判定部３０４から出力された推奨される作業モード、または、推奨される作業モードを使用した場合の作業効率の予測結果を表示装置３０６に表示する処理を行う。また、これらの作業モード毎の作業効率、推奨される作業モード、作業効率の予測結果を運転者に報知する手段として、本実施形態ではスピーカ３０７を用いて音声ガイダンスを行うようにしている。勿論、表示装置３０６とスピーカ３０７の何れか一方のみを備えていても良い。

次に、アクチュエータ仕事量算出部３０３の処理内容について説明する。アクチュエータ仕事量算出部３０３による仕事量の算出方法として、以下に、代表的なパターンを３つ説明する。図４〜図６は、アクチュエータ仕事量算出部３０３による仕事量の算出方法を示す図である。なお、図４〜図６は、作業モードとしてＥＣＯモードとＰＷＲモードの２つが存在する場合を前提にした説明図である。

パターン１：「レバー操作量を用いた仕事量の算出方法」（図４）
アクチュエータ仕事量算出部３０３が、レバー操作量を利用して仕事量を算出する方法について、図４を用いて説明する。

まず、図４（ａ）を用いてレバー操作量の時間的な頻度分布を求める方法について説明する。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ４０１において、現在の作業モードがＥＣＯモードか否かの判定を行い、ＥＣＯモードの場合はステップ４０２に進み、ＥＣＯモード以外（ＰＷＲモード）の場合はステップ４０３に進む。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ４０２において、前回の作業モードがＰＷＲモードか否かの判定を行い、ＰＷＲモードの場合はＥＣＯモード開始時であると判定してステップ４０４に進み、ＰＷＲモード以外（ＥＣＯモード）の場合はＥＣＯモード実行中であると判定してステップ４０５に進む。

アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ４０５では、レバー操作量がどの領域にあるかを判定してステップ４０７に進み、ステップ４０７では、ステップ４０５で判定した領域の頻度を加算することにより頻度分布の更新処理を行う。なお、アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ４０４では、ＥＣＯモード開始時に前回ＰＷＲモードでＲＡＭに蓄積された頻度分布を作業モード判定部３０４に出力して記憶させる処理を行い、記憶させた後はステップ４０６においてＲＡＭに蓄積された頻度分布をリセットする処理を実行する。

また、アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ４０３において、前回の作業モードがＥＣＯモードか否かの判定を行い、ＥＣＯモードの場合はＰＷＲモード開始時であると判定してステップ４０８に進み、ＥＣＯモード以外（ＰＷＲモード）の場合はＰＷＲモード実行中であると判定してステップ４０９に進む。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ４０９では、レバー操作量がどの領域にあるかを判定してステップ４１１に進み、ステップ４１１では、ステップ４０９で判定した領域の頻度を加算することにより頻度分布の更新処理を行う。なお、アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ４０８では、ＰＷＲモード開始時に前回ＥＣＯモードでＲＡＭに蓄積された頻度分布を作業モード判定部３０４に出力して記憶させる処理を行い、記憶させた後はステップ４１０においてＲＡＭに蓄積された頻度分布をリセットする処理を実行する。

このように、図４（ａ）で示した処理を実行することにより、運転者が現在選択している作業モードにおけるレバー操作量の時間的な頻度分布を算出し、算出した頻度分布を作業効率記憶手段３０４に出力することができる。

次に、図４（ｂ）に示すレバー操作量の頻度分布を用いて、アクチュエータの仕事量を推定する方法について説明する。まず、レバー操作量の頻度分布から大まかな平均値（ＡＶＥ）を求めるとともに、フルレバー操作を行っていると予想されるレバー操作量が所定値以上となっている領域（フルレバー域）の時間頻度（ＤＥＧ）を求める。

この平均値（ＡＶＧ）とフルレバー域の時間頻度（ＤＥＧ）に応じて式（１）に示す評価関数Ｋによってアクチュエータの仕事量を推定する。ここで、α、βはそれぞれ、平均値とフルレバー域の頻度に対する重み係数であり、平均値を重視する場合はαを大きな値に設定し、フルレバー域の頻度を重視する場合はβを大きな値に設定する。
Ｋ＝ＡＶＥ×α＋ＤＥＧ×β ・・・（式１）

この評価関数Ｋにより平均値が高くて、レバー操作が微操作〜ハーフレバー域の動作がそれなりに多い場合などの特殊な頻度分布を包括して評価することが可能となり、レバー操作量からアクチュエータの仕事量を推定する精度を高めることができる。

パターン２：「ポンプ出力を用いた仕事量の算出方法」（図５）
アクチュエータ仕事量算出部３０３が、ポンプ出力を利用して仕事量を算出する方法について、図５を用いて説明する。

まず、図５（ａ）を用いてポンプ出力の時間的な頻度分布を求める方法について説明する。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ５０１において、現在の作業モードがＥＣＯモードか否かの判定を行い、ＥＣＯモードの場合はステップ５０２に進み、ＥＣＯモード以外（ＰＷＲモード）の場合はステップ５０３に進む。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ５０２において、前回の作業モードがＰＷＲモードか否かの判定を行い、ＰＷＲモードの場合はＥＣＯモード開始時であると判定してステップ５０４に進み、ＰＷＲモード以外（ＥＣＯモード）の場合はＥＣＯモード実行中であると判定してステップ５０５に進む。

アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ５０５では、油圧ポンプ４１の圧力（Ｐ）に流量（Ｑ）を乗じてポンプ出力を算出することにより、ポンプ出力がどの領域にあるかを判定してステップ５０７に進み、ステップ５０７では、ステップ５０５で判定した領域の頻度を加算することにより頻度分布の更新処理を行う。なお、アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ５０４では、ＥＣＯモード開始時に前回ＰＷＲモードでＲＡＭに蓄積された頻度分布を作業モード判定部３０４に出力して記憶させる処理を行い、記憶させた後はステップ５０６においてＲＡＭに蓄積された頻度分布をリセットする処理を実行する。

また、アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ５０３において、前回の作業モードがＥＣＯモードか否かの判定を行い、ＥＣＯモードの場合はＰＷＲモード開始時であると判定してステップ５０８に進み、ＥＣＯモード以外（ＰＷＲモード）の場合はＰＷＲモード実行中であると判定してステップ５０９に進む。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ５０９では、油圧ポンプ４１の圧力（Ｐ）に流量（Ｑ）を乗じてポンプ出力を算出することにより、ポンプ出力がどの領域にあるかを判定してステップ５１１に進み、ステップ５１１では、ステップ５０９で判定した領域の頻度を加算することにより頻度分布の更新処理を行う。なお、ステップ５０８では、ＰＷＲモード開始時に前回ＥＣＯモードでＲＡＭに蓄積された頻度分布を作業モード判定部３０４に出力して記憶させる処理を行い、記憶させた後はステップ５１０においてＲＡＭに蓄積された頻度分布をリセットする処理を実行する。

このように、図５（ａ）で示した処理を実行することにより、運転者が現在選択している作業モードにおける油圧ポンプ４１の出力の時間的な頻度分布を算出し、算出した頻度分布を作業効率記憶手段３０４に出力することができる。

次に、図５（ｂ）に示すポンプ出力の頻度分布を用いて、アクチュエータの仕事量を推定する方法について説明する。まず、ポンプ出力の頻度分布から大まかな平均値（ＡＶＥ）を求めるとともに、高出力作業を行っていると予想されるポンプ出力が所定値以上となっている領域（高出力領域）の時間頻度（ＤＥＧ）を求める。

この平均値（ＡＶＧ）と高出力領域の時間頻度（ＤＥＧ）に応じて式（２）に示す評価関数Ｋによってアクチュエータの仕事量を推定する。ここで、α、βはそれぞれ、平均値と高出力領域の頻度に対する重み係数であり、平均値を重視する場合はαを大きな値に設定し、高出力領域の頻度を重視する場合はβを大きな値に設定する。
Ｋ＝ＡＶＥ×α＋ＤＥＧ×β ・・・（式２）

この評価関数Ｋにより平均値が高くて、ポンプ出力が低〜中出力域がそれなりに多い場合などの特殊な頻度分布を包括して評価することが可能となり、油圧ポンプ４１の出力からアクチュエータの仕事量を推定する精度を高めることができる。

パターン３：「バッテリのＳＯＣを用いた仕事量の算出方法」（図６）
アクチュエータ仕事量算出部３０３が、バッテリのＳＯＣを利用して仕事量を算出する方法について、図６を用いて説明する。なお、このパターン３は、例えばハイブリッド式などのバッテリを搭載した建設機械に限って適用可能な仕事量の算出方法である。

まず、図６（ａ）を用いてハイブリッド式の建設機械におけるアクチュエータの仕事量を推定する方法について説明する。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ６０１において、現在の作業モードがＥＣＯモードか否かの判定を行い、ＥＣＯモードの場合はステップ６０２に進み、ＥＣＯモード以外（ＰＷＲモード）の場合はステップ６０３に進む。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ６０２において、前回の作業モードがＰＷＲモードか否かの判定を行い、ＰＷＲモードの場合はＥＣＯモード開始時であると判定してステップ６０４に進み、ＰＷＲモード以外（ＥＣＯモード）の場合はＥＣＯモード実行中であると判定してステップ６０５に進む。

アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ６０５では、現在のバッテリＳＯＣを読み込んでステップ６０７に進み、ステップ６０７においてＥＣＯモード開始時に格納したバッテリＳＯＣに応じてＥＣＯモードでのバッテリＳＯＣ変化量を算出する。なお、アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ６０４では、前回ＰＷＲモードで算出したバッテリＳＯＣ変化量を作業モード判定部３０４に出力して記憶させる処理を行い、記憶させた後はステップ６０６においてＥＣＯモード開始時のバッテリＳＯＣを格納する処理を実行する。

また、アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ６０３において、前回の作業モードがＥＣＯモードか否かの判定を行い、ＥＣＯモードの場合はＰＷＲモード開始時であると判定してステップ６０８に進み、ＥＣＯモード以外（ＰＷＲモード）の場合はＰＷＲモード実行中であると判定してステップ６０９に進む。アクチュエータ仕事量算出部３０３は、ステップ６０９では、現在のバッテリＳＯＣを読み込んでステップ６１１に進み、ステップ６１１においてＰＷＲモード開始時に格納したバッテリＳＯＣに応じてＰＷＲモードでのバッテリＳＯＣ変化量を算出する。なお、ステップ６０８では、アクチュエータ仕事量算出部３０３は、前回ＥＣＯモードで算出したバッテリＳＯＣ変化量を作業モード判定部３０４に出力して記憶させる処理を行い、記憶させた後はステップ６１０においてＰＷＲモード開始時のバッテリＳＯＣを格納する処理を実行する。

このように、図６（ａ）で示した処理を実行することにより、運転者が現在選択している作業モードにおけるバッテリＳＯＣ変化量を算出し、算出したバッテリＳＯＣ変化量を作業効率記憶手段３０４に出力することができる。

次に、図６（ｂ）に示すバッテリＳＯＣのタイムチャートを用いて、アクチュエータの仕事量を推定する方法について説明する。また、以降の説明においてバッテリＳＯＣは充電側を正の値、放電側を負の値として定義する。

まず、時刻ｔ１において、運転者によってＥＣＯモードが選択された後、時刻ｔ２においてＥＣＯモードからＰＷＲモードが選択された場合について説明する。時刻ｔ１からｔ２の間のＥＣＯモードが選択されている間は、バッテリＳＯＣがＥＣＯモード開始時ＳＯＣ（Ｓ１）からＥＣＯモード終了時ＳＯＣ（Ｓ２）に上昇しているため、油圧ポンプ４１の出力が比較的小さく、エンジン２２に対して余裕があるため、発電機モータ２３によってバッテリ２４が充電可能であったと判断できるため、アクチュエータの仕事量が小さいと予想できる。

次に、時刻ｔ２において、ＰＷＲモードが選択された後、時刻ｔ４においてＰＷＲモード以外が選択された場合について説明する。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間はバッテリＳＯＣが低下しており、エンジン２２の最大出力よりも油圧ポンプ４１の出力が比較的大きく、バッテリ２４の放電電力によって発電機モータ２３によるパワーアシストを行っていると判断できるが、時刻ｔ３以降はバッテリＳＯＣが上昇し、時刻ｔ４においてはＰＷＲモード開始時のバッテリＳＯＣよりも上昇している（Ｓ２＜Ｓ３）。したがって時刻ｔ２から時刻ｔ４までのＰＷＲモードが選択されている間は、平均的に見ると油圧ポンプ４１の出力が比較的小さく、エンジン２２に対して余裕があるため、発電機モータ２３によってバッテリ２４が充電可能であったと判断できるため、アクチュエータの仕事量が小さいと予想できる。

以上説明したように、アクチュエータの仕事量を示す評価関数Ｋを式（３）のように設定することにより、ハイブリッド式の建設機械の場合は、バッテリＳＯＣに応じてアクチュエータの仕事量を推定することが可能である。
Ｋ＝基準仕事量−バッテリＳＯＣ変化量×γ ・・・（式３）
ここで、γはバッテリＳＯＣ変化量に対する重み係数であり、バッテリＳＯＣ変化量が正、すなわち充電方向のときは、評価関数Ｋは基準仕事量よりも小さくなり、バッテリＳＯＣ変化量が負、すなわち放電方向のときは、評価関数Ｋが基準仕事量よりも大きくなるように設定する。

次に、図７を用いて、作業効率算出部３０３、作業モード判定部３０４、表示制御部３０５の処理内容について説明する。図７（ａ）は、作業モード毎の作業効率、そのときに推奨される作業モード、推奨される作業モードを使用した場合の作業効率の予測結果を示す表である。図７（ａ）では、一例として、現在の日付（本日）から前々日までの作業履歴と、この３日間の合計値および平均的な作業効率、および、作業効率の基準値を示している。

最初に、作業効率の基準値について説明する。作業効率の基準値は開発時の試験データ等により定められ、ＭＣＵ８０やＨＣＵ１００内に記憶されている。これらの値は式（１）〜（３）に示すアクチュエータの仕事量や燃料消費量算出部３０１で算出した燃料消費量に基づき、ＰＷＲモードでは作業効率５．０（≒作業量１００÷燃料消費量２０）、ＥＣＯモードでは作業効率５．６（≒作業量９０÷燃料消費量１７）と定められている。この場合、ＰＷＲモードでは作業性を確保するためにエンジン２２の出力を大きく設定しているため、ＰＷＲモードでの燃料消費量が大きくなりＥＣＯモードでの作業効率が良い。

次に、本日の作業履歴について説明する。稼働時間４．０ｈｒ、ＰＷＲモードとＥＣＯモードの使用時間はそれぞれ３．０ｈｒ、１．０ｈｒとなっており、各作業モードの作業効率はそれぞれ式（４）と（５）で求めることができる。
ＰＷＲモード：作業量２７６÷燃料消費量６０≒作業効率４．６ ・・・（式４）
ＥＣＯモード：作業量８８÷燃料消費量１７≒作業効率５．２ ・・・（式５）

作業モード判定部３０４は、これらの作業効率から、ＰＷＲモードで効率良く使われているかどうかを判断するため、ＰＷＲモードでの作業効率の基準値（５．０）と式（４）の結果を比較し、作業効率が低下しているかどうかの判定を行う。例えば、作業効率の基準値に対して作業効率が０．２以上低下している場合は、作業モード判定部３０４はＰＷＲモードの割に作業量が少ないと判断してＥＣＯモードを推奨する。式（４）の結果から、本日の作業効率は４．６となっているので、作業モード判定部３０４はＥＣＯモードを推奨する。

次に、前日の作業履歴について説明する。稼働時間８．０ｈｒ、ＰＷＲモードとＥＣＯモードの使用時間はそれぞれ２．０ｈｒ、６．０ｈｒとなっており、各作業モードの作業効率はそれぞれ式（６）と（７）で求めることができる。
ＰＷＲモード：作業量１９６÷燃料消費量４０≒作業効率４．９ ・・・（６）
ＥＣＯモード：作業量５２２÷燃料消費量１０２≒作業効率５．１ ・・・（７）

作業モード判定部３０４は、これらの作業効率から、本日の作業履歴と同様に、ＰＷＲモードで効率良く使われているかどうかを判断するため、ＰＷＲモードでの作業効率の基準値（５．０）と式（６）の結果を比較し、作業効率が低下しているかどうかの判定を行う。式（６）の結果から、前日の作業効率は４．９となっており、基準値（５．０）に対して乖離が少ないので、作業モード判定部３０４はＥＣＯモードを推奨しない。

次に、前々日の作業履歴について説明する。稼働時間６．０ｈｒ、ＰＷＲモードとＥＣＯモードの使用時間はそれぞれ４．０ｈｒ、２．０ｈｒとなっており、各作業モードの作業効率はそれぞれ式（８）と（９）で求めることができる。
ＰＷＲモード：作業量３７６÷燃料消費量８０≒作業効率４．７ ・・・（８）
ＥＣＯモード：作業量１７２÷燃料消費量３４≒作業効率５．１ ・・・（９）

作業モード判定部３０４は、これらの作業効率から、本日、前日の作業履歴と同様に、ＰＷＲモードで効率良く使われているかどうかを判断するため、ＰＷＲモードでの作業効率の基準値（５．０）と式（８）の結果を比較し、作業効率が低下しているかどうかの判定を行う。式（８）の結果から、前々の作業効率は４．７となっているので、作業モード判定部３０４はＥＣＯモードを推奨する。

さらに、３日間の合計の作業履歴について説明する。稼働時間１８．０ｈｒ、ＰＷＲモードとＥＣＯモードの使用時間はそれぞれ９．０ｈｒ、９．０ｈｒとなっており、各作業モードの作業効率はそれぞれ式（１０）と（１１）で求めることができる。
ＰＷＲモード：作業量８４８÷燃料消費量１８０≒作業効率４．７ ・・・（式１０）
ＥＣＯモード：作業量７８２÷燃料消費量１５３≒作業効率５．１ ・・・（式１１）

作業モード判定部３０４は、これらの作業効率から、日毎の作業履歴と同様に、ＰＷＲモードで効率良く使われているかどうかを判断するため、作業モード判定部３０４は、ＰＷＲモードでの作業効率の基準値（５．０）と式（１０）の結果を比較し、作業効率が低下しているかどうかの判定を行う。式（１０）の結果から、前々の作業効率は４．７となっているので、作業モード判定部３０４は、３日間の合計の作業履歴に関してはＥＣＯモードを推奨する。

次に、ＥＣＯモードを推奨した場合の作業効率の予測値を算出する方法について、本日の作業履歴を用いて説明する。図７（ａ）において、作業効率の基準値を求めるための作業量と燃料消費量が単位時間当たりの値と仮定すると、本日のＰＷＲモードの単位時間当たりの作業量は２７６÷３＝９２となり、ＰＷＲモードの基準作業量よりも低く、ＥＣＯモードの基準作業量よりも若干高い。

したがって、ＥＣＯモードを使用した場合には、１７×（９２／９０）≒１７．３８程度の燃料消費量になると考えられる。この値から、本日のＰＷＲモードの作業をＥＣＯモードで実施した場合の作業効率を予測すると式（１２）となる。
作業量２７６÷燃料消費量１７．４×３．０ｈｒ≒予測効率５．３ ・・・（式１２）
同様に、前々日、３日間の合計の作業履歴に関しても、作業モード判定部３０４は、ＰＷＲモードの作業をＥＣＯモードで実施した場合の作業効率を予測することができる。

次に、図７（ｂ）を用いて、表示制御部３０５の処理内容について説明する。図７（ｂ）は、図７（ａ）で示す本日の作業履歴を表示装置３０６に表示した結果を示している。図７（ｂ）では、図の左側に本日の稼働時間（４．０ｈｒ）とモード使用時間（ＰＷＲ：３．０ｈｒ、ＥＣＯ：１．０ｈｒ）の比率を示すチャートを表示すると共に、図の右側にＰＷＲ、ＥＣＯモードそれぞれの作業効率を示している。図の右側では、“ＰＷＲＭＡＸ”、“ＥＣＯ ＭＡＸ”と称して各作業モードの理想的な作業効率（基準値）を表示しており、その値に対して本日の作業効率がどの程度であったかを視覚的に表示している。

図７（ａ）で示したように、本日の作業履歴では、ＰＷＲモードしては作業量が少なく、作業効率が基準値に対して低下しているため、「中〜軽作業が少し多いようです。ＥＣＯモード使用で効率が上がります。」といった意味の表示を行っている。また、ＥＣＯモードの作業効率に関しては、基準値に対して作業量は若干少ないが、ＰＷＲモードよりも作業効率の良い状態が維持できているため、「中〜軽作業が多いようです。上手にＥＣＯモードを使えています。」といった意味の表示を行っている。なお、これらの表示は音声ガイダンスによって運転者に報知しても良い。

このように、本実施形態によれば、操作者は、表示装置３０６に表示される作業効率に関するデータや推奨モードの履歴を見ながら、あるいはスピーカ３０７から出力される音声ガイダンスを聞きながら、作業内容に適した作業モードを選択して油圧ショベルを上手に運転することができる。その結果、油圧ショベルを低燃費で運転することができ、高い省エネ効果を得ることができる。

なお、上記した実施形態において、表示装置３０６に表示される項目あるいはスピーカ３０７から出力される音声ガイダンスの項目は、作業モード毎の作業効率、推奨される作業モード、予測される作業効率の少なくとも１項目が含まれていれば良く、油圧ショベルの作業環境等を考慮して適宜表示される項目を決定すれば良い。

次に、推奨する作業モードへの切り替えを自動に行う場合について、図を用いて説明する。図８は、現在の作業モードから推奨する作業モードに自動的に切り換える場合について説明した図であり、図８（ａ）は、ＰＷＲモードで作業している場合に作業効率に応じてＥＣＯモードを推奨する方法の一例を示している。図８（ａ）では、横軸に作業時間、縦軸に作業効率を示しており、運転者がキースイッチをオンしてエンジンを始動した時間を０として１時間毎の作業効率を演算した結果を示している。運転者が作業を開始して１時間後に０〜１時間の作業効率を演算すると、作業効率はＥＣＯモードを推奨する閾値（４．７）よりも大きく、ＰＷＲモードでの作業効率の基準値（５．０）に近い値を示している。

その１時間後、作業時間１〜２時間の作業効率を演算すると、作業効率は若干低下しているが、ＥＣＯモードを推奨する閾値（４．７）よりも大きい値を示している。さらに１時間後、作業時間２〜３時間の作業効率を演算すると、作業効率はさらに低下し、ＥＣＯモードを推奨する閾値（４．７）よりも小さい値を示しているため、ＰＷＲモードの割には軽作業であると判断して、作業モード判定部３０４はＥＣＯモードを推奨する。

次に、図８（ｂ）を用いて、現在の作業モードから推奨する作業モードに自動的に切り換える処理について説明する。最初に、作業モード判定部３０４は、ステップ８１１において、推奨する作業モードを読込む。次に、作業モード判定部３０４は、ステップ８１２において、現在使用している作業モードと推奨する作業モードが異なるか否かの判定を行い、異なる場合はステップ８１３に進み、一致している場合はステップ８１１に戻る。作業モード判定部３０４は、ステップ８１３では、レバー操作量に応じて運転者の操作が無いかどうかの判定を行い、運転者の操作が無ければステップ８１４に進み、運転者の操作がある場合はリターンとなってステップ８１１に戻る。なお、作業モード判定部３０４は、ステップ８１３では、レバー操作量だけでなく、走行操作ペダルやゲートロックレバー等の状態に応じて運転者の操作が無いかどうかを判定することが望ましい。

ステップ８１４では、現在の作業モードを推奨する作業モードに自動的に切り換える処理を実行する。具体的には、作業モード判定部３０４から作業モード切替信号が出力されると、運転者がモード選択スイッチ９０を操作して設定した現在の作業モードから、作業モード判定部３０４が推奨する作業モードにモード選択スイッチ９０の設定が自動的に変更される。そして、図２に示すＥＣＵ５７やＭＣＵ８０、ＨＣＵ１００は、変更された作業モードに応じてエンジン２２の回転数や油圧ポンプ４１の出力、発電機モータ２３の出力の上限値や下限値を設定することにより、推奨するモードに合うように各アクチュエータ３２，３４，３６を制御する。さらに、ステップ８１５では、推奨する作業モードに自動的に切り換えたことを運転者に報知するため、表示制御部３０５が表示装置３０６にて表示やスピーカ３０７にて音声ガイダンスの出力等の処理を実行する。

以上説明したように、所定期間の作業効率を見積ることにより推奨する作業モードを判定し、運転者が操作していないとき（非作業中）に現在のモードから推奨する作業モードに自動的に切り換え、かつ、切り換えたことを運転者に報知することによって、上記した実施形態の作用効果に加えて、安全、かつ、効率的な作業を行うことが可能となる。

なお、情報処理部３００、表示装置３０６、およびスピーカ３０７は、上記したように油圧ショベル１内に設ける構成のほか、例えば、図９に示す構成とすることもできる。即ち、図９に示す本発明の変形例に係る運転支援システムは、油圧ショベル１と管理センタ２とを無線通信回線３を介して接続し、管理センタ２内に、情報処理部３００、表示装置３０６、スピーカ３０７を設けたものである。この構成によれば、管理センタ２内のオペレータが推奨する作業モードを確認し、油圧ショベル１の運転者に対して指令を行うことができる。

また、データを管理センタ２内に集約できるため、データの一元管理を行えるといった利点がある。さらには、管理センタ２に集約されたデータを、所定期間毎、例えば日毎にオーナーに管理日報、月報という形で出力するようにしても良い。勿論、情報処理部３００、表示装置３０６、スピーカ３０７の何れかを油圧ショベル１に残りを管理センタ２に別々に設置することもできる。

上述の実施形態は、本発明を実施するために好適なものであるが、その実施形式はこれらに限定されるものでなく、本発明の要旨を変更しない範囲内において種々変形することが可能である。例えば、油圧ショベル以外の建設機械に対して本発明に係る運転支援システムを適用しても良い。

１ 油圧ショベル（建設機械）
５ 運転室
２２ エンジン
２３ 発電機モータ
２４ バッテリ（蓄電デバイス）
４１ 油圧ポンプ
３２ ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３４ アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３６ バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）
９０ モード選択スイッチ（作業モード選択装置）
２０１ レバー（操作レバー）
３０１ 燃料消費量算出部
３０２ アクチュエータ仕事量算出部（仕事量算出部）
３０３ 作業効率算出部
３０４ 作業モード判定部
３０５ 表示制御部（報知制御部）
３０６ 表示装置（報知装置）
３０７ スピーカ（報知装置）

Claims (9)

1. エンジンと、前記エンジンによって駆動可能な油圧ポンプと、前記油圧ポンプの動力で作業機を駆動する油圧アクチュエータと、前記作業機を操作する操作レバーと、複数の作業モードの中から何れかを選択する作業モード選択装置と、を有する建設機械の運転支援システムであって、
   前記エンジンの燃料消費量を算出する燃料消費量算出部と、
   前記油圧アクチュエータの仕事量を算出する仕事量算出部と、
   前記燃料消費量算出部で算出した前記エンジンの燃料消費量と前記仕事量算出部で算出した前記油圧アクチュエータの仕事量とに基づいて前記各作業モードの作業効率を算出する作業効率算出部と、
   操作者に対して報知を行う報知装置と、
   前記報知装置の制御を行う報知制御部と、
   を備え、
   前記報知制御部は、前記作業効率算出部の算出結果に基づく情報を前記報知装置に出力することを特徴とする建設機械の運転支援システム。
2. 請求項１において、
   前記作業効率算出部にて算出された所定期間内の作業効率を履歴として記憶すると共に、前記記憶された作業効率の履歴から推奨される前記作業モードを判定する作業モード判定部を備え、前記報知制御部は、前記作業モード判定部にて判定された前記推奨される作業モードの情報を前記報知装置に出力することを特徴とする建設機械の運転支援システム。
3. 請求項２において、
   前記作業モード判定部は、前記推奨される作業モードを使用した場合における前記作業効率を予測し、前記報知制御部は、前記作業モード判定部にて予測された作業効率に関する情報を前記報知装置に出力することを特徴とする建設機械の運転支援システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項において、
   前記作業効率算出部は、前記油圧アクチュエータの仕事量を前記エンジンの燃料消費量で除算することにより前記作業効率を算出することを特徴とする建設機械の運転支援システム。
5. 請求項１〜３の何れか１項において、
   前記仕事量算出部は、操作者による前記操作レバーの操作量または前記油圧ポンプの負荷に基づいて前記油圧アクチュエータの仕事量を算出することを特徴とする建設機械の運転支援システム。
6. 請求項１〜３の何れか１項において、
   前記建設機械は、前記エンジンによって発電可能、かつ、前記油圧ポンプを駆動可能な発電機モータと、前記発電機モータを駆動する電力の供給および前記発電機モータで生成した電力の充電を行うための蓄電デバイスと、を有し、
   前記仕事量算出部は、前記蓄電デバイスの充電量に基づいて前記油圧アクチュエータの仕事量を算出することを特徴とする建設機械の運転支援システム。
7. 請求項２または３において、
   前記作業モード判定部は、前記作業モード選択装置にて現在選択されている作業モードと前記作業モード判定部にて判定された推奨される作業モードとが異なる場合に、前記作業モードを前記推奨される作業モードに自動的に切り替えるための信号を出力することを特徴とする建設機械の運転支援システム。
8. 請求項３において、
   前記建設機械の運転室内に設けられた、前記報知装置としての表示装置を備え、
   前記表示装置に、前記作業モード毎の作業効率、前記推奨される作業モード、前記予想された作業効率のうち、少なくとも１つの情報を表示することを特徴とする建設機械の運転支援システム。
9. 請求項３において、
   前記建設機械の運転室内に設けられた、前記報知装置としてのスピーカを備え、
   前記スピーカから、前記作業モード毎の作業効率、前記推奨される作業モード、前記予想された作業効率のうち、少なくとも１つの情報を音声ガイダンスとして出力することを特徴とする建設機械の運転支援システム。

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