JP2018044415A - 建設機械の施工時間予測システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易なシステム構成で施工完了予測時間の演算が可能な建設機械の施工時間予測システムを提供すること。【解決手段】多関節型のフロント作業機３０の動作平面上に設定した設定座標系における施工目標面及び現在面の位置、並びに、施工対象物において施工目標面及び現在面と同等の形状の施工目標面及び現在面が続く施工距離Ｌを基に作業量を算出し、当該作業量及び処理速度を基に作業の予測所要時間を算出する情報コントローラ６０を備える。表示装置６７により、情報コントローラ６０で算出された施工完了予測時間、または当該施工完了予測時間から算出される予測時刻を表示する。【選択図】 図６

Description

本発明は建設機械の施工時間予測システムに関する。

近年、建設事業の調査、設計、施工、監督・検査、維持管理という建設生産の各プロセスから得られる電子情報を活用して高効率・高精度な施工を実現する情報化施工技術が注目されている。情報化施工技術では、施工で得られた電子情報を他のプロセスに活用することで、建設生産プロセス全体における生産性の向上や品質確保を図ることも目的としている。

例えば特許文献１には、施工対象を仮想的に複数の３次元ブロックに区分し、その３次元ブロックの位置座標を基準に施工対象情報をそれぞれ対応づけて複数の情報ユニットとし、その情報ユニットに基づいて３次元地形情報を作成し、その３次元地形情報と積込機械及び運搬機械の位置情報及び稼動情報とを合成・分析してモニタ画面に表示する精密施工支援システムが開示されている。このシステムは、積込機械と運搬機械間の距離が所定の値よりも小さく、かつ運搬機械の滞留時間が所定時間よりも長い場合に、その積込機械に積み込まれた材料を特定するとともに、その材料別の採土量を算出してモニタ画面に表示している。

特許第３６８７８５０号公報

建設機械による各施工作業の完了時間の予測は施工管理上重要である。ところで、情報化施工技術によれば、現況測量の地形データ、設計の平面線形・縦断線形・断面データを基に作成した３次元設計データを利用することで盛土・切土量や法面積を計測できる。盛土・切土量や法面積は作業量の目安となり、施工時間予測の礎となり得る。

しかしながら、３次元設計データを利用した施工管理システムの導入は容易とは言い難い。例えば、現況測量の地形データや設計の平面線形・縦断線形・断面データの３次元設計データが事前に必要となるが、これらの３次元設計データを作成するにはコストと時間がかかる。また、たとえ盛土・切土量や法面積を計測することができても、建設機械による施工作業は多岐にわたり処理速度も作業ごとに異なるため、盛土・切土量や法面積だけを基に施工完了までの時間を予測することは容易ではない。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、簡易なシステム構成で施工完了予測時間の演算が可能な建設機械の施工時間予測システムを提供することにある。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、作業機幅方向に直交する平面上で動作する多関節型の作業機と、前記作業機の作業により形成される施工目標面、及び前記施工目標面に対する前記作業機の先端の位置を画面上に表示する表示装置とを有する建設機械の施工時間予測システムにおいて、前記平面上に設定した座標系における前記施工目標面及び現在面の位置、並びに、施工対象物において前記施工目標面及び前記現在面と同等の形状の施工目標面及び現在面が続く距離を基に作業量を算出し、前記作業量及び前記作業機の処理速度を基に前記作業量の作業の予測所要時間を算出する制御装置を備え、前記表示装置は、前記制御装置で算出された前記予測所要時間、または前記予測所要時間から算出される予測時刻を表示するものとする。

本発明によれば、現況測量の地形データや設計の平面線形・縦断線形・断面データを基に、３次元設計データを作成することなく、盛土・切土量や施工完了予測時間を演算、表示できるようになる。

本発明の実施形態の油圧ショベルの側面図。 本発明の実施形態の情報コントローラの機能ブロック図。 本発明の第１の実施形態による施工目標面と現在面の概略図。 本発明の第１の実施形態による施工目標面と現在面の概略図。 本発明の実施形態における処理速度更新のフローチャート。 本発明の第１の実施形態における施工完了予測時間算出・表示処理のフローチャート。 本発明の第２の実施の形態による施工目標面と粗掘削目標面、現在面の概略図。 本発明の第２の実施形態における施工完了予測時間算出・表示処理のフローチャート。 本発明の第３の実施形態における施工完了予測時間算出・表示処理のフローチャート。 基準座標系および設定座標系の説明図。 本発明の実施形態の情報コントローラのハードウェア構成図。 表示装置の表示画面の一例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。本発明に係る建設機械の施工時間予測システムを油圧ショベルに適用した場合の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の第１の実施の形態による油圧ショベルの側面図を図１に示す。図１において、下部走行体１０は、一対のクローラ１１及びクローラフレーム１２（図では片側のみを示す）、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１３（図では片側のみを示す）及びその減速機構などで構成されている。

上部旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、旋回用油圧モータ２４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２３と、オペレータが搭乗して操作を行うキャブ（運転室）２４などで構成されている。

上部旋回体２０には、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、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と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６などで構成された多関節型のフロント作業機３０が搭載されている。フロント作業機３０の主構成部材であるブーム３１、アーム３３及びバケット３５は、フロント作業機３０の幅方向に直交する平面上で動作する。当該平面はフロント作業機３０の幅方向の中心を通過しており、当該平面上には後述するショベル基準座標系（ＵＶ座標系）及び設定座標系（ｘｙ座標系）が設定される。また当該平面をフロント作業機３０の動作平面と称することもある。

上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、走行用油圧モータ１３，旋回用油圧モータ２４、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などの油圧アクチュエータを駆動するための油圧を発生する油圧ポンプ４１、及び各アクチュエータを駆動制御するための、図示されないコントロールバルブを含む油圧システム４０が搭載されている。油圧源となる油圧ポンプ４１はエンジン２２によって駆動される。

フロント作業機３０および上部旋回体２０には、ショベルの姿勢（特にバケット３５の爪先の位置）を検出するために、ブーム３１に取り付けられブーム角αを検出するブーム角度センサ５１と、アームピンに取り付けられアーム角βを検出するアーム角度センサ５２と、上部旋回体２０に取り付けられ基準面（例えば水平面）に対する上部旋回体２０の傾斜角θを検出する車体傾斜センサ５３と、バケットシリンダ３６の伸縮からバケット角γを検知するためのバケットストロークセンサ５４とが搭載されている。なお、各角度センサはストロークセンサに代替でき、ストロークセンサは角度センサに代替できる。そして、角度センサ又はストロークセンサに代えて傾斜角センサや慣性計測装置も利用可能である。

爪先位置演算部６２は角度センサ５１，５２、傾斜センサ５３及びストロークセンサ５４及び傾斜センサ５３の出力に基づきショベル基準座標系における爪先位置（作業機３０の姿勢）を演算する。作業機３０の姿勢は図１０のショベル基準座標系に基づいて定義できる。図１０のショベル基準座標系は、上部旋回体２０に対して固定された座標系であり、上部旋回体２０に回動可能に支持されているブーム３１の基底部を原点とし、上部旋回体２０における鉛直方向にＶ軸、水平方向にＵ軸を設定した。

Ｕ軸に対するブーム３１の傾斜角をブーム角α、ブームに対するアーム３３の傾斜角をアーム角β、アームに対するバケット爪先の傾斜角をバケット角γとした。水平面（基準面）に対する上部旋回体２０の傾斜角を傾斜角θとした。ブーム角αはブーム角度センサ５１により、アーム角βはアーム角度センサ５２により、バケット角γはバケットストロークセンサ５４により、傾斜角θは車体傾斜センサ５３により検出される。ブーム角αは、ブーム３１を最大（最高）まで上げたとき（ブームシリンダ３２が上げ方向のストロークエンドのとき、つまりブームシリンダ長が最長のとき）に最大となり、ブーム３１を最小（最低）まで下げたとき（ブームシリンダ３２が下げ方向のストロークエンドのとき、つまりブームシリンダ長が最短のとき）に最小となる。アーム角βは、アームシリンダ長が最短のときに最小となり、アームシリンダ長が最長のときに最大となる。バケット角γは、バケットシリンダ長が最短のとき（図１０のとき）に最小となり、バケットシリンダ長が最長のときに最大となる。

本実施形態では、上記のショベル基準座標系の他に、設定座標系を利用する。設定座標系は、ショベル基準座標系と同様に油圧ショベル（上部旋回体２０）に対して固定された座標系であり、後述の操作スイッチを含む入力装置６９を押した際のバケット３５の爪先位置（基準点）を原点としている。設定座標系は、上部旋回体２０における鉛直方向にｙ軸、水平方向にｘ軸を設定している。ショベル基準座標系上の任意の座標は設定座標系上の座標に変換可能であり、逆も可能である。

キャブ内には、操作レバー（操作装置）７０、ゲートロックレバー７１、入力装置６９、表示装置６７、通信装置６８、及び情報コントローラ６０（いずれも図２参照）が搭載されている。

操作レバー７０は、走行用油圧モータ１３，旋回用油圧モータ２４、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をそれぞれ操作するためのものであり、操作量および操作方向に応じた操作信号を出力する。ロックレバー（ゲートロックレバーとも称する）７１は、キャブの搭乗口に設置されており、乗降時にレバー７１を立てると操作レバー７０により出力される操作信号が遮断され、レバー７２を倒すと操作信号が出力されるように構成されている。

入力装置６９は、操作スイッチ、テンキー又はタッチパネル等であり、これによりオペレータからの情報コントローラ６０への各種情報の入力が可能になっている。通信装置６８は、外部のコンピュータと情報の授受を行うための装置であり、例えば無線通信装置がこれに該当する。

表示装置６７は、油圧ショベル及び作業に関する各種情報が表示される例えば液晶モニタである。例えば、表示装置６７には、面演算部６３で演算された施工目標面の位置と、爪先位置演算部６２で演算されたバケット３５の位置を基に、図１２に示すような、施工目標面と、施工目標面に対するバケット先端の位置が表示される。この表示によりオペレータは掘削対象物（施工対象物）が施工目標面通りに施工されているかどうかを把握することができる。

次に情報コントローラ６０について説明する。図１１に、図１の油圧ショベルに搭載されたコンピュータ（マイコン）である情報コントローラ６０のハードウェア構成を示す。情報コントローラ６０は、入力部８１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）８２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）８３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８４と、出力部８５とを有している。入力部８１は、角度センサ５１，５２及び傾斜センサ５３及びストロークセンサ５４からの信号、入力装置６９からの信号、並びに操作レバー７０及びロックレバー７１からの信号、を入力し、Ａ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭ８３は、後述する各フローチャートを実行するための制御プログラムと、当該各フローチャートの実行に必要な各種情報等が記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ８２は、ＲＯＭ８３に記憶された制御プログラムに従って入力部８１及びメモリ８３、８４から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。出力部８５は、ＣＰＵ８２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を液晶モニタ等の表示装置６７や通信装置６８に出力することで、油圧アクチュエータを駆動・制御したり、自車（図１の油圧ショベル）、バケット３５及び施工目標面等の画像を表示装置６７の画面上に表示させたりする。なお、図１１の情報コントローラ６０は、記憶装置としてＲＯＭ８３及びＲＡＭ８４という半導体メモリを備えているが、記憶装置であれば特に代替可能であり、例えばハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備えても良い。

図２に情報コントローラ６０の機能ブロック図を示す。情報コントローラ６０は、設定情報入力部６１と、爪先位置演算部６２と、面演算部６３と、土量推定部６４と、施工時間測定・記憶部６５と、施工時間演算部６６とを備えている。各部６１−６６はＲＯＭ８３に記憶されるプログラムでソフトウェア的に構成しても良いし、情報コントローラ６０に含まれる回路でハードウェア的に構成しても良い。

設定情報入力部６１は、入力装置６９からの信号を基に、基準点の位置（設定座標系の原点の位置）、設定座標系のｙ軸方向における基準点から施工目標面までの距離（以下では「基準点からの深さＤ」又は「深さＤ」と称することがある）、ｙ軸に対する施工目標面の角度φ、施工距離Ｌ（施工対象物において同等の施工目標面と現在面が続く距離）といった作業量の算出に必要な各種設定情報を、それぞれの情報を必要とする部分に送信する役割を持つ。

図３に施工目標面、現在面、基準点Ｏ、施工目標面、施工目標面の深さＤ及び角度φを示す。図３においてハッチングを付した部分が設定座標系（ｘｙ平面）による掘削対象物の断面であり、現在面上の第１点Ｐ１及び第２点Ｐ２と、基準点Ｏと、施工目標面の断面上の点Ｐｔは当該断面上に存在する。施工目標面は、フロント作業機３０の掘削作業により形成される施工後の地表面のことを示し、現在面は、掘削作業前（施工前）の地表面のことを示す。

爪先位置演算部６２はバケット３５の爪先位置を演算する。爪先位置演算部６２には、フロント作業機３０および上部旋回体２０に搭載された各種角度センサ５１，５２、バケットストロークセンサ５４、車体傾斜センサ５３からの信号と、設定情報入力部６１からの爪先位置決定信号が入力され、それらを基にバケット３５の爪先位置が演算される。

面演算部６３は、設定座標系における施工目標面及び現在面の位置を演算する。施工目標面の位置は、基準点Ｏの位置と、設定情報入力部６１から入力される施工目標面の深さＤ及び角度φとから演算可能である。現在面の位置は、現在面上の２点以上（図３の例では２点Ｐ１，Ｐ２）の位置から演算可能である。本実施形態では、現在面上の２点以上をバケット３５の爪先で触れ、その時の爪先位置を通過する直線から演算している。

土量推定部６４は作業量を演算する。面演算部６３で演算された施工目標面及び現在面の位置情報と、設定情報入力部６１からの施工距離Ｌの情報が土量推定部６４に入力され、これらを基に施工対象物の推定体積（推定土量）を演算し、その体積を作業量とする。

施工時間測定・記憶部６５には、フロント作業機３０による作業の処理速度（作業処理速度）が記憶されている。作業処理速度とは、フロント作業機３０で行うことができる作業についての所定作業量（土量）あたりの所要時間のことである。例えば後述の説明では単位土量あたりの掘削時間を作業処理速度としている。

施工時間演算部６６は、土量推定部６４で算出された作業量に係る作業の予測所要時間（「施工完了予測時間」と称することもある）を演算する。土量推定部６４で推定された土量と、施工時間測定・記憶部６５に記憶されたフロント作業機３０による作業処理速度が施工時間演算部６６に入力され、これらを基に施工完了予測時間を演算する。施工完了予測時間は、例えば、土量推定部６４の作業量（推定土量）に作業処理速度を乗じた値とすることができる。

施工完了予測時間の演算には、フロント作業機３０の操作や旋回、走行を行うための操作レバー７０の信号と、操作レバー７０の信号のＯＮ／ＯＦＦを切り替え制御するロックレバー７１の信号の少なくとも一方から演算されるフロント作業機３０の非操作時間を利用しても良い。非操作時間は、操作レバー７０から信号の出力が無い時間の累積値、または、操作レバー７０の信号をＯＦＦにする切り替え位置（ロック位置）にロックレバー７１が在る時間の累積値から算出可能である。施工完了予測時間に非操作時間を加えて施工完了予測時間を補正することで、施工完了予測時間の精度を向上できる。

以上で述べた設定情報や演算結果は、表示装置（例えばキャブ内のモニタ）６７に表示される。また、通信装置６８を通じて施工管理などを行う管理システムに送信される。

具体的には、表示装置６７には、施工時間演算部６６で演算された予測所要時間（施工完了までにかかる予測時間）、または、その予測所要時間から算出される予測時刻（施工完了に至る予測時刻）が、予測時間情報として表示される。

これにより、作業現場で稼働する各車体から送信された施工完了予測時間を基に、工期の見積もりや施工進捗の管理などを行うことが可能となる。

本実施形態の施工時間予測システムにおいて施工完了予測時間を表示する手順として、１．作業量の定義、２．作業の処理速度、３．施工完了予測時間の算出・表示の３つの手順が必要となる。以下、それぞれの手順について説明する。

（１−１）作業量の定義
ここでの作業量とは、掘削する土量を指し、以下、掘削する土量の推定方法について説明する。バケット３５の爪先位置は基準点Ｏからの相対位置として演算され、基準点Ｏを原点とし、ショベルの水平面前後方向をｘ軸、垂直面上下方向をｙ軸とする、ｘｙ平面（設定座標系）上の点として演算される。

操作者は、まず基準点Ｏとなる位置にバケット３５の爪先を合わせ、入力装置６９で設定信号を入力することで基準点Ｏを設定する。これによりショベルに設定座標系が設定される。

また操作者は施工目標面を設定する。施工目標面は、入力装置６９から設定情報入力部６１に入力される基準点Ｏからの深さＤと、施工目標面の角度φとを入力した面演算部６３により決定される。

また操作者は現在面を決定する。現在面は、施工前の地表にバケット３５の爪先を合わせ、設定座標系での２点以上の地表の点座標取得することで、決定することができる。例えば図３に示すような地形の法面施工の場合、現在面はほぼ平らであることから、第１点Ｐ１と第２点Ｐ２の２点の位置を取得することで現在面を決定することができる。また、例えば図４に示すような地形の法面施工の場合、第１点Ｐ１と第２点Ｐ２に加え、最も出っ張った部分である第３点Ｐ３の３点の位置を取得することで、現在面を決定することができる。言うまでもなく現在面は４点以上でも定義可能である。施工目標面と現在面は、基準点を原点とするｘｙ平面における１次式で表され、現在面は取得した点数が２点の場合は単一、３点以上の場合は複数の１次式で表される。

また操作者は施工距離Ｌを決定する。施工距離Ｌは、施工対象物において、先に決定した施工目標面及び現在面と同等の形状の施工目標面及び現在面が続く距離のことである。施工距離Ｌは、同等の形状の施工対象物の幅とも称することができる。施工距離Ｌは、操作者が入力装置６９を介して設定情報入力部６１に入力することで決定できる。この場合、施工対象物の断面形状が「同等」か否かの判断を含め、施工距離Ｌは人が決定することになる。

土量推定部６４では、これらの施工目標面及び現在面の情報と、施工距離Ｌとから、土量を推定する。土量は現在面と施工目標面の差の積分値と、施工距離Ｌを掛け合わせることで算出することができる。積分は第１点と第２点のｘの値、現在面が複数ある場合は隣り合う現在面と現在面の交点、施工目標面と第１点の高さの交点、施工目標面と第２点の高さの交点、施工目標面と現在面の交点をそれぞれ求め、第１点と第２点のｘの値の範囲においてｘの値を昇順または降順に並べ、それぞれの範囲で行う。積分の始点と終点をそれぞれ関係する面の式に代入し、少なくとも一方のｙの値が大きい式から小さい式を引いて積分を行う。算出した積分値の合計がｘｙ平面（設定座標系）上で施工する土量の面積を表し、これと施工距離を掛け合わせることで土量（作業量）を算出できる。

以下では、下部走行体１０によって、施工距離Ｌを規定する直線と平行に移動しながら施工対象物の施工を行うことを想定する。そして、上部旋回体２０と下部走行体１０を静止した状態で、フロント作業機３０が動作可能な面（動作平面）を単位面と称することがある。土量推定部６４で算出したｘｙ平面（設定座標系）上で施工する土量の面積に、バケット３５の幅を掛け合わせることで、単位面あたりの土量を算出することができる。また、単位面あたりの掘削時間を単位面あたりの土量で除することで作業処理速度を算出できる。

（１−２）作業処理速度
本実施形態では、施工時間測定・記憶部６５において、単位面あたりの掘削時間（作業の予測所要時間）を基に作業処理速度を計算する。単位面あたりの掘削時間の測定は、土量推定部６４による土量の算出完了後の単位面の掘削の開始時に、まず、掘削開始のトリガを入力し、掘削時間の測定を開始する。その後、単位面の掘削が完了した時点で掘削終了のトリガを入力し、掘削時間の測定を終了する。測定した掘削時間と単位面あたりの土量から、単位土量あたりの掘削時間、つまり作業の処理速度を算出することができる。

掘削作業開始・終了のトリガは、例えば入力装置６９からの入力とすると良い。また、掘削作業を開始すると油圧シリンダ（例えばアームシリンダ３４）のシリンダ圧力が上昇することから、シリンダ圧力が所定値以上になったことを掘削作業開始のトリガとしても良い。或る単位面の掘削作業が完了すると少し走行して位置調整を行った後に他の単位面で掘削作業を再開することから、操作レバー７０を介した走行操作の入力を掘削作業終了のトリガとしても良い。さらに、同様の作業現場における作業を実施したことがある場合には、作業現場・作業内容ごとに作業の処理速度を施工時間測定・記憶部６５に記憶しておき、作業現場・作業内容に合わせて選択することで、作業の処理速度測定を省略することができるようにしても良い。

また、設定した施工距離Ｌとショベルの移動距離から作業の進捗状況を推定しても良い。ここで、ショベルの移動距離はＧＰＳを含むＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ：全地球航法衛星システム）から得られるショベル位置の変化を基に測定しても良いし、作業開始から走行操作により移動した距離を推定して求めても良い。

情報コントローラ６０は、フロント作業機３０による施工開始後、所定作業量の施工完了に要した時間（所定作業量の予測所要時間）を基に作業処理速度を更新し、その更新後の作業処理速度と残りの作業量から予測所要時間を再度算出することができる。これにより作業進捗とともに予測所要時間の予測精度を向上できる。

例えば、上記のように推定した作業の進捗状況と、作業開始からの経過時間を基に、作業中に随時、作業処理速度を更新し、より正確な処理速度を演算することができる。また、操作者若しくは情報コントローラ６０の判断または外部からの指令を基に再度単位面あたりの掘削時間を或る掘削対象物の掘削作業中に計算し直すことで、作業の処理速度を更新するようにしても良い。ここで、施工時間測定・記憶部６５による作業の処理速度の更新の一例について、図５のフローチャートを用いて説明する。

図５では、まずステップ１で、施工時間測定・記憶部６５は、或る単位面の掘削作業が開始されたか否かについて掘削作業開始のトリガを基に判定する。当該判定は入力装置６９からの操作者の入力によるものでも良いし、シリンダの圧力が一定の圧力以上になったことにより判定しても良い。単位面の掘削作業が開始したと判定されると（ステップ１でＹｅｓの場合）、ステップ２に進み、時間測定を開始する。

ステップ３で、操作レバー７０の入力なし、またはロックレバー７１がロック位置に在るか否かを判定する。操作レバー７０の入力なし、またはロックレバー７１がロック位置に在ると判定されると（ステップ３でＹｅｓの場合）、ステップ４に進み、時間測定を中断する。操作レバー７０の入力あり、かつロックレバー７１が解除位置（操作レバー７０の信号をＯＮにする切り替え位置）に在ると判定されると（ステップ３でＮｏの場合）、ステップ５に進み、時間測定が継続又は再開される。ステップ５の時点で時間測定が中断されていない場合は、そのまま測定を継続することとする。

ステップ６では、当該或る単位面の掘削作業が終了したか否かを掘削作業終了のトリガを基に判定する。当該判定は入力装置６９からの入力によるものでも良いし、走行操作が入力されたことにより判定しても良い。掘削作業終了と判定されると（ステップ６でＹｅｓの場合）、ステップ７で時間測定を終了する。ステップ８では、ステップ７の測定時間と単位面の作業量を基に処理速度を算出し、ステップ９で処理速度を更新してこのフローチャートを終了する。

一方、ステップ６で掘削作業継続と判定されると（ステップ６でＮｏの場合）、時間測定を継続し、ステップ３に戻る。

このように、掘削作業終了まで時間測定が継続される。以上のようにして、実際に掘削作業をしながら掘削時間を測定し、結果を反映することで、より正確な処理速度を算出することができる。処理速度が更新された場合には、その更新後の処理速度と残りの作業量とを基に施工完了予測時間を再計算して、表示装置６７上の予測時間情報を更新する。なお、残りの作業量は、例えば、前述の作業の進捗状況から把握できる。すなわち、施工距離Ｌからショベルの移動距離を減じた値が施工距離Ｌの何割に当たるかを算出し、これを全体の作業量に乗じれば残り作業量の把握が可能である。

（１−３）施工完了予測時間の算出・表示
施工完了予測時間は、推定土量と単位土量あたりの掘削時間を掛け合わせることで算出することができる。施工完了予測時間は、表示装置６７に表示される予測時間情報の算出に利用される。予測時間情報としては、施工完了までにかかる予測時間を表示しても良いし、現在時刻に施工完了までの予測時間を加えた施工完了予測時刻を表示しても良い。

予測時間情報を表示する場合、予め設定した休憩時間を加味して演算された時間・時刻を表示するようにしても良い。施工完了予測時間は、設定完了後又は作業開始時からカウントダウンを開始するが、作業が行われていない場合にはカウントダウンを停止する。具体的には、操作レバー７０が操作されていない時間、またはロックレバー７１がロック位置にある場合は作業が行われていないと判断され、カウントダウンを停止する。施工完了予測時刻を表示する設定とした場合には、作業が行われていない時間を、施工完了予測時刻に加えることで、同様の結果が得られる。

次に本発明の第１の実施形態において表示装置６７に施工完了予測時間（予測時間情報）が表示されるまでの一連の処理について説明する。情報コントローラ６０は、図６に示すフローチャートに沿って各部で処理を実行し、表示装置６７に施工完了予測時間（予測時間情報）を表示する。

まずステップ１０で施工完了時間予測のシーケンスを開始する入力の有無を判定する。施工完了時間予測シーケンスを開始する入力のない場合（ステップ１０でＮｏの場合）は、何もせず終了となる。施工完了時間予測シーケンスを開始する入力がある場合（ステップ１０でＹｅｓの場合）は、ステップ１１以降に進む。

ステップ１１では基準点Ｏを設定する。具体的には、バケット３５の爪先を基準点Ｏに移動させ、基準点Ｏを決定する入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。操作者により基準点Ｏが設定されたらステップ１２に進む。

ステップ１２、１３では施工目標面を決定する。具体的には、深さＤ及び角度φの入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。操作者により施工目標面が決定されたらステップ１４に進む。

ステップ１４〜１７では現在面を決定する。まず、ステップ１４，１５では、現在面上の第１点Ｐ１と第２点Ｐ２を決定する入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示し、２点Ｐ１，Ｐ２が決定されたらステップ１６に進む。ステップ１６では、第３点Ｐ３以降の点を決定する入力の有無を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。第３点Ｐ３以降の点の入力の必要が無い場合にはステップ１８に進む。一方、第３点Ｐ３以降の点を決定する入力が必要な場合には所望の数だけ決定した後にステップ１８に進む。

ステップ１８では施工距離Ｌを決定する。具体的には、施工距離Ｌの入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示し、操作者により施工距離Ｌが決定されたらステップ１９に進む。

ステップ１９では、後述のステップ２３で予測時間情報（施工完了予測時間）を算出・表示する際に考慮されるオプション項目を設定する入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。オプション項目としては、例えば、施工完了までにかかる予測時間と、施工完了予測時刻のどちらを予測時間情報として表示装置６７に表示するかという項目がある。また、操作レバー７０及びロックレバー７１の信号を基に非操作時間（休憩時間）を考慮して予測時間情報を表示するか否かという項目がある。オプション項目の設定が完了したらステップ２０に進む。なお、オプション項目の設定の有無は任意であり、設定無しでステップ２０に進むこともできる。この場合にはオプション項目は施工完了予測時間に反映されない。

ステップ２０では、施工時間測定・記憶部６５に記憶されている複数の作業処理速度の中からステップ２３の施工完了予測時間の演算に利用するものを１つ選択するように操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。記憶されている処理速度としては、例えば、建設機械の操作者の熟練度ごとの処理速度、操作者がこれまで行った作業の作業量及び施工時間の実績値ごとの処理速度、作業場所・作業内容ごとの処理速度などがある。操作者ごと、作業場所・作業内容ごとに処理速度が異なるが、このように操作者ごと、作業場所・作業内容ごとに処理速度を変更可能に構成すると、より正確に施工完了予測時間を演算できる。

さらにステップ２０では、施工時間測定・記憶部６５に記憶された処理速度を選択したか否かを判定する処理を実行する。ここで選択したと判定された場合（ステップ２０でＹｅｓの場合）はステップ２３に進み、選択しなかったと判定された場合（ステップ２０でＮｏの場合）は処理速度を測定するためにステップ２１に進む。

ステップ２１，２２では処理速度を測定して設定する。ステップ２１では、掘削作業開始のトリガの入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。操作者が掘削作業開始のトリガを入力すると処理速度の測定処理が開始され、掘削作業終了のトリガの入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する（ステップ２２）。ここでは図５と同様に単位面の作業完了に要した時間を測定して処理速度を求める。作業時間の測定は、ステップ２１の掘削作業開始のトリガで開始され、ステップ２２の掘削作業終了のトリガで終了する。掘削作業終了のトリガが入力されたら、測定時間と単位面あたりの作業量を基に処理速度を算出し、当該処理速度を施工完了予測時間の演算に使用することを設定してステップ２３に進む。なお、ステップ２１，２２での処理速度の算出処理の具体的内容は、図５のステップ２−８と同じなのでここでは説明は省略する。また、ステップ２１，２２のトリガには既述のものが利用可能である。操作レバー７０の操作を掘削開始・終了のトリガとする場合は、画面表示は不要となる。

ステップ２３では、土量（作業量）の演算が行われ、その土量と、Ｓ２０又はＳ２１，２２で設定した処理速度とを基に施工完了予測時間が演算される。そして、当該施工完了予測時間に基づいて演算された予測時間情報を表示装置６７に表示する。

図１２に表示装置６７の表示画面の一例を示す。図１２の表示画面は施工目標面表示部７８と、予測時間情報表示部７９を備えている。予測時間情報表示部７９には、予測時間情報として施工完了予測時間が表示されている。施工目標面表示部７８には、バケット３５と施工目標面の位置関係の他に、施工目標面および施工距離が表示されている。なお、現在面の形状情報が入手可能な場合には、施工目標面表示部７８に現在面を表示しても良い。

以上のステップ毎に表示された画面を基に、操作者はフロント作業機３０の操作や値の入力を行う。その結果として、ステップ２３で予測時間情報が表示される。以上で述べた設定情報の入力は、表示装置６７内に設けたアイコンなどで選択するようにしても良いし、別途キャブ内のコンソールにスイッチやテンキー、ダイヤルを設け、それらを操作することで入力するようにしても良い。

以上のように、第1の実施形態では、作業機幅方向（フロント作業機３０の幅方向）に直交する動作平面上で動作する多関節型のフロント作業機３０と、施工目標面及びバケット３５の位置を画面上に表示する表示装置６７とを有する建設機械の施工時間予測システムにおいて、動作平面上に設定した設定座標系における施工目標面及び現在面の位置、並びに、施工対象物において施工目標面及び現在面と同等の形状の施工目標面及び現在面が続く施工距離Ｌを基に作業量を算出し、当該作業量及び処理速度を基に作業の予測所要時間を算出する情報コントローラ６０を備え、表示装置６７は、情報コントローラ６０（施工時間演算部）で算出された予測所要時間（施工完了予測時間）、または当該予測所要時間から算出される予測時刻を表示することとした。

上記のシステムによれば、設定座標系上に施工目標面及び現在面を定義し、施工距離Ｌを入力すれば、施工対象の体積（施工対象が盛土・切土の場合にはその土量）が算出・表示できる。さらに、処理速度を設定すれば、当該施工対象の体積と当該処理速度を基に、施工対象物の施工完了に必要な時間（予測所要時間）を容易に算出・表示できる。これにより、現況測量の地形データや設計の平面線形・縦断線形・断面データを基に３次元設計データを作成することなく、作業現場の建設機械単独で、盛土・切土量や施工完了予測時間を容易に演算・表示できる。

特に上記の例では、ショベルに固定された座標系（設定座標系）に対してバケット３５の爪先位置を基に施工目標面と現在面を設定できるので、３次元設計データを作成する必要がなく、容易に掘削土量の推定が可能である。

また、上記のシステムでは、情報コントローラ６０は、フロント作業機３０による施工開始後、所定作業量（例えば、単位面あたりの作業量）の施工完了に要した時間を基に処理速度を更新し、その更新後の処理速度と残りの作業量から予測所要時間を算出するように構成され得る。特に油圧ショベルによる掘削作業では単位面ごとの作業が繰り返されるため、単位面ごとの処理速度の更新が容易であるとともに、単位面ごとに同じ作業が繰り返されるために操作者が作業に慣れ易く処理速度が向上し易い。そこで、単位面当たりの作業量の施工完了に要した時間を基に処理速度を更新すれば、予測所要時間の精度を容易に向上できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態の構成と同様とし、以下、異なる部分を説明する。
（２−１）作業量の定義
第２の実施の形態では２つの作業量を定義する。具体的には、粗掘削土量と、仕上げ掘削土量を定義する。これは、目標面から遠い位置の掘削（粗掘削）の速度と、目標面付近の掘削（仕上げ掘削）の速度が作業内容の性質上異なるためである。施工目標面と現在面の設定方法は第１の実施の形態と同様である。

ここで図７に示すように、施工目標面から所定の高さ、例えば２０ｃｍの位置に粗掘削目標面を設定する。粗掘削目標面は、粗掘削作業と仕上げ掘削作業の境界であり、操作者ごとに異なり得る。現在面と粗掘削目標面の差の積分値の合計がｘｙ平面上の施工する粗掘削土量の面積を表し、これと施工距離を掛け合わせることで粗掘削土量を算出できる。また、粗掘削目標面と施工目標面の差の積分値の合計が、ｘｙ平面上の施工する仕上げ掘削土量の面積を表し、これと施工距離を掛け合わせることで仕上げ掘削土量を算出できる。

なお、粗掘削目標面は、施工目標面から一定の高さ、例えば２０ｃｍと予め決めておくため、仕上げ掘削土量の算出を簡易化しても良い。つまり、施工目標面の長さに、施工目標面からの高さ、ここでは２０ｃｍを掛け合わせることで、仕上げ掘削土量の面積を簡易的に算出でき、これと施工距離を掛け合わせることで仕上げ掘削土量を算出することができる。この様にして仕上げ掘削土量を算出する場合は、粗掘削土量は現在面と施工目標面から算出される土量全体から、仕上げ掘削土量を差し引くことで算出される。

（２−２）作業の処理速度
本実施形態では、上記の作業量の定義に適合させるために、粗掘削の処理速度（粗掘削土量当たりの粗掘削時間）と、仕上げ掘削の処理速度（仕上げ土量当たりの仕上げ掘削時間）とが施工時間測定・記憶部６５に記憶されている。粗掘削処理速度は、一連の粗掘削動作（粗掘削開始から放土を経由して次の粗掘削開始まで一連の動作）にかかる時間の平均値と、バケット３５に積載される土量の平均値とから算出できる。仕上げ掘削処理速度は、同様に、一連の仕上げ掘削動作にかかる時間の平均値と、バケット３５に積載される土量の平均値とから算出できる。バケット３５に積載される土量はバケット３５の種類によって容量が異なるため、バケット３５を変更した場合は、バケット３５の種類に応じて積載土量の設定値を変更することが好ましい。これらの掘削時間は、標準的な操作者の値を記憶させておいても良いし、操作者の経験年数や実力といった熟練度ごとに設定値を設け、選択できるようにしても良い。また、それぞれ作業中の一連の動作の時間を測定し、その平均値を反映するようにしても良い。これにより、より正確な作業の処理速度を演算することができる。このように第２の実施の形態では、単位面あたりの掘削時間の測定を実施することなく、作業の処理速度を設定することができる。

（２−３）施工完了予測時間の算出・表示
施工完了予測時間の算出・表示方法は、本発明の第１の実施形態と同様とする。

次に本発明の第２の実施形態において表示装置６７に施工完了予測時間（予測時間情報）が表示されるまでの一連の処理について説明する。情報コントローラ６０は、図８に示すフローチャートに沿って各部で処理を実行し、表示装置６７に施工完了予測時間（予測時間情報）を表示する。以下、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。

施工目標面を決定する処理（ステップ１２，１３）に後続するステップ２４では、粗掘削面を決定するため、粗掘削面高さの入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。操作者により粗掘削面が決定されたら、ステップ１４に進む。

ステップ２５では、施工時間測定・記憶部６５に記憶されている複数の作業処理速度の中からステップ２３の施工完了予測時間の演算に利用するものを１つ選択するように操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。操作者により作業処理速度が選択されたら、第1実施形態と同様に、ステップ２３で予測時間情報（施工完了予測時間）を算出・表示する際に考慮されるオプション項目を設定する入力を操作者に要求する画面を表示装置６７に表示する。オプション項目の設定が完了したらステップ２３に進む。なお、オプション項目の設定の有無は任意であり、その場合にはオプション項目は施工完了予測時間に反映されない。

以上のように、第２の実施形態では、容易に粗掘削土量と仕上げ掘削土量が推定され、土量当たりの粗掘削時間と土量当たりの仕上げ掘削時間を設定することで施工完了予測時間を演算し、表示装置６７に表示させることが可能となる。これにより、作業現場の建設機械単独で、盛土・切土量や施工完了予測時間を演算、表示できるようになる。

ところで、粗掘削作業と仕上げ作業では処理速度が異なり、また両処理速度は操作者によっても異なる。例えば、操作者によっては、粗掘削作業は平均より速いが、仕上げ作業は平均より遅い場合もある。さらに、粗掘削目標面の深さも操作者によって異なる場合が少なくない。そのため第1実施形態の単位面での処理速度だけでは正確な作業進捗の把握が難しい場合がある。しかし、本実施形態のように粗掘削作業と仕上げ作業で異なる処理速度を利用して施工完了予測時間を演算すれば、正確な作業進捗の把握が可能になる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。以下では、第１、第２の実施の形態の構成と異なる部分について説明し、同じ部分の説明は省略する。

（３−１）作業量の定義
作業量は、本発明の第１の実施形態の土量に加えて、当該土量を定義した際の設定座標系における施工目標面の長さを利用する。施工目標面の長さは、施工目標面の角度が０°のときは現在面第１点と第２点のｘ座標の差、施工目標面の角度が９０°のときは現在面第１点と第２点のｙ座標の差から算出可能であり、それ以外のときは、施工目標面を斜辺とする直角三角形において、現在面第１点と第２点の差から求められる直角をなす２辺から三平方の定理を用いて算出可能である。

（３−２）作業の処理速度
本実施形態では、上記の作業量の定義に適合させるために、通常の掘削の処理速度（単位土量当たりの掘削時間）と、仕上げ面上での処理速度（施工目標面の単位長さあたりの仕上げ時間）とが施工時間測定・記憶部６５に記憶されている。単位土量当たりの掘削時間は、一連の掘削動作（掘削開始から放土を経由して次の掘削開始まで一連の動作）にかかる時間の平均値と、バケット３５に積載される土量の平均値とから算出できる。施工目標面の単位長さあたりの仕上げ時間は、単位長さの施工目標面の仕上げ作業にかかる時間の平均値から算出できる。その他の点については第２の実施形態と同様とする。

（３−３）施工完了予測時間の算出・表示
施工完了予測時間は、土量と単位土量当たりの掘削時間を掛け合わせて算出される掘削時間と、施工目標面の長さと単位長さ当たりの仕上げ時間を掛け合わせて算出される仕上げ時間を、足し合わせることで算出することができる。施工完了予測時間の算出以外の部分については、本発明の第１の実施例と同様とする。

次に本発明の第３の実施形態において表示装置６７に施工完了予測時間（予測時間情報）が表示されるまでの一連の処理について説明する。情報コントローラ６０は、図９に示すフローチャートに沿って各部で処理を実行し、表示装置６７に施工完了予測時間（予測時間情報）を表示する。第３の実施の形態のフローチャートは、図８に示した第２の実施の形態のものと概ね同じであるが、図８のステップ２４が不要となる。

以上のように、第３の実施形態では、容易に掘削土量と仕上げ面長さが推定され、土量当たりの掘削時間と仕上げ面の長さ当たりの仕上げ時間を設定することで施工完了予測時間を演算し、表示装置６７に表示させることが可能となる。特に第３の実施の形態では、第２の実施の形態のように、粗掘削目標面を設定することなく、また、粗掘削土量と仕上げ掘削土量の２つの土量の推定を行うことなく、施工完了時間を予測することができる。

＜付記＞
施工目標面の決定には角度φは必ずしも必要ではなく、任意の複数の点から施工目標面までの深さが判明している場合も決定可能である。この場合は各点まで爪先を移動し、その姿勢で入力装置６９から深さを入力すれば、施工目標面を設定座標系上に定義できる。

現在面の決定に際して、上記の例は現在面の両端の点Ｐ１，Ｐ２を入力したが、両端に限らず、面上の２点以上であれば決定可能である。この場合、現在面の下端は、バケット爪先で入力した２点以上から規定される直線とショベルの設置面の直線の交点に自動的に設定されるように構成できる。また、バケット爪先を基準（制御点）として基準点Ｏ等の決定を行ったが、爪先以外のバケット３５上の点や作業機３０上の点を含む任意の点を制御点に設定できる。

作業処理速度は、フロント作業機３０による施工開始後、所定作業量の施工完了に要した時間を基に更新しても良い。その更新後の作業処理速度と残りの作業量から予測所要時間を算出しても良い。

上記の各例では、まず任意の点を原点（基準点Ｏ）とする設定座標系を設定し、その座標系上に施工目標面及び現在面を設定したが、現場の或る点を原点（基準点Ｏ）とする座標系に施工目標面及び現在面を予め設定しておき、バケット爪先を当該或る点に移動させて当該座標系をショベルに設定して施工完了予測時間を演算・表示しても良い。

図５，６，８，９のフローチャートの各処理は、施工完了予測時間の演算結果が同じであれば適宜前後を入れ替えても構わない。また、図５を用いて説明した処理速度の更新処理は第２実施形態及び第３実施形態にも適用可能である。

各実施形態で算出した土量及び施工完了予測時間は油圧ショベルに搭載した無線通信装置などの通信機器で外部のコンピュータに送信するように構成しても良い。また、土量及び施工完了予測時間の算出は、油圧ショベルが搭載している複数のコントローラ（コンピュータ）による分散処理で行っても良いし、外部のコンピュータで行っても良い。

上記の３つの実施形態では、作業量の定義を建設機械毎に現地で行う方法を示したが、予め現況測量の地形データ、設計の平面線形・縦断線形・断面データを基に、３次元設計データを作成し、作業量を定義する方法を用いても良い。また、本発明の３つの実施形態では、建設機械毎に作業の処理速度を演算する方法を示したが、作業の処理速度を施工管理側で建設機械の稼働状況、作業進捗から演算し、各建設機械に反映するようにしても良い。

ところで、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

１０…下部走行体、１１…クローラ、１２…クローラフレーム、１３…左走行用油圧モータ、１４…右走行用油圧モータ、２０…上部旋回体、２１…旋回フレーム、２２…エンジン、２３…減速機、２４…旋回用油圧モータ、２６…モニタ、３０…フロント作業機、３１…ブーム、３２…ブームシリンダ、３３…アーム、３４…アームシリンダ、３５…バケット、３６…バケットシリンダ、４０…油圧システム、４１…油圧ポンプ、５１…ブーム角度センサ、５２…アーム角度センサ、５３…車体傾斜センサ、５４…バケットストロークセンサ、６０…情報コントローラ、６１…設定情報入力部、６２…爪先位置演算部、６３…面演算部、６４…土量推定部、６５…施工時間測定・記憶部、６６…施工時間演算部、６７…表示装置、６８…通信装置、６９…入力装置、７０…操作レバー、７１…ロックレバー

Claims (4)

1. 作業機幅方向に直交する平面上で動作する多関節型の作業機と、
   前記作業機の作業により形成される施工目標面、及び前記施工目標面に対する前記作業機の先端の位置を画面上に表示する表示装置とを有する建設機械の施工時間予測システムにおいて、
   前記平面上に設定した座標系における前記施工目標面及び現在面の位置、並びに、施工対象物において前記施工目標面及び前記現在面と同等の形状の施工目標面及び現在面が続く距離を基に作業量を算出し、前記作業量及び前記作業機の処理速度を基に前記作業量の作業の予測所要時間を算出する制御装置を備え、
   前記表示装置は、前記制御装置で算出された前記予測所要時間、または前記予測所要時間から算出される予測時刻を表示すること
   を特徴とする建設機械の施工時間予測システム。
2. 請求項１に記載の建設機械の施工時間予測システムにおいて、
   前記制御装置は、前記作業機による施工開始後、所定作業量の施工完了に要した時間を基に前記処理速度を更新し、その更新後の処理速度と残りの作業量から前記予測所要時間を算出することを特徴とする建設機械の施工時間予測システム。
3. 請求項１に記載の建設機械の施工時間予測システムにおいて、
   前記処理速度は、前記建設機械の操作者の熟練度、又は前記操作者がこれまで行った作業の作業量及び施工時間の実績値に応じた値を選択可能であることを特徴とする建設機械の施工時間予測システム。
4. 請求項１に記載の建設機械の施工時間予測システムにおいて、
   前記制御装置は、前記作業機の非操作時間を加えることで前記予測所要時間を補正することを特徴とする建設機械の施工時間予測システム。

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