JP3579812B2 - 無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システム - Google Patents

無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システム Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、無線伝送装置を用いてトンネルの切羽付近の施工管理情報を地上の監視装置に伝送してトンネルの施工管理を行う無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年の山岳トンネルは、長大化が図られ施工も急速化が著しく進み、建設現場においては、厳しい施工管理が求められる。また、大断面化、大深度化の傾向が進み、従来以上の綿密な施工管理が望まれている。
【0003】
しかしながら、近年、高齢化による熟練者の不足や若年層の建設業離れに起因する労働力不足は深刻化しており、従来以上の人員減少が予想され現場管理の合理化が求められる。多くの作業が錯綜する建設現場での施工状況の集中管理は、安全面、作業性の向上においても、非常に重要であるが、山岳トンネルにおいては人間の勘に頼る部分が多く、作業の定量的な管理が難しいため、作業の集中管理は困難であった。しかも山岳トンネルの施工管理では、数百m〜数kmもの長大トンネルの場合、日常時や緊急時などの情報収集に時間がかかる。
【0004】
図6は従来の無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムの問題を説明するための図である。
リアルタイムな施工管理や情報収集を行うために、坑内にカメラを設置し、有線ケーブルを事務所まで引く方式も採用されている。しかし、山岳トンネルの場合には、発破によるケーブルの破損の問題や延長の手間などの問題がある。また、山岳トンネルの施工管理に無線伝送装置を適用することも検討されてきたが、このシステムの場合には、指向性を有するため1対の送受信装置が互いに向き合い、見通せる必要があった。しかし実用上、トンネルでは、図6に示すように左右にカーブしたり、上り下り勾配が変化したり、また、途中に覆工コンクリートや防水シート張り、換気のための架台、重機などがあるため、互いに見通せず工事に適用することが難しかった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、カーブや勾配の変化のある長大トンネルに対しても適用可能にすることである。
【0006】
そのために本発明は、無線伝送装置を用いてトンネルの切羽付近の施工管理情報を地上の監視装置に伝送してトンネルの施工管理を行う無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムにおいて、指向性を有しトンネルの坑口天井付近と切羽付近上方に対向して取り付けられる一対のアンテナと、前記一対のアンテナのそれぞれの方向を調整するための方向調整手段と、前記一対のアンテナのそれぞれの受信レベルを検出する受信レベル検出手段とを備え、一方のアンテナを受信側としてトンネル軸線に並行となる方向から前記方向調整手段により角度をずらして前記受信レベル検出手段により検出される受信レベルの高くなる方向の設定を行い、他方のアンテナに対しても前記方向の設定を行うようにしたことを特徴とするものである。
【0007】
また、前記受信レベルの高くなる方向は、前記角度をずらす調整単位で上下左右に方向を操作し、最大受信感度の方向であり、前記方向調整手段は、操作駆動機構を有し、予め設定された所定の角度で順次変えながら前記受信レベル検出手段による受信レベルを比較することにより、受信レベルの高くなる方向を求めて設定するものであり、あるいは操作駆動機構を有し、前記地上の監視装置からの制御信号により駆動されるものであり、前記切羽付近上方に取り付けられるアンテナは、架台の上部に取り付けたものであり、前記架台は、換気架台であることを特徴とするものである。
【0008】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図1は本発明に係る無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムの実施の形態を示す図であり、図中、1、11はアンテナ、2、12はアンテナ方向調整機構、3、13はアンテナ方向操作部、4、14は信号送受信部、5は集中管理装置、6は表示装置、7は入力装置、8は出力装置、9、15は受信レベル判定制御部、16は送受信信号処理部、17は送信データ収集部を示す。
【0009】
図1において、アンテナ1は、トンネルの入口である坑口側の例えば天井部分に取り付けられ、アンテナ11は、トンネルの先端である切羽付近の例えば坑壁の天井付近部分に設けた吊架台やブラケット架台或いは換気架台あどの架台の上部に取り付けられるものであり、それぞれアンテナの向き、つまり電波の送受信する方向を調整するための回転軸や軸受け、リンク機構などからなるアンテナ方向調整機構2、12を有する。アンテナ1、11は、本来、指向性を有し対で互いにその送受信する方向の軸が一致するように向き合って通信を行うものである。しかし、トンネル内においては、互いに送受信する方向の軸が一致するように向き合うことなく、むしろ対向するアンテナをそれぞれある斜め方向にずらして向けた場合に良好な感度が得られることを本発明者等は実験の結果として見い出したものである。このことは、トンネル内において、壁面における反射が有効に作用していると考えることができる。アンテナ方向操作部3、13は、このようにアンテナの方向を調整するためにアンテナ方向調整機構2、12を電動モータやサーボモータ等により操作するものである。信号送受信部4、14は、アンテナ1、12から信号を他方に送信し、また、他方からの信号を受信するものである。
【0010】
集中管理装置5は、例えば中央監視室に設置され、各種監視データや処理データのファイルなどを格納する記憶装置を有し信号送受信部4を介してアンテナ1から送受信される信号の処理、表示装置6のモニタ画面に表示する情報の処理、入力装置7から入力される情報の処理、出力装置8から出力される情報の処理を行い、また、アンテナ1の方向を調整する場合にその制御信号を生成してアンテナ方向操作部3を制御するものである。
【0011】
受信レベル判定制御部9、15は、アンテナ1とアンテナ11との間で送受信される信号のレベルを判定して受信感度が大きくなるようにアンテナ方向操作部3、13を制御するものである。送受信データ収集部17は、切羽付近の情報を収集するものであり、これらの情報としては、カメラや計測器などから得られる例えば切羽観察情報や発破情報、坑内監視カメラの画像情報、内空計測による計測情報、作業員の情報等である。送受信信号処理部16は、信号送受信部14を介してアンテナ11から送信する信号の処理、受信する信号の処理を行うものであり、送信する信号としては、送受信データ収集部17で収集された情報の信号やアンテナ方向調整を行うために送信するアンテナ調整のための調整用信号など、また、受信する信号としては、送受信データ収集部17にあるカメラや計測器などの制御信号やアンテナ方向調整を行うために受信するアンテナ調整のための調整用信号、或いはアンテナ方向調整の制御信号などがある。
【0012】
次に、アンテナ1、11の方向調整処理について説明する。図2は本発明に係る無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムの調整処理を説明するための図、図3はアンテナ方向の調整処理の例を軌跡で示す図、図4は一定の範囲をスキャンしてから最大受信感度の方向を検出する例を示す図である。
【0013】
長大トンネルにおいて、アンテナ1、11は、先に述べたように送受信の方向の軸が一致する方向からずらしてやや斜め方向に向けたとき良好な感度が得られるというトンネル内の特性から、そのための調整として、まず、いずれか一方のアンテナを固定して信号を送受信し、他方のアンテナで信号の受信感度が良好な方向を検出する。その後、他方のアンテナを固定して同様に信号を送受信し、一方のアンテナで信号の受信感度が良好な方向を検出する。この場合、どちらを受信側としてもよいし、受信側を変えておこなってもよい。本発明は、このような調整を行うことによって、受信感度が良好なアンテナの方向でトンネル施工管理のための情報を収集し管理するものである。上記それぞれの調整処理の流れを最大受信感度の方向に追跡する方式の例で示したのが図2である。
【0014】
アンテナ方向の調整処理では、調整モードにして、図2に示すようにトンネル軸線と並行になる方向をアンテナの基準方向に設定する(ステップS11)。そして、信号を送受信することによりその時の受信感度を記憶する(ステップS12)。次に、第1の調整単位αを設定する(ステップS13)。これは、粗調整と微調整を行うため、まず、粗調整のために大きい調整ステップを第1の調整単位αとして設定するものである。続いてアンテナ方向操作部を制御することにより基準方向より設定した調整単位だけ方向を操作し(ステップS14)、信号を送受信することによりその時の受信感度を記憶する(ステップS15)。この調整単位の操作は、例えば上下左右(±Δθ、±Δθ)について、或いはα°の仰角を与えて一定の角度ずつ回転させて行う。したがって、この各方向の全ての操作が完了したか否かを調べ(ステップS16)、完了するまで、ステップS14に戻って同様の処理を繰り返し行う。
【0015】
調整単位による各方向の全ての操作が完了すると、それらの受信感度の中から最大受信感度の方向を求める(ステップS17)。そして、その最大受信感度の方向が基準方向と一致するか否かを調べ(ステップS18)、一致しなければ、さらに最大受信感度の方向を基準方向に設定し直して(ステップS19)、ステップS14に戻り同様の処理を繰り返し実行する。しかし、最大受信感度の方向が基準方向と一致した場合には、調整単位が微調整の第2の調整単位βか否かを調べ(ステップS20)、第2の調整単位βでなければ、つまり、第1の調整単位αである場合には、第2の調整単位βを設定して(ステップS21)、ステップS14に戻り同様の処理を繰り返し実行する。そして、第2の調整単位βでも同様にして最大受信感度の方向を見つけて処理を終了する。なお、上記ステップS18、19を省くことにより、第1の調整単位αによる調整も第2の調整単位βによる調整と同様、1回だけにしてもよい。
【0016】
上記の処理を軌跡で示すと、まず、図3(A)に示すようにトンネル軸線と並行な方向Oから調整単位αで上下左右に方向を操作し、最大受信感度が上の方向に操作したときである場合には、引続き図3(B)に示すようにさらに調整単位αで上、左右に方向を操作する。この場合、下は前回の値として既に記憶してあるので、操作を省くことができる。この操作を繰り返して図3(C)に示すように調整単位αで上と右に方向を操作しても最大受信感度の方向が前回と同じになった場合には、次に、それまでの1/2以下の調整単位βで上下左右に方向を操作し、最大受信感度の方向(θxi、θyj)を検出する。
【0017】
また、上記のように最大受信感度の方向を追跡する方式ではなく、図4に示すようにある一定の範囲で方向を走査しながら、それぞれのボイントで受信感度を記憶し、その中から最大受信感度の方向を検出してもよい。
【0018】
図5は本発明に係る無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムを適用した山岳トンネルの概念図であり、このように本発明に係る無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムを適用すると、換気架台の上に取り付けた送受信装置のアンテナと坑口の上部に取り付けた送受信装置のアンテナとの間で各種工程管理情報を無線伝送により送受信し、地上の中央監視室でマルチパソコンによる山岳トンネルの工程管理、資材管理、労務管理、機械管理等の情報集中管理を行うことができる。ここでは、例えば画像情報に1チャンネル(片方向)、音声に2チャンネル(双方向)を用い、数値情報及びカメラ操作などの情報は音声チャンネルを用いる。画像情報としては、切羽部、インバート部、覆工コンクリート部、音声としては、切羽周辺の作業中に発する音、数値情報としては、各種計測情報、発破情報、入坑管理情報、坑内環境情報など必要に応じてシステムに取り込むように構成される。そして、中央監視室では、パーソナルコンピュータ及びモニタからなる監視装置を設置し、カメラを遠隔操作することにより、必要な現場の動画を得ることができ、同時に現場より送られてくる各種情報より集中管理を行うことができる。
【0019】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、自動的にアンテナ方向の調整を行うようにしたが、それぞれの信号受信部に設けられている受信レベル計により、作業員がこの受信レベルを読み取りながら、作業員の手動操作により調整を行うようにしてもよいことはいうまでもない。この場合には、双方の作業員同士が例えばトランシーバにより連絡を行いながら、受信レベル計により感度が大きくなる方にアンテナの方向を操作し、例えばネジやピンなどを用いて締めつけることにより設定すればよい。また、ある程度の受信レベルで信号が送受信できれば、その信号を利用することにより検出した受信レベル信号を地上に伝送し、中央監視室において、それぞれの受信レベル信号をモニタしながら、中央監視室から作業員が方向調整の制御信号を送信することにより、リモコンで調整を行うようにしてもよい。勿論、最大受信感度の方向にアンテナの方向を設定したが、一定の受信レベル以上であることを確認できる方向を見い出し、その方向で設定してもよい。さらに、切羽付近では、換気架台にアンテナを取り付けるようにしたが、他の作業架台などに取り付けるようにしてもよい。山岳長大トンネルの施工管理システムとして説明したが、このようなトンネルに限らず、海底トンネルや大深度地下、その他のトンネルに同様に適用してもよい。
【0020】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、指向性を有する一対のアンテナの方向として、トンネル軸線に並行となる方向から前記方向調整手段により角度をずらして前記受信レベル検出手段により検出される受信レベルの高くなる方向に設定してトンネルの切羽付近の施工管理情報を地上の監視装置に伝送することができるので、カーブしたり勾配が変化する長大トンネルにおいても、支障なく施工管理情報を伝送し、トンネル施工管理を行うことができる。また、切羽付近のトンネルは、換気架台のような掘削の進行と共に移動する架台の上部に取り付けることにより、特別に取り付け架台を用意することなく、簡便に取り付けることができる。しかも、一般に換気架台は、切羽から100m前後の位置に設置され、例えばトンネル掘削の進行は、1回の発破で2m進み、1日3回の発破を行うとすると、1日5〜6m前進しほぼ20日から1ヶ月に1回程度の間隔で移動するので、アンテナ方向の調整もその際に、つまり1ヶ月に1回程度行えばよい。したがって、アンテナ方向の調整に要する負担も軽微ですむ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムの実施の形態を示す図である。
【図2】本発明に係る無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムの調整処理を説明するための図である。
【図3】アンテナ方向の調整処理の例を軌跡で示す図である。
【図4】一定の範囲をスキャンしてから最大受信感度の方向を検出する例を示す図である。
【図5】本発明に係る無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムを適用した山岳トンネルの概念図である。
【図6】従来の無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムの問題を説明するための図である。
【符号の説明】
1、11…アンテナ、2、12…アンテナ方向調整機構、3、13…アンテナ方向操作部、4、14…信号送受信部、5…集中管理装置、6…表示装置、7…入力装置、8…出力装置、15…受信レベル判定制御部、16…送受信信号処理部、17…送信データ収集部

Claims (6)

  1. 無線伝送装置を用いてトンネルの切羽付近の施工管理情報を地上の監視装置に伝送してトンネルの施工管理を行う無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システムにおいて、
    指向性を有しトンネルの坑口天井付近と切羽付近上方に対向して取り付けられる一対のアンテナと、
    前記一対のアンテナのそれぞれの方向を調整するための方向調整手段と、
    前記一対のアンテナのそれぞれの受信レベルを検出する受信レベル検出手段と
    を備え、一方のアンテナを受信側としてトンネル軸線に並行となる方向から前記方向調整手段により角度をずらして前記受信レベル検出手段により検出される受信レベルの高くなる方向の設定を行い、他方のアンテナに対しても前記方向の設定を行うようにしたことを特徴とする無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システム。
  2. 前記受信レベルの高くなる方向は、前記角度をずらす調整単位で上下左右に方向を操作し、最大受信感度の方向であることを特徴とする請求項1記載の無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システム。
  3. 前記方向調整手段は、操作駆動機構を有し、予め設定された所定の角度で順次変えながら前記受信レベル検出手段による受信レベルを比較することにより、受信レベルの高くなる方向を求めて設定するものであることを特徴とする請求項1記載の無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システム。
  4. 前記方向調整手段は、操作駆動機構を有し、前記地上の監視装置からの制御信号により駆動されるものであることを特徴とする請求項1記載の無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システム。
  5. 前記切羽付近上方に取り付けられるアンテナは、架台の上部に取り付けたものであることを特徴とする請求項1記載の無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システム。
  6. 前記架台は、換気架台であることを特徴とする請求項5記載の無線伝送装置を用いたトンネル施工管理システム。
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