JP5384890B2 - 土中位置誘導方法および土中位置誘導システム - Google Patents

Description

本発明は、土中で目的位置に照準を合わせ、シールドマシン等の掘進機を誘導する方法およびシステムに関するものである。

建設工事では、土中に構造物（地下鉄、駅舎、上下水道、ガス・電力の管路洞道など）を構築する場合が多い。これらの施工では、地上の基準点から測量を繰り返し、地下の構築物の位置出しを行なう方法が一般的である。また、トンネルのような坑口からの距離が長い構築物の場合には、測量の累積誤差が懸念されるため、地上からトンネルに対してチェックボーリングを行ない、このボーリング孔から直接測量を行なう事で、トンネル位置を確認する方法がとられている。

しかし、チェックボーリング等は作業に手間と時間を要するものであり、頻繁に行なえる作業ではない。これに対し、シールドマシンなどの掘削機は常時掘削進行しているため、チェックの頻度が少ないと大きな方向修正が生じる可能性もある。そのため、シールドマシン等の操作・運転にあたっては、リアルタイムにターゲットとの方向ズレを知ることができる方法が望まれていた。

近年、ＧＰＳ（Global
Positioning System）を用いたカーナビゲーションは広く利用されてきている。このカーナビゲーションとは、人工衛星から発した電波を利用して車両に搭載されている受信器の位置を解析し、求められた緯度・経度情報と地図とを照らしあわせ、受信器の現在地および向かうべき方向などを画像や音声などでドライバーに指示するものである。しかし、土中（特に地下水位以下）では電波はすぐに減衰してしまうため、ＧＰＳを利用することができず、土中でのナビゲーションは現状では存在していない。

次に、土中で伝播するものとしては音波や弾性波があげられ、これを利用した技術としては、
・地震波による震源の解析
・弾性波による地盤探査（密度など）
・ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）による亀裂、破壊の監視
・ＴＳＰ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）による断層や滞水層などの前方探査
・音波による透水トモグラフィ（地質分布などの探査）
など地盤や土質性状探査での例があげられるが、土中でのナビゲーションに類するものは存在しない。

また、シールドマシンの位置ずれ量および角度ずれ量に基づいて、シールドマシンの進行方向を自動的に制御する方法は、例えば特許文献１、２に開示されている。
特開平６−８１５７９号公報 特開平４−２０９２９１号公報

しかしながら、特許文献１、２にはシールドマシンの進行方向を自動制御する技術が記載されているのみであり、オペレータがリアルタイムにシールドマシンの位置や進行方向、向かうべき方向を把握することはできない。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、シールドマシン等の掘進機を土中で到達目標に誘導する土中位置誘導方法および土中位置誘導システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る土中位置誘導方法は、土中を移動する掘進機を到達目標の方向へ誘導する土中位置誘導方法であって、前記掘進機には音波の発信器が一カ所にのみ取り付けられ、且つ前記到達目標には前記音波の受信器が少なくとも３ヶ所以上取り付けられており、進行方向算出手段が前記掘進機の進行方向を算出する進行方向算出工程と、相対位置算出手段が前記発信器と前記受信器との間の音波の送受信により前記掘進機の前記到達目標に対する相対位置を算出する相対位置算出工程と、座標系変換手段が前記相対位置算出工程において算出された相対位置を、前記到達目標を中心とした座標系での位置に変換する座標系変換工程と、誘導データ作成手段が前記座標系変換工程において変換した座標系での前記掘進機の位置及び進行方向に基づいて、前記掘進機を到達目標の方向へ誘導するための誘導データを作成する誘導データ作成工程と、誘導指示画面作成手段が前記相対位置と前記進行方向と前記誘導データの内容とを表示するための誘導指示画面を作成する誘導指示画面作成工程とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る土中位置誘導システムは、土中を移動する掘進機を到達目標の方向へ誘導する土中位置誘導システムであって、前記掘進機には音波の発信器が一カ所にのみ取り付けられ、且つ前記到達目標には前記音波の受信器が少なくとも３ヶ所以上取り付けられており、前記掘進機の進行方向を算出する進行方向算出手段と、前記掘進機の前記到達目標に対する相対位置を前記発信器と前記受信器との間の音波の送受信により算出する相対位置算出手段と、前記相対位置算出手段により算出された相対位置を、前記到達目標を中心とした座標系での位置に変換する座標系変換手段と、前記座標系変換手段により変換した座標系での前記掘進機の位置及び進行方向に基づいて、前記掘進機を到達目標の方向へ誘導するための誘導データを作成する誘導データ作成手段と、前記相対位置と前記進行方向と前記誘導データの内容とを表示するための誘導指示画面を作成する誘導指示画面作成手段とを備えたことを特徴とする。

また、前記進行方向算出手段は、方位ジャイロであるものとしてもよい。

また、走行軌跡記録手段が前記掘進機の走行軌跡を記録する走行軌跡記録工程をさらに備え、前記進行方向算出手段は、前記走行軌跡に基づいて前記進行方向を算出するものとしてもよい。

本発明によれば、到達目標に対する相対位置と掘進機の進行方向と誘導データの内容とを表示するための誘導指示画面を作成するため、オペレータに土中での掘進機の相対位置、進行方向、誘導データの内容等を提示することができ、掘進機を土中で到達目標に誘導することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。

本実施形態では、先着機と後着機との２台のシールドマシンによるトンネル掘削を例にあげて説明する。

図１は、本実施形態に係る２台のシールドマシン（先着機１ａ、後着機１ｂ）を模式的に示す斜視図である。本実施形態では、先着機１ａは既にトンネルを掘削して土中で停止状態にあり、後着機１ｂが先着機１ａの方向に土中を掘進して先着機１ａに接合するものとする。

先着機１ａには音波の受信器３０が取り付けられており、また、後着機１ｂには音波の発信器２０が取り付けられている。音波の受信器３０は、先着機１ａのカッターヘッド部分の面板に６ヶ所、先着機１ａのセグメント部分に８ヶ所取り付けられている。また、音波の発信器２０は、後着機１ｂのカッターヘッド部分の面板に１ヶ所取り付けられている。

図２は、後着機１ｂを土中で先着機１ａの方向にナビゲーションするための土中位置誘導システムの機能構成を示すブロック図である。同図に示すように、土中位置誘導システムは、走行軌跡記録手段１１と、進行方向算出手段１２と、相対位置算出手段１３と、座標系変換手段１４と、誘導データ作成手段１５と、誘導指示画面作成手段１６とを備えている。

走行軌跡記録手段１１および相対位置算出手段１３は、発信器２０と、受信器３０と、図示せぬ演算装置とを含んで構成される。演算装置は、例えば、地上の管理室に設置されており、発信器２０、受信器３０等により収集・計測されたデータを無線通信等により受信して演算処理を行う。

図３は、発信器２０と受信器３０とを模式的に示した図である。ここで、土中にて発信器２０と受信器３０との間で音波の送受信を行ない、その到達時間から発信器２０（または受信器３０）の位置を解析する事は可能である。例えば、受信器３０の位置が既知である場合には、下記の手順で発信器２０の位置を解析することができる。
（１）発信器２０から音波を送信して、複数の受信器３０（三次元なら３点以上）での到達時間を測る。
（２）各到達時間を距離に換算する。（距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３＝各到達時間×音速）

この時、音速は、近傍の土中で速度検層を行なうか、または、受信器３０を１つ以上増やし、音速も未知数として解析（最小二乗法など）する事で求められる。
（３）最小二乗法や幾何学的方法により発信器２０の位置を計算する。

このように音波の送受信を行うことにより発信器２０の位置を求める事ができる。また、この方法は音波の送受信のみで良いため、短時間で測定を実施することができる。従って、例えば、発信器２０を取り付けた掘進中のシールドマシンにおいても、シールドマシンの瞬間的な位置をサイクリックに計測・記録する事が可能となり、この記録したデータによりシールドマシンの移動軌跡をリアルタイムに把握する事が可能となる。この原理により、後着機１ｂの移動軌跡すなわち先着機１ａに対する相対的な進行方向を把握することが可能となり、以下に述べるリアルタイムなナビゲーション機能を実現する事が可能となる。

なお、受信器３０の位置は先着機１ａ側の坑内測量によって求めることができ、発信器２０の位置は後着機１ｂ側の坑内測量によって求めることができる。但し、この測量結果は、先着機１ａ側および後着機１ｂ側の両トンネルの各坑口基準点から測量を繰り返しながら求めてきているので、両方とも累積誤差が含まれたものとなっている。

先着機１ａが既に停止状態にあり、後着機１ｂが進行してきて接合する場合に必要とされるのは、両トンネル（先着機１ａ側と後着機１ｂ側）の相対的な位置関係および後着機１ｂの進行方向となる。従って、発信器２０と受信器３０との相対的な位置関係および発信器２０の進行方向が分れば、後着機１ｂ側で方向修正し、正確な位置に誘導することが可能となる。

進行方向算出手段１２は、演算装置で構成され、走行軌跡記録手段１１により記録された後着機１ｂの走行軌跡に基づいて、後着機１ｂの進行方向を算出する。なお、進行方向算出手段１２は、後着機１ｂに取り付けられた方位ジャイロで構成してもよい。

座標系変換手段１４は、演算装置で構成され、発信器２０（後着機１ｂ）の受信器３０（先着機１ａ）に対する相対位置を、到達目標（先着機１ａ）を中心とした座標系での位置に変換する。

誘導データ作成手段１５は、演算装置で構成され、変換した座標系での後着機１ｂの進行軌跡（進行方向および位置）から、後着機１ｂを到達目標の方向へ誘導するための誘導データを作成する。以下、誘導データの作成方法について具体的に説明する。

図４は、先着機１ａに取り付けられている受信器３０のうち３つの受信器３０と、後着機１ｂに取り付けられている１つの発信器２０とを上から見た模式的な位置関係を示す図である。

図４（ａ）には、受信器３０（先着機１ａ）側のトンネル軸Ａ１と、発信器２０（後着機１ｂ）側のトンネル軸（進行方向）Ａ２とが一致した場合を示している。この状態ならば、後着機１ｂの方向修正は必要なく、直進すればよい事になる。しかし、図４（ｂ）では、進行方向Ａ２が発信器２０側から見て右を向いているので、後着機１ｂの向きを徐々に左に戻さねばならない。このように相対的な位置計測の結果は同じでも、ナビゲーションの指示内容は異なってくる。

また、図５（ａ）では、トンネル軸Ａ１，Ａ２の方向は合っているが、トンネル軸Ａ１，Ａ２がずれている場合を示す。この場合には、後着機１ｂを右に振る必要がある。しかし、位置計測結果は同じでも、図５（ｂ）のように後着機１ｂの進行方向Ａ２が右を向いている場合には、後着機１ｂを左に振る必要が生じる。

このように、位置計測結果は同じでも誘導指示は反対になる場合がある。また、土中ではシールドマシンは急な方向変換は出来ないため、進行状況に合わせて徐々に方向を変えていく必要があるが、このような誘導指示を行えばオペレータは先を予測しやすい。

図６には、以上のような発信器２０の受信器３０に対する相対位置と発信器２０の軸方向（進行方向）とから作成される誘導データの対応関係の一例を示す。当該誘導データは、後着機１ｂを左右方向に誘導するための誘導データの例であるが、上下方向についても同様の原理で作成される。

誘導指示画面作成手段１６は、演算装置で構成され、後着機１ｂの相対位置と進行方向と誘導データの内容とを表示装置に表示するための誘導指示画面を作成する。

図７には、表示装置に表示される誘導指示画面の一例を示す。このように、後着機１ｂの位置と進行方向を表示し、進路表示や誘導表示などが視覚的に分りやすいため、軌道修正の違いが起こりにくい。

図８は、土中位置誘導方法の処理フローを示す図である。

ステップＳ１において、走行軌跡記録手段１１は、土中で掘進する後着機１ｂの位置を計測し、走行軌跡として記録する。

ステップＳ２において、進行方向算出手段１２は、現在の後着機１ｂの進行方向を算出する。

ステップＳ３において、相対位置算出手段１３は、土中位置計測を行い、発信器２０と受信器３０との相対位置を算出する。

ステップＳ４において、座標系変換手段１４は、ステップＳ３で算出した相対位置を、到達目標である受信器３０側を中心とした座標系での位置に変換する。

ステップＳ５において、変換した座標系での発信器２０の進行軌跡（進行方向および位置）から、後着機１ｂを先着機１ａ（受信器３０）の方向へ誘導するための誘導データを作成する。

ステップＳ６において、誘導指示画面作成手段１６は、後着機１ｂの先着機１ａに対する相対位置と、後着機１ｂの進行方向と、誘導データの内容とを表示する誘導指示画面を作成し表示装置に表示する。

以上説明したように、誘導指示画面を作成および表示することができるため、オペレータは、チェックボーリングなどの手間をかけずに、土中での後着機１ｂの相対位置、進行方向、適切な誘導方向等をリアルタイムに知ることができ、急な方向修正が出来ない土中で、先を予測しながら後着機１ｂの誘導を行うことができる。また、音波は土中で送受信可能であるため、先着機１ａと後着機１ｂとの相対位置を、音波を用いて容易に計測することができる。

なお、上述した実施形態では、後着機１ｂが停止した先着機１ａに接合するトンネル地中接合の例について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、到達目標となる坑内に受信器３０を設置して、発信器２０が取り付けられたシールドマシンを到達目標に誘導するようにしてもよい。

土中を移動する掘進機のナビゲーションに適用可能である。

本発明の実施形態に係る２台のシールドマシン（先着機、後着機）を模式的に示す斜視図である。 同実施形態に係る土中位置誘導システムの機能構成を示すブロック図である。 同実施形態に係る受信器の位置が既知である場合に、発信器の位置の解析方法を説明するための図である。 同実施形態に係る先着機側と後着機側とのトンネル軸の関係を示す図である。 同実施形態に係る先着機側と後着機側とのトンネル軸の関係を示す図である。 同実施形態に係る誘導データの一例を示す図である。 同実施形態に係る誘導指示画面の一例を示す図である。 同実施形態に係る土中位置誘導方法の処理フローを示す図である。

符号の説明

１ａ 先着機
１ｂ 後着機
１１ 走行軌跡記録手段
１２ 進行方向算出手段
１３ 相対位置算出手段
１４ 座標系変換手段
１５ 誘導データ作成手段
１６ 誘導指示画面作成手段
２０ 発信器
３０ 受信器

Claims (6)

1. 土中を移動する掘進機を到達目標の方向へ誘導する土中位置誘導方法であって、
   前記掘進機には音波の発信器が一カ所にのみ取り付けられ、且つ前記到達目標には前記音波の受信器が少なくとも３ヶ所以上取り付けられており、
   進行方向算出手段が前記掘進機の進行方向を算出する進行方向算出工程と、
   相対位置算出手段が前記発信器と前記受信器との間の音波の送受信により前記掘進機の前記到達目標に対する相対位置を算出する相対位置算出工程と、
   座標系変換手段が前記相対位置算出工程において算出された相対位置を、前記到達目標を中心とした座標系での位置に変換する座標系変換工程と、
   誘導データ作成手段が前記座標系変換工程において変換した座標系での前記掘進機の位置及び進行方向に基づいて、前記掘進機を到達目標の方向へ誘導するための誘導データを作成する誘導データ作成工程と、
   誘導指示画面作成手段が前記相対位置と前記進行方向と前記誘導データの内容とを表示するための誘導指示画面を作成する誘導指示画面作成工程と
   を備えたことを特徴とする土中位置誘導方法。
2. 前記進行方向算出手段は、方位ジャイロであることを特徴とする請求項１に記載の土中位置誘導方法。
3. 走行軌跡記録手段が前記掘進機の走行軌跡を記録する走行軌跡記録工程をさらに備え、
   前記相対位置算出工程において、前記進行方向算出手段は前記走行軌跡に基づいて前記進行方向を算出することを特徴とする請求項１に記載の土中位置誘導方法。
4. 土中を移動する掘進機を到達目標の方向へ誘導する土中位置誘導システムであって、
   前記掘進機には音波の発信器が一カ所にのみ取り付けられ、且つ前記到達目標には前記音波の受信器が少なくとも３ヶ所以上取り付けられており、
   前記掘進機の進行方向を算出する進行方向算出手段と、
   前記掘進機の前記到達目標に対する相対位置を前記発信器と前記受信器との間の音波の送受信により算出する相対位置算出手段と、
   前記相対位置算出手段により算出された相対位置を、前記到達目標を中心とした座標系での位置に変換する座標系変換手段と、
   前記座標系変換手段により変換した座標系での前記掘進機の位置及び進行方向に基づいて、前記掘進機を到達目標の方向へ誘導するための誘導データを作成する誘導データ作成手段と、
   前記相対位置と前記進行方向と前記誘導データの内容とを表示するための誘導指示画面を作成する誘導指示画面作成手段と
   を備えたことを特徴とする土中位置誘導システム。
5. 前記進行方向算出手段は、方位ジャイロであることを特徴とする請求項４に記載の土中位置誘導システム。
6. 前記掘進機の走行軌跡を記録する走行軌跡記録手段をさらに備え、
   前記進行方向算出手段は前記走行軌跡に基づいて前記進行方向を算出することを特徴とする請求項４に記載の土中位置誘導システム。

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