JP5686878B2 - テールクリアランスを特定するための装置、方法、プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

テールクリアランスを特定するための装置、方法、プログラムおよび記録媒体 Download PDF

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Description

本発明は、シールド掘進機を用いたトンネルの掘削作業においてテールクリアランスを特定するための技術に関する。
シールド掘削機を用いたトンネルの掘削作業において、スキンプレートの内側面と、掘削したトンネルの表面を被覆するようにリング状に組み立てられたセグメントの外側面との間の距離であるテールクリアランスを適正に確保することは、掘削作業におけるスキンプレートとセグメントとの干渉によるスキンプレートの損傷やセグメントの欠損等の不都合を回避するために必要不可欠である。
テールクリアランスを特定するための方法として、まず手動でテールクリアランスを計測する方法がある。手動による計測は計測作業に手間を要し、特に複数箇所のテールクリアランスを特定したい場合、その手間が計測箇所の数に応じて増大する。また、特に、シールド掘進機の断面が数メートル〜数十メートルといった大断面である場合、計測作業が高所作業となり危険であるとともに、足場の設置等の手間も要する。
そのため、テールクリアランスを自動的に計測する仕組みが提案されている。テールクリアランスを自動的に計測する仕組みの多くは、接触型と非接触型のいずれかに分類される。接触型のテールクリアランスの計測方法においては、スキンプレートの内側面とセグメントの外側面の各々に対し接触子を押し付け、接触子間の距離等を計測することによりテールクリアランスが特定される。例えば、特許文献１には、スキンプレートの内側部に、スキンプレートの円周方向に所定間隔おきに複数の接触式変位計を配置し、掘削作業中においてもそれらの複数の箇所におけるテールクリアランスをリアルタイムに自動計測可能とする仕組みが開示されている。
接触型のテールクリアランスの計測方法による場合、接触子の物理的な破損等の故障を生じやすい。また、少なくとも計測時に接触子がセグメント等に接触する必要があるため、接触子をセグメント等に押し付けるためのエアー配管や、計測装置に接続される電源ケーブル、信号ケーブル等を、ジャッキストロークが最長となった状態を考慮して十分に長く確保する必要がある。これらの配管やケーブルは掘削作業中に引っかけや切断等の事故を招きやすい。
これに対し、非接触型のテールクリアランスの計測方法においては、超音波やレーザーを用いた距離計によりスキンプレートとセグメントの間の距離が計測される。非接触型の計測装置はセグメント等に接触する接触子を持たないため、物理的な故障が生じにくい、というメリットがある。しかしながら、非接触型であっても、距離計がスキンプレートとセグメントの間に配置される計測方法においては、電源ケーブルや信号ケーブル等を長く確保する必要があり、事故を招きやすい点は接触型と同様である。また、距離計に切羽の洗浄水や掘削泥土等がかかって汚れると容易に機能不能に陥る場合もある。
上記の問題を解消すべく、テールクリアランスの計測装置をスキンプレートとセグメントの間の空間の外に配置する非接触型の計測方法が提案されている。
例えば、特許文献２には、組み立てたセグメントの端面に向かってレーザーのスリット光を投光するレーザースリット投光器と、レーザースリット光が照射されるセグメントの端面付近を撮影するＣＣＤカメラとをスキンプレートの内面に設け、レーザースリット光が照射されたセグメント端面付近をＣＣＤカメラで撮影して得られた画像をコンピュータにより処理することによりセグメント端面位置を特定し、セグメント端面位置と、ジャッキストロークに応じて算定されるスキンプレートの位置との差をテールクリアランス値として算出する仕組みが開示されている。
特開平５−７９２７９号公報 特開平８−８６６１８号公報
特許文献２に開示の仕組みによれば、計測装置がスキンプレートとセグメントの間の空間の外に配置されるため、そのメインテナンスが容易である。また、計測装置がテールクリアランスの内面の定位置に設置されるため、電源ケーブルや信号ケーブルを固定配線とすることができ、これらのケーブルによる事故も生じにくい。
しかしながら、特許文献２に開示の仕組みにおいては、計測装置としてレーザースリット投光器とＣＣＤカメラを備える専用の計測装置が用いられるため、コスト高となる。
上記の事情に鑑み、本発明は、メインテナンスが容易でケーブル等による事故も生じにくいテールクリアランスの計測の仕組みを低コストで実現する手段を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明は、シールド掘進機の前後方向に垂直な平面であって前記シールド掘進機のスキンプレートと一体で移動する平面の上に設けられた第１の座標系における撮影点の座標を示す座標データを取得する座標取得手段と、前記第１の座標系における、前記シールド掘進機により掘削されたトンネルの被覆に用いられるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離を示す距離データを取得する距離取得手段と、前記座標データが示す前記撮影点から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された画像データを取得する画像取得手段と、前記画像取得手段により取得された画像データが表わす画像の表示面上に設けられた第２の座標系における当該画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線上のいずれかの点である外側端点と前記撮影点との間の距離と、前記第２の座標系における前記撮影点から前記外側端点への方向と、前記第２の座標系における当該画像に示されるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離と、前記距離取得手段により取得された前記距離データが示す距離とに基づき、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定する座標特定手段とを備えるテールクリアランスを特定するための装置を第１の態様として提案する。
また、本発明は、上記の第１の態様において、前記座標取得手段は、前記第１の座標系における３以上の撮影点の座標を各々示す３以上の座標データを取得し、前記画像取得手段は、前記３以上の座標データが示す前記３以上の撮影点の各々から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された３以上の画像データを取得し、前記座標特定手段は、前記３以上の撮影点の各々に関し、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定し、前記第１の座標系における、前記シールド掘進機のスキンプレートの内側面が示す図形を示す図形データを取得する図形取得手段と、前記座標特定手段により前記３以上の撮影点の各々に関し特定された座標に基づき、前記第１の座標系において、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面の外縁が示す図形を特定する図形特定手段と、前記第１の座標系における、前記図形データが示す図形の上のいずれかの点と前記図形特定手段により特定された図形の上のいずれかの点との間の距離をテールクリアランスとして算出する距離算出手段とを備える、という構成を第２の態様として提案する。
また、本発明は、上記の第２の態様において、前記図形特定手段は、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面の外縁が示す図形として円を特定する、という構成を第３の態様として提案する。
また、本発明は、上記の第２の態様において、前記図形特定手段は、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面の外縁が示す図形として、前記座標特定手段により前記３以上の撮影点の各々に関し特定された座標の点を全て通る図形を特定する、という構成を第４の態様として提案する。
また、本発明は、上記の第１乃至第４のいずれかの態様において、前記座標特定手段は、前記画像取得手段により取得された画像データが表わす画像に示されるセグメントの前方端面上の前記２つの特徴点を画像認識により特定し、当該特定した２つの特徴点間の距離を特定し、
前記座標特定手段は、前記画像取得手段により取得された画像データが表わす画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線である外側境界線を画像認識により特定し、当該特定した外側境界線上のいずれかの点を前記外側端点として特定する、という構成を第５の態様として提案する。
また、本発明は、上記の第１乃至第５のいずれかの態様において、前記３以上の画像データを無線通信により受信する無線受信手段を備え、前記画像取得手段は前記無線受信手段により受信された前記３以上の画像データを取得する、という構成を第６の態様として提案する。
また、本発明は、上記の第２の態様において、前記シールド掘進機の前後方向に垂直な平面と、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面に沿った平面との位置関係を特定する位置関係特定手段を備え、前記図形特定手段は、前記位置関係特定手段により特定された位置関係に基づき、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面の外縁が示す図形を特定する、という構成を第７の態様として提案する。
また、本発明は、上記の第７の態様において、前記位置関係特定手段は、前記画像取得手段により取得された画像データが表わす画像に示されるセグメントの前方端面上の３以上の特徴点を通る図形を画像認識により特定し、当該特定した図形の形状に基づき前記位置関係を特定する、という構成を第８の態様として提案する。
また、本発明は、シールド掘進機の前後方向に垂直な平面であって前記シールド掘進機のスキンプレートと一体で移動する平面の上に設けられた第１の座標系における撮影点の座標を取得するステップと、前記第１の座標系における、前記シールド掘進機により掘削されたトンネルの被覆に用いられるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離を取得するステップと、前記座標が示す前記撮影点から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された画像を取得するステップと、前記画像を取得するステップにおいて取得した画像の表示面上に設けられた第２の座標系における当該画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線上のいずれかの点である外側端点と前記撮影点との間の距離と、前記第２の座標系における前記撮影点から前記外側端点への方向と、前記第２の座標系における当該画像に示されるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離と、前記距離を取得するステップにおいて取得した距離とに基づき、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定するステップとを備えるテールクリアランスを特定するための方法を第９の態様として提案する。
また、本発明は、上記の第９の態様において、前記撮影点の座標に応じた位置に撮影装置を配置するステップと、前記撮影点の座標に応じた位置から見て後方の前記スキンプレート上の位置に予め定められた形状および大きさの光軸合わせ用器具を配置するステップと、前記撮影装置を配置するステップにおいて配置された撮影装置の撮影領域の基準点を、当該撮影領域内に見える前記光軸合わせ用器具を配置するステップにおいて配置された光軸合わせ用器具の基準点と一致させるように前記撮影装置の光軸の方向を調整するステップとを備える、という構成を第１０の態様として提案する。
また、本発明は、コンピュータに、シールド掘進機の前後方向に垂直な平面であって前記シールド掘進機のスキンプレートと一体で移動する平面の上に設けられた第１の座標系における撮影点の座標を各々示す座標データを取得する処理と、前記第１の座標系における、前記シールド掘進機により掘削されたトンネルの被覆に用いられるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離を示す距離データを取得する処理と、前記座標データが示す前記撮影点から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された画像データを取得する処理と、前記画像データを取得する処理において取得された画像データが表わす画像の表示面上に設けられた第２の座標系における当該画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線上のいずれかの点である外側端点と前記撮影点との間の距離と、前記第２の座標系における前記撮影点から前記外側端点への方向と、前記第２の座標系における当該画像に示されるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離と、前記距離データを取得する処理において取得された距離データが示す距離とに基づき、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定する処理とを実行させるためのプログラムを第１１の態様として提案する。
また、本発明は、コンピュータに、シールド掘進機の前後方向に垂直な平面であって前記シールド掘進機のスキンプレートと一体で移動する平面の上に設けられた第１の座標系における撮影点の座標を各々示す座標データを取得する処理と、前記第１の座標系における、前記シールド掘進機により掘削されたトンネルの被覆に用いられるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離を示す距離データを取得する処理と、前記座標データが示す前記撮影点から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された画像データを取得する処理と、前記画像データを取得する処理において取得された画像データが表わす画像の表示面上に設けられた第２の座標系における当該画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線上のいずれかの点である外側端点と前記撮影点との間の距離と、前記第２の座標系における前記撮影点から前記外側端点への方向と、前記第２の座標系における当該画像に示されるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離と、前記距離データを取得する処理において取得された距離データが示す距離とに基づき、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定する処理とを実行させるためのプログラムを持続的に記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体を第１２の態様として提案する。
本発明によれば、スキンプレートとセグメントと間の空間の外に汎用的な撮影装置を配置することにより、テールクリアランスの特定が可能となる。そのため、本発明によれば、メインテナンスが容易でケーブル等による事故も生じにくいテールクリアランスの計測の仕組みが低コストで実現される。
一実施形態にかかる計測システムの全体構成を示した図である。 一実施形態にかかる端末装置のハードウェアを構成するコンピュータの構成を示した図である。 一実施形態にかかる端末装置の機能構成を示した図である。 一実施形態にかかる撮像装置の配置位置を示した図である。 一実施形態にかかる光軸合わせ用器具を示した図である。 一実施形態にかかる光軸合わせの作業を説明するための図である。 一実施形態にかかる撮像装置の方向の調整においてファインダもしくはモニタに表示される画像を示した図である。 一実施形態にかかる光軸合わせ用器具がスキンプレートに取り付けられた状態を示した図である。 一実施形態にかかる端末装置が行う処理のフローを示した図である。 一実施形態にかかる端末装置が表示するマーカ合わせ用画面を示した図である。 一実施形態にかかる端末装置が表示するカメラ位置補正画面を示した図である。 一実施形態にかかる端末装置が表示するマーカ合わせ用画面を示した図である。 一実施形態にかかる端末装置が表示するテールクリアランス表示画面を示した図である。 一変形例にかかる端末装置が図形を特定する方法を説明するための図である。 直進しないシールド掘進機とセグメントの位置関係を例示した図である。 一変形例にかかる端末装置の機能構成を示した図である。 一変形例にかかる端末装置が表示するテールクリアランス表示画面を示した図である。 一変形例にかかる端末装置が表示するテールクリアランス表示画面を示した図である。
［実施形態］
以下に、本発明の一実施形態にかかる計測システム１について図面を参照しつつ説明する。
図１は、計測システム１の全体構成を模式的に示した図である。計測システム１は、シールド掘進機１１と、シールド掘進機１１に取り付けられた３台の撮像装置１２（図１では１台のみ図示）と、撮像装置１２の各々をシールド掘進機１１に取り付けるための取付台１３（図１において図示略）と、複数の端末装置１４（図１では、例として、端末装置１４−１〜３の３台を図示）と、撮像装置１２から無線により送信されるデータを端末装置１４に転送する中継装置１５を備えている。
シールド掘進機１１は、前方端面に配置されたカッターヘッドにより地盤を掘り進む全体として円柱形状のシールド掘進機本体１１１と、シールド掘進機本体１１１から後方に延伸し既設のセグメント９にスプレッダを押し付けながら伸張することによりシールド掘進機本体１１１を前方に移動させる複数本のシールドジャッキ１１２（図１では２本のみ図示）と、セグメント９による被覆前に掘削面から土が崩れ落ちないように支えるためにシールド掘進機本体１１１の外側面から後方に延伸するように設けられた円筒形の金属プレートであるスキンプレート１１３を備えている。
なお、撮像装置１２は取付台１３を介して、シールド掘進機本体１１１が備えるリングガータ１１１１に取り付けられている。また、シールド掘進機本体１１１にはシールド掘進機１１のローリング値（軸周りの回転角度）を計測するための傾斜計（図示略）が設置されている。当該傾斜計は無線通信装置に接続されており、傾斜計により計測されたローリング値を示すデータは、例えば所定時間間隔毎に当該無線通信装置および中継装置１５経由で端末装置１４に送信される。
また、本願において、「前方」という場合、シールド掘進機１１の掘進の方向（図１において矢印Ｆが示す方向）を意味し、「後方」という場合、シールド掘進機１１の掘進の方向と逆の方向（図１において矢印Ｂが示す方向）を意味する。
端末装置１４のハードウェア構成は一般的なコンピュータである。図２は、端末装置１４のハードウェアを構成するコンピュータ１０の構成を示した図である。コンピュータ１０は、プログラムその他のデータを記憶するメモリ１０１と、メモリ１０１に記憶されているプログラムに従った各種データ処理を行うプロセッサ１０２と、ディスプレイやキーボード、タッチパネル等の入出力装置との間でデータの入出力を行う入出力Ｉ／Ｆ（Interface）１０３と、無線または有線により他の装置との間でデータ通信を行う通信Ｉ／Ｆ１０４を備えている。なお、メモリ１０１、プロセッサ１０２、入出力Ｉ／Ｆ１０３、通信Ｉ／Ｆ１０４はバス１０９を介して互いにデータの受け渡しを行う。
メモリ１０１には、予め、３台の撮像装置１２の各々の位置を示す座標データと、セグメント９の厚さ（セグメント９の外側端点と当該外側端点に最も近いセグメント９の内側端点との間の距離）を示す距離データと、スキンプレート１１３を後方に見たときのスキンプレート１１３の内側面が示す円を示す図形データが記憶されている。撮像装置１２の位置を示す座標データは、ユーザが端末装置１４に登録した設計上の位置を示す座標データを、端末装置１４が実際の位置を示すように補正したものである。なお、端末装置１４による座標データの補正処理については後述する。また、セグメント９の厚さを示す距離データとスキンプレート１１３の内側面が示す円を示す図形データは、設計値もしくはユーザが実測により得た値を示すデータを、端末装置１４に登録したものである。なお、スキンプレート１１３の内側面が示す円を示す図形データは、例えば当該円の中心点の座標および半径の長さを示すデータである。
なお、端末装置１４は、入出力Ｉ／Ｆ１０３に接続されるディスプレイ、キーボード、タッチパネル等の入出力装置を内蔵していてもよい。例えば、図１に例示の端末装置１４−１にはタッチディスプレイが内蔵されたタブレット型のコンピュータが用いられ、端末装置１４−２にはディスプレイとキーボードが内蔵されたノート型のコンピュータが用いられ、端末装置１４−３にはディスプレイとキーボードが外付けされたデスクトップ型のコンピュータが用いられている。
端末装置１４−１は、例えば切羽計測員が用いる端末装置であり、端末装置１４−２は、例えばシールド掘進機１１のオペレータが用いる端末装置である。端末装置１４−１および端末装置１４−２は、無線により中継装置１５を介して撮像装置１２および他の端末装置１４との間でデータの送受信を行う。また、端末装置１４−３は、例えば現場事務所等に配置され、データの管理等に用いられる端末装置であり、有線により中継装置１５に接続され、中継装置１５を介して撮像装置１２および他の端末装置１４との間でデータの送受信を行う。
端末装置１４は本実施形態にかかるアプリケーションプログラムに従う処理を行うことにより、図３に示す構成部を備える装置として機能する。すなわち、端末装置１４は機能構成部として、まず、３台の撮像装置１２の各々の位置を示す座標データをメモリ１０１から読み出して取得する座標取得手段１４１と、セグメント９の厚さを示す距離データをメモリ１０１から読み出して取得する距離取得手段１４２と、撮像装置１２により撮像された画像を表わす画像データを無線により受信する無線受信手段１４３と、無線受信手段１４３から画像データを取得する画像取得手段１４４を備える。
また、端末装置１４は、座標取得手段１４１により取得された座標データ、距離取得手段１４２により取得された距離データ、画像取得手段１４４により取得された画像データを用いて、セグメント９の外側端点の座標を特定する座標特定手段１４５と、座標特定手段１４５により特定された座標に基づき、セグメント９の前方端面の外縁が示す図形を特定する図形特定手段１４６を備える。
さらに、端末装置１４は、スキンプレート１１３を後方に見たときのスキンプレート１１３の内側面が示す図形を示す図形データをメモリ１０１から読み出して取得する図形取得手段１４７と、図形特定手段１４６により特定された図形上の点と図形取得手段１４７により取得された図形データが示す図形上の点との間の距離をテールクリアランスとして算出する距離算出手段１４８を備える。
端末装置１４−１〜端末装置１４−３は、各々、図３に示す機能構成部を備える装置として機能することができる。従って、端末装置１４−１〜端末装置１４−３の各々が個別に後述する端末装置１４が行う処理の全てを行うことができる。ただし、端末装置１４−１〜端末装置１４−３の各々が互いに自装置において生成したデータを他装置に送信することにより、異なる端末装置１４において同じ処理が重複して行われる無駄を省く構成が採用されてもよい。その場合、例えば、撮像装置１２の位置を示す座標データの補正に伴う処理（後述）は端末装置１４−１が行い、セグメント９の前方端面の外縁が示す図形の特定に伴う処理（後述）は端末装置１４−３が行い、テールクリアランスの算出および表示に伴う処理（後述）は端末装置１４−１〜端末装置１４−３の各々が行う、といった具合に、端末装置１４のいずれがいずれの処理を担当してもよい。従って、以下、端末装置１４−１〜端末装置１４−３の各々を区別することなく、端末装置１４として説明する。
上述したように、計測システム１においては３台の撮像装置１２がシールド掘進機本体１１１のリングガータ１１１１に取り付けられている。図４は、スキンプレート１１３の中から前方に向かいシールド掘進機本体１１１を見た場合の撮像装置１２（撮像装置１２−１〜３）の配置位置を示した図である。図４に示されるように、撮像装置１２−１〜３はいずれも、シールド掘進機本体１１１から後方に向かい撮像を行うように設置されている。
撮像装置１２はシールド掘進機１１に固定されているため、シールド掘進機１１がローリングしたり、掘進の方向に応じて傾斜したりしても、スキンプレート１１３との位置関係は保持される。
計測システム１においては、撮像装置１２の位置を用いてテールクリアランスを算出する。撮像装置１２の位置は、シールド掘進機１１の前後方向、すなわち、シールド掘進機１１の形状である円柱の軸の方向と垂直で、シールド掘進機１１と一体で移動（すなわち、スキンプレート１１３と一体で移動）する平面上に設けられる座標系（第１の座標系の一例、以下、「Ｍ座標系」という）により特定される。
本実施形態において、Ｍ座標系の原点は、図４に示される点MＯ（以下、「原点MＯ」という）、すなわちシールド掘進機１１の軸の位置である。また、Ｍ座標系のＸ軸はシールド掘進機１１のローリングがない状態における鉛直方向（上方向が正）であり、Ｍ座標系のＹ軸はシールド掘進機１１のローリングがない状態における水平方向（前方に向かって右方向が正）である。
図４に示される撮像装置１２−１〜３の位置は、それらの設計上の設置位置である。以下、Ｍ座標系における撮像装置１２−１〜３の設計上の光軸（すなわちレンズの中心）の位置を、各々、点MＣ1（MＸC1，MＹC1）、点MＣ2（MＸC2，MＹC2）、点MＣ3（MＸC3，MＹC3）とする。また、Ｍ座標系におけるＸ軸正方向を基準とした点MＣ1、点MＣ2、点MＣ3の、原点MＯを中心とする時計回りの角度を各々、角度MＡ1、角度MＡ2、角度MＡ3とする。なお、図４の例では、撮像装置１２−１は天頂部に配置されており、MＹC1＝０、MＡ1＝０°である。また、図４の例では、撮像装置１２−２は撮像装置１２−１から１２０°、撮像装置１２−３は撮像装置１２−２から１２０°の位置に配置されており、MＡ2＝１２０°、MＡ3＝２４０°である。
例えばシールド掘進機１１のオペレータ等のユーザは、撮像装置１２−１〜３の設計上の設置位置である点MＣ1（MＸC1，MＹC1）、点MＣ2（MＸC2，MＹC2）、点MＣ3（MＸC3，MＹC3）を端末装置１４に登録する。その結果、端末装置１４のメモリ１０１には、これらの座標を示す座標データが記憶される。ユーザにより登録されるこれらの座標はあくまで設計上の配置位置の座標であり、製作誤差等により、必ずしも撮像装置１２−１〜３の実際の位置を示すとは限らない。そのため、本実施形態においては、後述する補正処理により、これらの座標データの補正が行われる。
また、計測システム１においては、テールクリアランスの算出において、撮像装置１２−１〜３の各々により撮像された画像における座標系であるＳ座標系（後述）の座標をＭ座標系の座標に変換する処理が行われる。仮にＳ座標系とＭ座標系の位置関係がシールドジャッキ１１２のストローク長に応じて変化すれば、この座標の変換を行うために、ストローク長を計測する必要が生じる。しかしながら、撮像装置１２−１〜３の光軸がシールド掘進機１１の軸と平行であれば、シールドジャッキ１１２のストローク長が変化してもＳ座標系とＭ座標系の位置関係は変化しない。従って、計測システム１においては、事前準備として撮像装置１２−１〜３の光軸がシールド掘進機１１の軸と平行となるように撮像装置１２−１〜３の方向を調整する作業（以下、「光軸合わせ」をいう）を行うことにより、シールドジャッキ１１２のストローク長の計測を要することなく、テールクリアランスの算出が行われる。
以下に、計測システム１の利用に先立ちユーザ（切羽計測員、オペレータ等）が行う光軸合わせの作業を説明する。なお、撮像装置１２−１〜３の光軸合わせの作業はいずれも同様であるため、以下、撮像装置１２−１〜３を区別しない場合は、単に「撮像装置１２」という。
本実施形態においては、光軸合わせの作業において、図５に示す構造の光軸合わせ用器具２を用いる。なお、図５（ａ）〜（ｃ）は各々、光軸合わせ用器具２の側面図、正面図、背面図である。
光軸合わせ用器具２は、磁石を有してスキンプレート１１３に磁力により固着する板状の部材である台座２１と、台座２１から図５における上方に延伸する細長い枠状の部材である支柱２２と、支柱２２に固定され支柱２２に対向しない側の面にチェック模様の描かれた板状の部材である視準板２３と、支柱２２に視準板２３を固定するための固定ナット２４を備えている。ユーザは、固定ナット２４を緩めて視準板２３を上下方向に移動させた後に固定ナット２４を締めることにより、視準板２３の上下方向の位置を調整することができる。
なお、台座２１の前方側面および後方側面には、台座２１のセンターライン（中心線）を示すマークが印されている。また、視準板２３の上下方向の長さは、セグメント９の厚さＴ（セグメント９の外側面と内側面の間の距離）と同じ長さとなっている。また、以下、視準板２３の上下をいう場合、鉛直方向とは無関係に、支柱２２の長手方向の台座２１に近づく方向を下方向、台座２１から遠ざかる方向を上方向とする。
図６は、光軸合わせの作業を説明するための図である。光軸合わせの作業を容易にするために、スキンプレート１１３の内側面上には、図６（ａ）に示すガイド線Ｎが、例えばシールド掘進機１１の製作時等に予め罫書かれている。ガイド線Ｎは、撮像装置１２−１〜３の各々に関し、シールド掘進機１１の軸から見て、撮像装置１２の設計上の光軸をスキンプレート１１３の内側面上に投影した線であり、シールド掘進機１１の軸と平行である。
ユーザは、まず、図５（ｂ）に示されるように、台座２１の底面から視準板２３の中心までの高さ方向の距離が距離Ｇとなるように、定規等を用いて視準板２３の上下方向の位置を調整する。この距離Ｇは、図６（ｂ）に示されるように、スキンプレート１１３の内側面から、設計上の配置位置に配置された撮像装置１２の光軸までの距離である。
続いて、ユーザは、光軸合わせ用器具２の視準板２３のチェック模様が前方を向くように、台座２１をスキンプレート１１３に取り付ける。その際、ユーザは台座２１のセンターラインを示すマークをガイド線Ｎの上に合わせる。その結果、視準板２３が正確に前方に向くとともに、光軸合わせ用器具２の左右方向の中心がガイド線Ｎ上となる。なお、光軸合わせに際して、撮像装置１２と光軸合わせ用器具２との間の距離は可能な限り長い方が望ましい。従って、既設のセグメント９がある場合、ユーザはシールドジャッキ１１２を最大に伸長させた状態で、光軸合わせ用器具２をセグメント９の前方端面に近い位置に取り付けることが望ましい。
続いて、ユーザは、リングガータ１１１１の設計位置に配置されている取付台１３が有する雲台（図示略）に撮像装置１２を取り付ける。
続いて、ユーザは、取付台１３に取り付けた撮像装置１２のファインダもしくはモニタに表示される画像を見ながら、光軸位置を示す十字マークの交点が視準板２３の中心に一致するように、取付台１３の雲台を操作して撮像装置１２の方向を調整する。図７は、撮像装置１２の方向の調整の前（図７（ａ））および後（図７（ｂ））において、撮像装置１２のファインダもしくはモニタに表示される画像を示した図である。この撮像装置１２の方向調整により、撮像装置１２の光軸がシールド掘進機１１の軸と平行となるとともに、撮像装置１２により撮影される画像の中心を通る上下方向の直線がＭ座標系の原点MＯを通るようになる。
以上が、光軸合わせの作業の説明である。続いて、ユーザは、座標データの補正処理を端末装置１４に行わせる。この補正処理は、ユーザが端末装置１４に登録した撮像装置１２の設計上の位置を示す座標データを、実際の撮像装置１２の位置を示す座標データに補正する処理である。
ユーザは、端末装置１４に座標データの補正処理を指示する前に、次に述べる準備作業を行う。まず、ユーザは、光軸合わせ用器具２の視準板２３の上下方向の位置を、台座２１の底面から視準板２３の下端までの高さ方向の距離が距離Ｃとなるように、定規等を用いて調整する。この距離Ｃは、テールクリアランスが全方向において均一である理想状態の場合、すなわち、正しく組み立てられた既設のセグメント９の前方端面の外縁が示す円の中心とシールド掘進機１１の軸が一致する場合における、設計上のテールクリアランスである。ユーザは、上記のように視準板２３の位置調整を行った光軸合わせ用器具２を３つ準備し、それらをスキンプレート１１３の撮像装置１２−１〜３の各々に応じたガイド線Ｎ上に取り付ける。
図８は、台座２１の底面から視準板２３の下端までの高さ方向の距離が距離Ｃとなるように調整された光軸合わせ用器具２の１つがスキンプレート１１３に取り付けられた状態を示した図である。ただし、図８に示すセグメント９は実際に既設されているセグメント９ではなく、上述した理想状態における仮想的なセグメント９の位置を示している。既述のように、視準板２３の上下方向の長さは、セグメント９の厚さＴと同じ長さとなっている。従って、図８に示されるように、視準板２３の位置は理想状態におけるセグメント９の位置を見立てたものとなる。
ユーザは、上記の準備作業を終えると、端末装置１４に対し所定の操作を行い、座標データの補正処理を指示する。この指示に応じて、端末装置４は座標データの補正処理を開始する。図９は、端末装置１４が行う座標データの補正処理（一部、ユーザが行う操作を含む）のフローを示した図である。
まず、端末装置１４は撮像装置１２−１〜３の各々に対し、撮像処理を指示する指示データを送信する。撮像装置１２−１〜３は端末装置１４から送信されてくる指示データを受信すると、当該指示データに従って撮像処理を行い、撮像した画像を表わす画像データを端末装置１４に送信する。端末装置１４の無線受信手段１４３は、撮像装置１２−１〜３から送信されてくる画像データを受信する（ステップＳ１０１）。
無線受信手段１４３は、撮像装置１２から送信されてくる画像データを受信すると、受信した画像データを画像取得手段１４４に引き渡す。画像取得手段１４４は無線受信手段１４３から取得した画像データを座標特定手段１４５に引き渡す。座標特定手段１４５は、画像取得手段１４４から画像データを受け取ると、座標取得手段１４１に撮像装置１２の設計上の位置を示す座標データを、また、距離取得手段１４２にセグメント９の厚さを示す距離データを要求する。この要求に応じて、座標取得手段１４１はメモリ１０１から座標データを読み出し座標特定手段１４５に引き渡し、距離取得手段１４２はメモリ１０１から距離データを読み出し座標特定手段１４５に引き渡す（ステップＳ１０２）。
続いて、端末装置１４は撮像装置１２から受信した画像データを用いて、理想状態におけるセグメント９の前方端面の外縁上の点（以下、「セグメント９の外縁点」という）のＭ座標系における座標を特定するためのマーカ合わせ用画面を表示する（ステップＳ１０３）。図１０は、撮像装置１２−１から受信した画像データを用いて端末装置１４が表示するマーカ合わせ用画面を例示した図である。なお、図１０（ａ）はマーカ合わせが行われる前のマーカ合わせ用画面を示し、図１０（ｂ）はマーカ合わせが行われた後のマーカ合わせ用画面を示している。
撮像装置１２により生成される画像データが表わす画像上の位置は、Ｍ座標系とは異なるＳ座標系（第２の座標系の一例）における座標により特定される。以下、撮像装置１２−１〜３により生成される画像データが表わす画像の各々に関し設けられるＳ座標系を区別する場合、それらをＳ1座標系、Ｓ2座標系、Ｓ3座標系という。
Ｓ座標系の原点は、画像の中心点（対角線の交点）である。また、Ｓ座標系のＸ軸は画像の上下方向（上方向が正）であり、Ｓ座標系のＹ軸は画像の左右方向（右方向が正）である。なお、図１０には、画像の位置がＳ座標系により特定されることを示すためにＳ1座標系の原点S1Ｏと、Ｘ軸およびＹ軸が示されているが、実際のマーカ合わせ用画面にはこれらは表示されなくてもよい。また、Ｓ2座標系の原点は点S2Ｏ、Ｓ3座標系の原点は点S3Ｏとなり、それらの座標系においても、Ｘ軸は画像の上下方向（上方向が正）であり、Ｙ軸は画像の左右方向（右方向が正）である。
マーカ合わせ用画面には、画像データが表わす画像とともに、「Ｈ」を横に倒したような形状のマーカ（以下、「演算マーカ」という）が表示される。以下、演算マーカの２本の左右方向に延伸する線分のうち、上側の線分の中心点（上下方向に延伸する線分との交点）を「照合ゼロ点」と呼び、演算マーカの２本の左右方向に延伸する線分のうち、下側の線分の中心点（上下方向に延伸する線分との交点）を「照合スパン点」と呼ぶ。
演算マーカは、ユーザにより、サイズ、位置、方向が調整可能である。ユーザは、例えばキーボード、マウス等の入力装置を用いて、マーカ合わせ用画面に表示される演算マーカの照合ゼロ点が視準板２３の下側の端辺の中心に、また照合スパン点が視準板２３の上側の端辺の中心に、各々一致するように、演算マーカのサイズ、位置、方向を調整（マーカ合わせ）する（ステップＳ１０４）。
以下、図１０（ｂ）に示されるように、マーカ合わせの完了した後の照合ゼロ点を点S1Ｚと呼び、Ｓ1座標系における点S1Ｚの座標を（S1ＸZ，S1ＹZ）とする。また、マーカ合わせの完了した後の照合スパン点を点S1Ｓと呼び、Ｓ1座標系における点S1Ｓの座標を（S1ＸS，S1ＹS）とする。同様に、Ｓ2座標系におけるマーカ合わせ後の照合ゼロ点を点S2Ｚ（S2ＸZ，S2ＹZ）、照合スパン点を点S2Ｓ（S2ＸS，S2ＹS）とし、Ｓ3座標系におけるマーカ合わせ後の照合ゼロ点を点S3Ｚ（S3ＸZ，S3ＹZ）、照合スパン点を点S3Ｓ（S3ＸS，S3ＹS）とする。
ユーザが上記のマーカ合わせの操作を終了し、端末装置１４に対し所定の操作を行うと、座標特定手段１４５は、Ｓ1座標系における照合ゼロ点S1Ｚ（S1ＸZ，S1ＹZ）と照合スパン点S1Ｓ（S1ＸS，S1ＹS）の間の距離S1ＤT、Ｓ2座標系における照合ゼロ点S2Ｚ（S2ＸZ，S2ＹZ）と照合スパン点S2Ｓ（S2ＸS，S2ＹS）の間の距離S2ＤT、Ｓ3座標系における照合ゼロ点S3Ｚ（S3ＸZ，S3ＹZ）と照合スパン点S3Ｓ（S3ＸS，S3ＹS）の間の距離S3ＤTを算出する（ステップＳ１０５）。
また、座標特定手段１４５は、Ｓ1座標系における照合ゼロ点S1Ｚ（S1ＸZ，S1ＹZ）と原点S1Ｏ（０，０）の間の距離S1ＤZ、Ｓ2座標系における照合ゼロ点S2Ｚ（S2ＸZ，S2ＹZ）と原点S2Ｏ（０，０）の間の距離S2ＤZ、Ｓ3座標系における照合ゼロ点S3Ｚ（S3ＸZ，S3ＹZ）と原点S3Ｏ（０，０）の間の距離S3ＤZを算出する（ステップＳ１０６）。
続いて、座標特定手段１４５は、先に座標取得手段１４１から受け取った座標データが示すＭ座標系における撮像装置１２の設計上の配置位置を示す点MＣ1（MＸC1，MＹC1）、点MＣ2（MＸC2，MＹC2）、点MＣ3（MＸC3，MＹC3）の原点MＯ周りの角度MＡ1、角度MＡ2、角度MＡ3を算出する。
続いて、座標特定手段１４５は、以下の数１に示す式に従い、Ｓ1座標系における照合ゼロ点S1Ｚの座標（S1ＸZ，S1ＹZ）、Ｓ2座標系における照合ゼロ点S2Ｚの座標（S2ＸZ，S2ＹZ）、Ｓ3座標系における照合ゼロ点S3Ｚの座標（S3ＸZ，S3ＹZ）を、Ｍ座標系の座標に変換する（ステップＳ１０７）。ただし、Ｍ座標系に変換後の照合ゼロ点S1Ｚ、照合ゼロ点S2Ｚ、照合ゼロ点S3Ｚに対応する点を各々、照合ゼロ点MＺ1（MＸZ1，MＹZ1）、照合ゼロ点MＺ2（MＸZ2，MＹZ2）、照合ゼロ点MＺ3（MＸZ3，MＹZ3）とする。なお、Ｔは座標特定手段１４５が先に距離取得手段１４２から受け取った距離データが示すセグメント９の厚さＴである。
Figure 0005686878
以上のように座標特定手段１４５が算出した照合ゼロ点MＺ1（MＸZ1，MＹZ1）、照合ゼロ点MＺ2（MＸZ2，MＹZ2）、照合ゼロ点MＺ3（MＸZ3，MＹZ3）は、各々、Ｍ座標系における理想状態のセグメント９の外縁点である。
上記のように座標特定手段１４５によりＭ座標系における照合ゼロ点MＺ1、照合ゼロ点MＺ2、照合ゼロ点MＺ3の座標が特定されると、続いて、図形特定手段１４６は以下の数２に示す連立方程式を解いて、これらの３点を通る円のＭ座標系における中心点MＯQの座標（MＸOQ，MＹOQ）および半径の長さMＲQを算出する。
Figure 0005686878
その結果、図形特定手段１４６は、数３に示す円の方程式を得る（ステップＳ１０８）。ただし、座標（ｘ，ｙ）が円上の点を示す。
Figure 0005686878
上記のように特定された方程式が示す円は、理想状態におけるセグメント９の前方端面の外縁が示す円である。図形特定手段１４６は、特定した理想状態におけるセグメント９の前方端面の外縁が示す円の方程式を示すデータを距離算出手段１４８に引き渡す。
距離算出手段１４８は、図形特定手段１４６から円の方程式を示すデータを受け取ると、図形取得手段１４７に対し、スキンプレート１１３の内側面が示す円の中心点の座標および半径の長さを示す図形データを要求する。この要求に応じて、図形取得手段１４７はメモリ１０１から図形データを読み出し、距離算出手段１４８に引き渡す（ステップＳ１０９）。
距離算出手段１４８は、図形取得手段１４７から受け取った図形データが示す中心点（以下、「中心点MＯP」とする）の座標（以下、「座標（MＸOP，MＹOP）」とする）および半径の長さ（以下、「長さMＲP」とする）により、スキンプレート１１３の内側面が示す円のＭ座標系における方程式として、数４に示す方程式を得る（ステップＳ１１０）。ただし、中心点MＯPは原点MＯと一致するため、MＸOP＝０、MＹOP＝０であり、数４に示す式には現われない。
Figure 0005686878
続いて、距離算出手段１４８は、図形特定手段１４６から受け取った数３に示される円の方程式と、図形取得手段１４７から受け取った図形データに基づき特定される数４に示される円の方程式とを用いて、Ｍ座標系の原点MＯ周りに、例えば３０°毎の方向における原点MＯとそれらの円との距離の差を、それらの位置におけるテールクリアランスとして算出する（ステップＳ１１１）。
続いて、端末装置１４は、Ｍ座標系における撮像装置１２の配置位置の座標を補正するための画面であるカメラ位置補正画面を表示する（ステップＳ１１２）。図１１は、カメラ位置補正画面を例示した図である。カメラ位置補正画面には、Ｍ座標系の原点MＯおよびＸ軸、Ｙ軸と、スキンプレート１１３の内側面が示す円（外側の円）と、理想状態におけるセグメント９の前方端面の外縁が示す円（内側の円）と、原点MＯ周りに３０°毎の方向におけるテールクリアランスが表示される。また、カメラ位置補正画面の領域Ａ０１には、撮像装置１２−１〜３の各々に関し、Ｘ座標、Ｙ座標を調整するための入力ボックスが表示される。
カメラ位置補正画面に表示される内側の円は理想状態におけるセグメント９の前方端面の外縁が示す円であるため、本来、カメラ位置補正画面に表示されるテールクリアランスはいずれも同じ値（設計値）と一致するべきである。ただし、実際には多くの場合、撮像装置１２−１〜３の設置位置が製作誤差、取付台１３の取付位置の誤差等により設計された配置位置からずれるので、カメラ位置補正画面に表示されるテールクリアランスは必ずしも一致しない。
従って、ユーザは、領域Ａ０１の入力ボックスの各々の右側に表示される上下方向の矢印を操作して、撮像装置１２−１〜３の座標を補正する。ユーザの操作により領域Ａ０１の入力ボックスの値が変更されると、端末装置１４は補正後の座標値を用いて上述した処理を繰り返し、再計算したテールクリアランスをカメラ位置補正画面に表示する。ユーザは、カメラ位置補正画面に表示されるテールクリアランスを確認しながら、それらの値が概ね全て一致するまで、座標の補正の操作を繰り返す（ステップＳ１１３）。
以下、補正が完了した後の撮像装置１２−１〜３の配置位置を、点MＣ1’（MＸC1’，MＹC1’）、点MＣ2’（MＸC2’，MＹC2’）、点MＣ3’（MＸC3’，MＹC3’）とし、原点MＯ周りのそれらの点の角度を、角度MＡ1’、角度MＡ2’、角度MＡ3’とする。端末装置１４は、これらの補正後の撮像装置１２−１〜３の配置位置を示す座標データで、メモリ１０１に記憶されている座標データを更新する。
以上が座標データの補正処理の説明である。ユーザが光軸合わせ用器具２をスキンプレート１１３から取り外すと、テールクリアランスの計測および表示が可能となる。なお、上述した光軸合わせの作業と、座標データの補正処理は、撮像装置１２の交換等を行わない限り、一度行えばよい。
テールクリアランスの計測が行われる際の端末装置１４の処理は、図９を用いて説明した座標データの補正処理におけるステップＳ１０１〜Ｓ１１２の処理と概ね同じである。従って、以下に図９を用いて、テールクリアランスの計測が行われる際の端末装置１４の処理を説明する。
まず、ユーザはテールクリアランスの計測をしたいタイミングで、端末装置１４に対し所定の操作を行い、計測の指示を行う。この操作に応じて、端末装置１４は撮像装置１２−１〜３の各々に対し撮像処理を指示する。撮像装置１２−１〜３の各々は端末装置１４の指示に従い撮像処理を行い、生成した画像データを端末装置１４に送信する。端末装置１４は撮像装置１２から画像データを受信すると（ステップＳ１０１）、座標データおよび距離データを読み出した後（ステップＳ１０２）、マーカ合わせ用画面を表示する（ステップＳ１０３）。なお、ステップＳ１０２において端末装置１４が読み出す座標データは、上述した補正処理において補正された、撮像装置１２の実際の位置を示す座標データである。
テールクリアランスの計測においては、マーカ合わせ用画面に表示される画像には実際に既設されているセグメント９の前方端面の画像が含まれる。図１２は、テールクリアランスの計測において端末装置１４により表示されるマーカ合わせ用画面を例示した図である。なお、図１２（ａ）はマーカ合わせが行われる前のマーカ合わせ用画面を示し、図１２（ｂ）はマーカ合わせが完了した後のマーカ合わせ用画面を示している。図１２に示すように、テールクリアランスの計測においては、ユーザは、セグメント９の内側端辺および外側端辺に演算マーカの左右方向の線分が概ね一致するように、演算マーカのサイズ、位置、方向を調整する（ステップＳ１０４）。
続いて、端末装置１４により、ステップＳ１０５〜Ｓ１１１の処理が行われる。ただし、ステップＳ１０７において、端末装置１４は数１に示した式に代えて、補正後の撮像装置１２の座標を用いて、以下の数５に示す式に従い、Ｍ座標系における照合ゼロ点の座標を算出する。
Figure 0005686878
端末装置１４は、ステップＳ１１１においてテールクリアランスの算出を行うと、カメラ位置補正画面に代えて、テールクリアランスの表示を行うテールクリアランス表示画面を表示する。図１３は、テールクリアランス表示画面を例示した図である。テールクリアランス表示画面には、Ｍ座標系の原点MＯおよびＸ軸、Ｙ軸と、スキンプレート１１３の内側面が示す円（外側の円）と、既設のセグメント９の前方端面の外縁が示す円（内側の円）と、原点MＯ周りに、例えば３０°毎の方向におけるテールクリアランスが表示される。また、テールクリアランス表示画面におけるＭ座標系は、シールド掘進機１１の傾斜計から送信されてくるデータに従い、シールド掘進機１１のローリングに応じた角度だけ回転表示される。そのため、作業者等はテールクリアランス表示画面に表示されるテールクリアランスが実際のスキンプレート１１３のどの位置におけるテールクリアランスを示すかを直感的に知ることができる。以上がテールクリアランスの計測および表示の処理の説明である。
以上説明した計測システム１によれば、ユーザは、端末装置１４に表示されるテールクリアランスを見ながら、シールド掘進機１１の望ましい掘進方向を容易に判断することができる。
計測システム１においては、いったん撮像装置１２がシールド掘進機１１に正しく設置されれば、その後はユーザが端末装置１４に対し所定の操作により指示を行うだけで、様々な方向におけるテールクリアランスを端末装置１４に表示させることができる。その際、ユーザが高所に上ったりする必要はないため、極めて安全かつ迅速に計測作業が行われる。
また、計測システム１においては、撮像装置１２が掘削時に水、泥等のかかることのない位置に配置されているため、撮像装置１２が機能不全を生じたり、故障したりする危険性が少ない。さらに、撮像装置１２として一般的なデジタルカメラが利用可能であるため、仮に撮像装置１２が故障しても低コストで交換可能である。
また、計測システム１においては、撮像装置１２が端末装置１４との間のデータ通信を無線により行うため、撮像装置１２に接続される通信ケーブルが排されており、作業員等にとって通信ケーブルが邪魔になることはない。
［変形例]
上述した実施形態は、本発明の一実施例であって、本発明はこれに限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で様々に変形可能である。以下にそれらの変形の例を示す。なお、上述した実施形態と以下に例示する変形例はそれらの２以上が組み合わされてもよい。
（１）上述した実施形態においては、計測システム１が３台の撮像装置１２を備える構成が採用されている。撮像装置１２の数は３台に限れず、１〜２台、もしくは４台以上であってもよい。
計測システム１が備える撮像装置１２の数が２以下である場合、座標特定手段１４５により特定される照合ゼロ点の数は２つとなる。従って、図形特定手段１４６によりセグメント９の前方端面の外縁が示す図形を特定することはできず、距離算出手段１４８が任意の方向のテールクリアランスを算出することはできない。ただし、距離算出手段１４８により、例えば、Ｍ座標系の原点MＯから座標特定手段１４５により特定された１つまたは２つの照合ゼロ点に向かう方向のテールクリアランスが算出され、テールクリアランス表示画面に表示される。なお、撮像装置１２の数が２以下である場合、座標データの補正処理において、図１１に例示のカメラ位置補正画面に代えて、撮像装置１２が配置されている１つまたは２つの位置におけるテールクリアランスが表示される。ユーザは、それらのテールクリアランスが理想状態におけるテールクリアランスに一致するように、座標データの補正を行えばよい。
一方、計測システム１が備える撮像装置１２の数が４以上である場合、座標特定手段１４５により特定される照合ゼロ点の数も４以上となる。この場合、図形特定手段１４６がセグメント９の前方端面の外縁が示す図形を特定する方法として複数の選択肢が考えられる。以下に、撮像装置１２の数が４である場合を例に、図形特定手段１４６がセグメント９の前方端面の外縁が示す図形を特定する方法を例示する。
まず、図形特定手段１４６が、座標特定手段１４５により特定された４つの照合ゼロ点の近傍を通る１つの円の方程式を、最小二乗法等の近似曲線の算出方法により特定することが考えられる。
また、図形特定手段１４６が、座標特定手段１４５により特定された４つの照合ゼロ点から選択される３つの照合ゼロ点を通る円の特定を、３つの照合ゼロ点の組み合わせの各々に関し行い、特定した複数の円を用いて、セグメント９の前方端面の外縁が示す図形を特定する方法が考えられる。照合ゼロ点が４つの場合、３つの照合ゼロ点の組み合わせは４つできるため、４つの円が特定されることになる。図形特定手段１４６は、例えば、特定した４つの円の中心点の重心を中心とし、４つの円の半径の平均値を半径とする円や、原点MＯからの距離が４つの円までの距離の平均値である点を繋いで得られる図形等を、セグメント９の前方端面の外縁が示す図形として特定してもよい。
ただし、上記の最小二乗法を用いる方法や、４つの円の中心点の重心および半径の平均値を用いる方法、原点MＯからの距離の平均を用いる方法等によれば、図形特定手段１４６により特定される図形は必ずしも照合ゼロ点を通らない。従って、これらの方法による場合、少なくとも照合ゼロ点付近においては、距離算出手段１４８により算出されるテールクリアランスは誤差を含むことになる。
そこで、図形特定手段１４６が特定する図形が、必ず４つの照合ゼロ点を通る図形となるような方法が採用されてもよい。そのような方法の例として、図形特定手段１４６が４つの円を特定した後、それらの円の円弧のうち隣接する２点を通らない円弧を除外し、除外しなかった円弧を用いてセグメント９の前方端面の外縁が示す図形を特定する方法が考えられる。
図１４は、隣接する２点を通らない円弧を除外してセグメント９の前方端面の外縁が示す図形を特定する方法の一例を説明するための図である。図１４において、点ａ、点ｂ、点ｃ、点ｄは各々、座標特定手段１４５によりＭ座標系における座標が特定された照合ゼロ点である。円Ｃ1、円Ｃ2、円Ｃ3、円Ｃ4は各々、図形特定手段１４６により特定された円であり、円Ｃ1は点ａ、ｃ、ｄを通り、円Ｃ2は点ｂ、ｃ、ｄを通り、円Ｃ3は点ａ、ｂ、ｃを通り、円Ｃ4は点ａ、ｂ、ｄを通る。
この場合、図形特定手段１４６は、セグメント９の前方端面の外縁が示す図形として、点ａ−ｂ間に関しては、それらの２点を通る円Ｃ3および円Ｃ4の円弧を採用し、点ｂ−ｃ間に関しては、それらの２点を通る円Ｃ2および円Ｃ3の円弧を採用し、点ｃ−ｄ間に関しては、それらの２点を通る円Ｃ1および円Ｃ2の円弧を採用し、点ｄ−ａ間に関しては、それらの２点を通る円Ｃ1および円Ｃ4の円弧を採用する。距離算出手段１４８は、図形特定手段１４６により、２つの照合ゼロ点間の領域において２つ特定された円弧の各々に関しテールクリアランスを算出し、例えばそれらの平均値をテールクリアランス表示画面に表示するテールクリアランスとして算出する。
なお、この場合、原点MＯからの距離が、除外されなかった円弧までの距離の平均値である点を繋いで得られる図形が、セグメント９の前方端面の外縁が示す図形として特定されることになる。
（２）上述した実施形態においては、計測システム１は、シールド掘進機１１の軸に垂直な平面と、セグメント９の前方端面に沿った平面が平行であるものとしてテールクリアランスの算出を行う構成が採用されている。ただし、図１５に示すように、シールド掘進機１１が直進していない場合、シールド掘進機１１の軸に垂直な平面と、セグメント９の前方端面に沿った平面との間に角度が生じ、計測されるテールクリアランスに誤差が生じる。そこで、計測システム１において、上記の誤差を補正する構成が採用されてもよい。
シールド掘進機１１の軸に垂直な平面と、セグメント９の前方端面に沿った平面との間に生じる傾きに伴うテールクリアランスの誤差を補正する仕組みの一例として、セグメント９の前方端面上に円を罫書き等により描いておき、撮像装置１２により撮像された画像に含まれる円の歪みの方向および程度を計測する方法が考えられる。シールド掘進機１１の軸に垂直な平面と、セグメント９の前方端面に沿った平面との間に傾きがある場合、撮像装置１２により撮影された画像に含まれる円は歪んで楕円となる。その楕円の長径が傾きの軸を示し、楕円の長径と短径との比が傾きの程度を示す。
この変形例において、端末装置１４は機能構成部として、図１６に示すように、シールド掘進機１１の軸に垂直な平面と、セグメント９の前方端面に沿った平面との間の位置関係を特定する位置関係特定手段１４９を備える。位置関係特定手段１４９は、撮像装置１２から受信した画像データが示す画像に含まれる楕円（セグメント９に描かれた円を示す楕円）上の複数点の座標（Ｓ座標系における座標）を、例えば画像認識処理により特定し、特定した点の近傍を通る楕円の方程式を、例えば最小二乗法により特定する。位置関係特定手段１４９は、３つのＳ座標系の各々に関し特定した楕円の、例えば長軸のベクトルの平均ベクトルを長軸とし、長径と短径の比率の平均値を長径と短径の比率とする楕円を特定し、そのように特定した楕円の方程式を示すデータを、シールド掘進機１１の軸に垂直な平面と、セグメント９の前方端面に沿った平面との間の位置関係（傾き）を示すデータとして、図形特定手段１４６に引き渡す。
図形特定手段１４６は、座標特定手段１４５により特定された照合ゼロ点を通り、位置関係特定手段１４９から受け取ったデータが示す楕円と相似の楕円を、セグメント９の前方端面の外縁が示す図形として特定する。図１７は、この変形例において端末装置１４が表示するテールクリアランス表示画面を例示した図である。図１７に示されるように、この変形例によれば、シールド掘進機１１の軸に垂直な平面と、セグメント９の前方端面に沿った平面との間に傾きがある場合、テールクリアランス表示画面にはセグメント９の前方端面の外縁が示す図形（円の内側の図形）として楕円が表示される。この楕円は、Ｍ座標系が載っている平面に対し傾きを持ったセグメント９の前方端面の外縁が示す図形を、Ｍ座標系が載っている平面に対し投射して得られる図形である。
この変形例において位置関係特定手段１４９により特定される楕円の方程式を用いて、距離算出手段１４８がセグメント９の前方端面に沿った平面上におけるテールクリアランスを算出する構成が採用されてもよい。具体的には、図形特定手段１４６が特定した楕円を真円に変形するようにＭ座標系の座標を変換すると、変換後の座標系においては、Ｍ座標系において円であったスキンプレート１１３の内側面が示す図形は楕円となる。このように変換された座標系はセグメント９の前方端面に沿った平面上の座標系であり、当該平面におけるスキンプレート１１３の内側面の位置を示している。図１８は、セグメント９の前方端面に沿った平面上のテールクリアランスを表示するテールクリアランス表示画面を例示した図である。図１８に例示のテールクリアランス表示画面においては、セグメント９の前方端面の外縁が示す図形は円であり、スキンプレート１１３の内側面が示す図形は楕円となっている。
上記の図１７もしくは図１８に示されるテールクリアランス表示画面においては、シールド掘進機１１の軸に垂直な平面と、セグメント９の前方端面に沿った平面との間の傾きに伴う誤差の補正されたテールクリアランスが表示されるため、ユーザはより適切にシールド掘進機１１の望ましい掘進方向を判断することができる。
なお、この変形例において、セグメント９の前方端面上に描かれる図形は円に限られず、例えば正三角形等のように、３以上の特徴点が特定可能な図形（例えば、所定の位置関係の３点を示す図柄等を含む）であれば、いずれの図形が用いられてもよい。なお、セグメント９の前方端面上に描かれる図形が円である場合、円周上の任意の３点がこの場合の特徴点となる。
（３）上述した実施形態においては、取付台１３に取り付けた撮像装置１２の光軸を光軸合わせ用器具２の視準板２３の中心に合わせることで、撮像装置１２の光軸が正確にシールド掘進機１１の後方を向くことが仮定されている。しかしながら、例えば取付台１３の設置位置が設計位置からずれていたりすると、撮像装置１２の光軸が正確に後方を向かない。
上記の不都合を解消するため、光軸合わせにおいて、光軸合わせ用器具２を用いた視準を、ガイド線Ｎ上の異なる２カ所以上で行うようにしてもよい。
この場合、ユーザは、例えば光軸合わせ用器具２をガイド線Ｎ上の撮像装置１２から最も遠い位置に取り付けて視準を行った後、光軸合わせ用器具２をガイド線Ｎ上の撮像装置１２から半分程の距離の位置に取り付けて再び視準を行う。撮像装置１２の光軸が正確に後方を向いていれば、ガイド線Ｎ上の異なる位置に配置された光軸合わせ用器具２による視準において、視準板２３上における光軸の位置は変化しない。従って、ユーザは、視準板２３上における光軸の位置が安定するまで、撮像装置１２の方向の調整と、光軸合わせ用器具２の位置を変更しながらの視準とを繰り返す。これにより、撮像装置１２の光軸を、より正確にシールド掘進機１１の後方に向けることができる。
（４）上述した実施形態においては、ユーザがマーカ合わせ用画面に表示される演算マーカを手動で視準板２３またはセグメント９の画像に一致させることにより、照合ゼロ点および照合スパン点の特定が行われる構成が採用されている。これに代えて、例えば座標特定手段１４５が画像認識処理により、視準板２３の下端および上端や、セグメント９の前方端面の外縁や内縁の位置を特定し、特定した位置に基づき、照合ゼロ点や照合スパン点の座標を特定する構成が採用されてもよい。
（５）上述した実施形態においては、画像におけるセグメント９の厚さを照合ゼロ点と照合スパン点との距離として特定し、画像におけるセグメント９の厚さと、実際のセグメント９の厚さＴとの比率により、画像と実物との間の縮尺率を特定する構成が採用されている。セグメント９の厚さ、すなわち、セグメント９の外側端点と当該外側端点に最も近いセグメント９の内側端点との間の距離は、セグメント９の前方端面上の２つの特徴点間の距離の一例であって、画像と実物との間の縮尺率を特定するために用いられる特徴点はいかなるものであってもよい。例えば、セグメント９の前方端面上の２つの所定位置にボルトやナットなどの部材が配置されていれば、座標特定手段１４５は、これらの２つの部材の位置を特徴点として用いて、画像と実物との間の縮尺率を特定することができる。また、ボルトやナット等の特徴点となり得る構造物がセグメント９の前方端面上にない場合、セグメント９の前方端面上に所定の距離で離れた２つの特徴点を示すマーク（例えば、所定の長さの線分等）を描けば、座標特定手段１４５は、当該マークが示す２つの特徴点を、画像と実物との間の縮尺率の特定に用いることができる。
（６）上述した実施形態においては、３つの撮像装置１２がＭ座標系における０°、１２０°、２４０°の方向に配置されている。撮像装置１２の配置位置はこれに限られず、図形特定手段１４６による図形の特定が十分な精度で行われる限り、撮像装置１２の位置はいずれの位置であってもよい。
（７）上述した実施形態においては、Ｍ座標系の原点MＯはシールド掘進機１１の軸の位置であるものとしたが、Ｍ座標系の原点MＯは他の位置であってもよい。また、Ｍ座標系のＸ軸およびＹ軸の方向も、上述した実施形態に例示のものに限られない。また、Ｓ座標系の原点SＯは画像（撮像領域）の中心点であるものとしたが、Ｓ座標系の原点SＯは他の位置であってもよい。また、Ｓ座標系のＸ軸およびＹ軸の方向も、上述した実施形態に例示のものに限られない。
（８）上述した実施形態においては、スキンプレート１１３の内側面が示す図形は円であるものとしたが、例えばスキンプレート１１３が歪んでいる場合において、実際のスキンプレート１１３の内側面が示す図形がテールクリアランスの算出に用いられてもよい。その場合、例えば実測されたスキンプレート１１３の内側面が示す図形を表わすデータをメモリ１０１に記憶させておき、図形取得手段１４７が読み出して用いるようにすればよい。
（９）上述した実施形態においては、撮像装置１２はリングガータ１１１１に取り付けられるものとしたが、撮像装置１２の設置位置は、スキンプレート１１３と一体で移動する限り、いずれの位置であってもよい。
（１０）上述した実施形態において、端末装置１４は汎用的なコンピュータに、アプリケーションプログラムに従った処理を実行させることにより実現されるものとしたが、それに代えて、端末装置１４がいわゆる専用機として構成されてもよい。
（１１）上述した実施形態では、撮像装置１２の位置を示す座標データの補正は、ユーザがカメラ位置補正画面（図１１）に表示されるテールクリアランスを見ながら手動で行われる。これに代えて、端末装置１４が、距離算出手段１４８により算出されるテールクリアランスの値が理想状態の値に近づくように、自動的に座標データの補正を行う構成が採用されてもよい。
（１２）上述した実施形態において、端末装置１４を実現するコンピュータにより実行されるアプリケーションプログラムは、持続的にデータを記録可能な磁気記録媒体（ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等）、光記録媒体（光ディスク等）、半導体メモリ（フラッシュメモリ等）等のコンピュータ読取可能な記録媒体に記憶された状態で提供され、コンピュータに読み取られて用いられてもよいし、インターネット等の通信回線を介してコンピュータに配信されて用いられてもよい。
１…計測システム、２…光軸合わせ用器具、９…セグメント、１０…コンピュータ、１１…シールド掘進機、１２…撮像装置、１３…取付台、１４…端末装置、１５…中継装置、２１…台座、２２…支柱、２３…視準板、２４…固定ナット、１０１…メモリ、１０２…プロセッサ、１０３…入出力Ｉ／Ｆ、１０４…通信Ｉ／Ｆ、１０９…バス、１１１…シールド掘進機本体、１１２…シールドジャッキ、１１３…スキンプレート、１４１…座標取得手段、１４２…距離取得手段、１４３…無線受信手段、１４４…画像取得手段、１４５…座標特定手段、１４６…図形特定手段、１４７…図形取得手段、１４８…距離算出手段、１４９…位置関係特定手段、１１１１…リングガータ

Claims (12)

  1. シールド掘進機の前後方向に垂直な平面であって前記シールド掘進機のスキンプレートと一体で移動する平面の上に設けられた第１の座標系における撮影点の座標を示す座標データを取得する座標取得手段と、
    前記第１の座標系における、前記シールド掘進機により掘削されたトンネルの被覆に用いられるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離を示す距離データを取得する距離取得手段と、
    前記座標データが示す前記撮影点から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された画像データを取得する画像取得手段と、
    前記画像取得手段により取得された画像データが表わす画像の表示面上に設けられた第２の座標系における当該画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線上のいずれかの点である外側端点と前記撮影点との間の距離と、前記第２の座標系における前記撮影点から前記外側端点への方向と、前記第２の座標系における当該画像に示されるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離と、前記距離取得手段により取得された前記距離データが示す距離とに基づき、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定する座標特定手段と
    を備えるテールクリアランスを特定するための装置。
  2. 前記座標取得手段は、前記第１の座標系における３以上の撮影点の座標を各々示す３以上の座標データを取得し、
    前記画像取得手段は、前記３以上の座標データが示す前記３以上の撮影点の各々から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された３以上の画像データを取得し、
    前記座標特定手段は、前記３以上の撮影点の各々に関し、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定し、
    前記第１の座標系における、前記シールド掘進機のスキンプレートの内側面が示す図形を示す図形データを取得する図形取得手段と、
    前記座標特定手段により前記３以上の撮影点の各々に関し特定された座標に基づき、前記第１の座標系において、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面の外縁が示す図形を特定する図形特定手段と、
    前記第１の座標系における、前記図形データが示す図形の上のいずれかの点と前記図形特定手段により特定された図形の上のいずれかの点との間の距離をテールクリアランスとして算出する距離算出手段と
    を備える請求項１に記載の装置。
  3. 前記図形特定手段は、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面の外縁が示す図形として円を特定する
    請求項２に記載の装置。
  4. 前記図形特定手段は、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面の外縁が示す図形として、前記座標特定手段により前記３以上の撮影点の各々に関し特定された座標の点を全て通る図形を特定する
    請求項２に記載の装置。
  5. 前記座標特定手段は、前記画像取得手段により取得された画像データが表わす画像に示されるセグメントの前方端面上の前記２つの特徴点を画像認識により特定し、当該特定した２つの特徴点間の距離を特定し、
    前記座標特定手段は、前記画像取得手段により取得された画像データが表わす画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線である外側境界線を画像認識により特定し、当該特定した外側境界線上のいずれかの点を前記外側端点として特定する
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 前記３以上の画像データを無線通信により受信する無線受信手段を備え、
    前記画像取得手段は前記無線受信手段により受信された前記３以上の画像データを取得する
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
  7. 前記シールド掘進機の前後方向に垂直な平面と、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面に沿った平面との位置関係を特定する位置関係特定手段を備え、
    前記図形特定手段は、前記位置関係特定手段により特定された位置関係に基づき、前記トンネルの内壁面を被覆しているセグメントの前方端面の外縁が示す図形を特定する
    請求項２に記載の装置。
  8. 前記位置関係特定手段は、前記画像取得手段により取得された画像データが表わす画像に示されるセグメントの前方端面上の３以上の特徴点を通る図形を画像認識により特定し、当該特定した図形の形状に基づき前記位置関係を特定する
    請求項７に記載の装置。
  9. シールド掘進機の前後方向に垂直な平面であって前記シールド掘進機のスキンプレートと一体で移動する平面の上に設けられた第１の座標系における撮影点の座標を取得するステップと、
    前記第１の座標系における、前記シールド掘進機により掘削されたトンネルの被覆に用いられるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離を取得するステップと、
    前記座標が示す前記撮影点から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された画像を取得するステップと、
    前記画像を取得するステップにおいて取得した画像の表示面上に設けられた第２の座標系における当該画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線上のいずれかの点である外側端点と前記撮影点との間の距離と、前記第２の座標系における前記撮影点から前記外側端点への方向と、前記第２の座標系における当該画像に示されるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離と、前記距離を取得するステップにおいて取得した距離とに基づき、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定するステップと
    を備えるテールクリアランスを特定するための方法。
  10. 前記撮影点の座標に応じた位置に撮影装置を配置するステップと、
    前記撮影点の座標に応じた位置から見て後方の前記スキンプレート上の位置に予め定められた形状および大きさの光軸合わせ用器具を配置するステップと、
    前記撮影装置を配置するステップにおいて配置された撮影装置の撮影領域の基準点を、当該撮影領域内に見える前記光軸合わせ用器具を配置するステップにおいて配置された光軸合わせ用器具の基準点と一致させるように前記撮影装置の光軸の方向を調整するステップと
    を備える請求項９に記載の方法。
  11. コンピュータに、
    シールド掘進機の前後方向に垂直な平面であって前記シールド掘進機のスキンプレートと一体で移動する平面の上に設けられた第１の座標系における撮影点の座標を各々示す座標データを取得する処理と、
    前記第１の座標系における、前記シールド掘進機により掘削されたトンネルの被覆に用いられるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離を示す距離データを取得する処理と、
    前記座標データが示す前記撮影点から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された画像データを取得する処理と、
    前記画像データを取得する処理において取得された画像データが表わす画像の表示面上に設けられた第２の座標系における当該画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線上のいずれかの点である外側端点と前記撮影点との間の距離と、前記第２の座標系における前記撮影点から前記外側端点への方向と、前記第２の座標系における当該画像に示されるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離と、前記距離データを取得する処理において取得された距離データが示す距離とに基づき、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定する処理と
    を実行させるためのプログラム。
  12. コンピュータに、
    シールド掘進機の前後方向に垂直な平面であって前記シールド掘進機のスキンプレートと一体で移動する平面の上に設けられた第１の座標系における撮影点の座標を各々示す座標データを取得する処理と、
    前記第１の座標系における、前記シールド掘進機により掘削されたトンネルの被覆に用いられるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離を示す距離データを取得する処理と、
    前記座標データが示す前記撮影点から前記シールド掘進機の後方向に行われた撮影により生成された画像データを取得する処理と、
    前記画像データを取得する処理において取得された画像データが表わす画像の表示面上に設けられた第２の座標系における当該画像に示されるセグメントと当該セグメントの外側の背景との境界線上のいずれかの点である外側端点と前記撮影点との間の距離と、前記第２の座標系における前記撮影点から前記外側端点への方向と、前記第２の座標系における当該画像に示されるセグメントの前方端面上の２つの特徴点間の距離と、前記距離データを取得する処理において取得された距離データが示す距離とに基づき、前記外側端点の前記第１の座標系における座標を特定する処理と
    を実行させるためのプログラムを持続的に記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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