JP7461234B2 - 作業計画システム、および、作業計画方法 - Google Patents

Description

本発明は、土木や建設等の作業現場に投入する作業体の種類や数、および、各作業体の作業内容や作業順序などを計画する、作業計画システムおよび方法に関する。

土木や建設等の作業現場では、作業内容に応じて、作業機械や作業員が現場内に配置され、現場内を移動しながら作業を行う。作業現場における作業を効率的に行うためには、作業内容、作業順序、投入する作業機械の種類や数などを適切に決定し、作業計画として立案する必要がある。しかしながら、作業計画の立案は時間がかかり、また計画者が適切な作業計画を立案できるようになるには相当の経験を必要とする。そのため、システムが作業計画を自動で立案できることが望ましい。

建設施工の技術分野においては、現場の生産性を向上させる技術として、施工計画を自動で立案する施工計画システムが提案されている。例えば、特許文献１の請求項１には、「施工現場の現況地形データを取得する現況地形データ取得部と、前記施工現場の設計地形を示す設計地形データを取得する設計地形データ取得部と、前記施工現場を施工する作業機械の条件を示し、前記施工現場の施工前に取得可能な既知の原単位データを取得する原単位データ取得部と、前記現況地形データと前記設計地形データとの差分に基づいて前記施工現場の施工範囲を示す施工範囲データ及び前記施工範囲における土砂の掘削量または補填量を示す土量データを算出し、前記施工範囲データ及び前記土量データと前記原単位データとに基づいて、前記施工現場の施工計画を示す施工計画データを算出する施工計画データ算出部と、前記施工計画データを出力する施工計画データ出力部と、を備えるコンピュータシステムを含む施工計画システム」が開示されている。

特許第６４９６１８２号公報

特許文献１によれば、施工現場全体の目標地形と設計地形のデータから、土砂の掘削量または補填量を算出することができる。また、作業機械１台の単位時間当たりの作業量と、施工現場全体の土砂の掘削量または補填量を比較することで、どの作業機械を何台使用すれば、目標工期内に施工を完了させるかを算出することができる。

一方で、実際の現場では、土砂を掘削する切土地や、土砂を補填する盛土地が、離散し点在している場合がある。そのような現場であっても、特許文献１に開示の技術を用いて施工計画を立案すれば、施工現場全体として必要な作業機械の台数は算出できる。

しかし、特許文献１の技術では、施工現場に点在する切土地や盛土地それぞれに、何台の作業機械を配置するかを算出できず、計画が十分に詳細化されていない。このように、特許文献１の技術には更なる改善の余地がある。

そこで、本発明の目的は、盛土地や切土地といった施工場所が複数点在する作業現場にも対応可能な、詳細な作業計画を立案する作業計画システムを提供することである。

本発明は上記課題を解決するための手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数の作業体を用いた作業計画を作成する作業計画システムであって、前記作業体の仕様を示す作業体情報と、作業体同士の距離制約を含む空間制約情報と、作業体の空間占有を時間で表した時間制約を含む時間制約情報と、を取得する情報取得部と、前記作業体情報、前記空間制約情報、前記時間制約情報に基づいて、各作業に投入する作業体が動作する作業体領域の形状を定義する作業体領域定義部と、各作業体の作業体領域を作業の全時刻にわたり重ならないように配置することで、前記作業計画を作成する作業体領域配置部と、を備えた作業計画システムである。

本発明の作業計画システムによると、盛土地や切土地といった施工場所が複数点在するような作業現場であっても、作業体毎の計画を立案可能であるため、より効率的な作業計画を立案することができる。

油圧ショベルの構成図 油圧ショベルの平面図 土木の作業現場の一例 一実施例の作業計画システムの機能ブロック図 情報取得部と入力インターフェースの関係を示す図 設計情報をグリッド形式で示した図 作業体が油圧ショベルである場合の作業体情報の説明図 作業体がダンプトラックである場合の作業体情報の説明図 切土地と盛土地のグリッドから、切土地と盛土地のグループを算出する手法 時間制約情報の未来制約から変換した空間制約情報をショベルに適用した図 有人ショベルにおける作業体領域形状を示す図 無人ショベルにおける作業体領域の形状の定義を示す図 作業体領域配置部が作業体領域を配置する方法を示すフローチャート 作業体領域配置部が作業体領域を配置する方法を示すフローチャート 作業計画のシミュレーション結果をディスプレイに描画した出力例

以下、本発明に係る作業計画システム１の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれらの図面に限定されず、一部の構成要素を用いない場合もある。

本実施例においては、作業現場で作業を行う作業機械や作業員を作業体と呼称する。また、作業体が作業時に占有する領域を「作業体領域Ａ」と呼称する。なお、土木施工分野を対象に説明するが、物量倉庫のような、作業機械と作業員とが混在する分野に適用することも可能である。また、本発明において、人の操作に従って動作する作業機械を「有人機」、人による操作なしに自律的に動作する作業機械を「無人機」と呼称し、作業機械が例えば油圧ショベルである場合は、「有人のショベル」や「無人のショベル」のように呼称する。

＜油圧ショベルの構成＞
本実施例において、土の採掘や整地を行う作業機械は油圧ショベル（以下、単に「ショベル」と称する）である。図１は、一般的なショベル２を模式的に示す構成図である。ここに示すように、ショベル２は、多関節型のフロント作業機２１と、それを支持する車体２２で構成されている。

車体２２は、走行油圧モータ２２ａにより走行する下部走行体２２ｂと、下部走行体２２ｂの上に取り付けられ、旋回油圧モータ２２ｃにより下部走行体２２ｂに対して旋回可能な上部旋回体２２ｄとからなる。

一方、フロント作業機２１は、垂直方向にそれぞれ回動する複数のフロント部材（ブーム２１ａ、アーム２１ｂ、バケット２１ｃ）を連結して構成されている。ブーム２１ａの基端は上部旋回体２２ｄの前部においてブームピンを介して回動可能に支持されている。ブーム２１ａの先端にはアームピンを介してアーム２１ｂが回動可能に連結されており、アーム２１ｂの先端にはバケットピンを介してバケット２１ｃが回動可能に連結されている。ブーム２１ａはブームシリンダ２１ｄによって駆動され、アーム２１ｂはアームシリンダ２１ｅによって駆動され、バケット２１ｃはバケットシリンダ２１ｆによって駆動される。なお、ブーム２１ａの基端は後述する旋回中心２ｏと一致しているとする。

図２は、ショベル２を平面視した図である。後述する作業体領域定義部１３で言及されるフロント作業機長さＬ_１とは、ブーム２１ａ、アーム２１ｂ、バケット２１ｃによって構成されるフロント作業機２１のリーチが、最大となる場合の長さである。同様に、作業体領域定義部１３で言及される車体後ろ長さＬ_２とは、旋回中心２ｏから上部旋回体２２ｄの後端部までの距離である。さらに、ショベル２の中心座標とは、ショベル２が現場座標系に配置されるときの、旋回中心２ｏの現場座標系における位置を示す。

＜作業計画システムの概要＞
本実施例の作業計画システム１は、作業体が作業を行う作業現場３において、各時刻における作業体毎の作業体領域Ａを決定することで、作業開始から終了までの作業体の位置を指定した作業計画Ｐを立案するものである。

まず、図３を用いて、図示する方向にＸＹＺ空間の各直交座標を定義した、土木の作業現場３の一例を説明する。この作業現場３に投入された作業体は、土砂を掘削したり整地したりするショベル２と、土砂を運搬するダンプトラック（以下、単に「ダンプ」と称する）４である。この作業現場３における作業計画Ｐは、ショベル２が土砂を掘削する「切土工」、ダンプ４が掘削された土砂を運搬する「土輸送」、ダンプ４から運ばれた土砂をショベル２が作業地に盛る「盛土工」、という３種類の作業を繰り返し行うことで構成される計画である。

ここで、切土工を行う場所を「切土地」、盛土工を行う場所を「盛土地」、土輸送を行う経路を「輸送経路３ａ」と呼ぶ。作業現場３の作業計画Ｐにおける切土工及び盛土工に対しては、ショベル２が土を掘削あるいは盛る場所である「作業地３ｂ」、ショベル２がダンプ４に土を詰め込む、あるいはダンプ４に積まれた土を掘削するために、ダンプ４が発着する場所である「放土地３ｃ」を計画する必要がある。

作業計画システム１は、計画者Ｍによって操作され、計画者Ｍの要望に沿った作業計画Ｐを立案する。なお、計画者Ｍは、作業計画Ｐの立案経験がなくてもよく、作業計画システム１の使用方法を習得している者であればよい。

図４は、作業計画システム１の構成を示す機能ブロック図である。ここに示すように、作業計画システム１は、情報取得部１０、作業情報決定部１１、空間制約情報変換部１２、作業体領域定義部１３、作業体領域配置部１４、作業計画評価部１５、作業計画出力部１６で構成される。なお、作業計画システム１は、具体的には、ＣＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、ハードディスク等の補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備えたコンピュータである。そして、補助記憶装置から主記憶装置にロードされたプログラムを演算装置が実行することで、上記した各機能を実現するが、以下では、このようなコンピュータ分野の周知技術を適宜省略しながら、各部の詳細について順次説明する。

＜情報取得部１０＞
情報取得部１０は、設計情報Ｉ_１を取得する設計情報取得部１０ａと、作業体情報Ｉ_２を取得する作業体情報取得部１０ｂと、目的情報Ｉ_３を取得する目的情報取得部１０ｃと、空間制約情報Ｉ_４を取得する空間制約情報取得部１０ｄと、時間制約情報取Ｉ_５を取得する時間制約情報取得部１０ｅで構成される。

図５は、情報取得部１０と入力インターフェースＩＦの関係を示す図である。ここに示す入力インターフェースＩＦは、計画者Ｍによる入力を情報取得部１０に伝えるものであり、例えば、タッチパネル、キーボード、マウス、記憶媒体の再生装置等である。

＜設計情報取得部１０ａ＞
設計情報取得部１０ａは、作業現場３の現況地形を表す現況地形データと、作業を実施することで実現したい目標地形データに基づいて、設計情報Ｉ_１を取得する。現況地形データは、光学測定器やドローンの空撮画像から取得した作業現場３の現況地形を、ＸＹＺ空間上の三次元点群データに変換したものから作成した三次元データである。また、目標地形データは、作業現場３の目標形状をＸＹＺ空間上に示す三次元データである。現況地形データと目標地形データは、作業現場３の鳥観図に、格子状の直線を引き、そのマス内にどのくらいの土量があるかを表現する手法である、グリッド形式で作成される。また、地点を表すマスをグリッドと呼称する。

表１は、設計情報Ｉ_１の一例を示す表である。また、図６は、表１の設計情報Ｉ_１をグリッド形式で示した図である。なお、図６におけるグリッド内には土量の情報が格納されている。設計情報取得部１０ａは、現況地形データと目標地形データを比較することで、グリッド単位で切土地か盛土地かを判断し、設計情報Ｉ_１を生成する。つまり、現況地形に対しグリッド単位で、盛土工をする、切土工をする、あるいはいずれの作業も必要ないかといった情報と、盛土工あるいは切土工をする際は、その土量を含んだ情報とを、設計情報Ｉ_１として生成する。

＜作業体情報取得部１０ｂ＞
作業体情報取得部１０ｂは、作業計画システム１が配置する作業体の仕様を示す作業体情報Ｉ_２を取得する。

表２は、作業体がショベル２である場合の作業体情報Ｉ_２の入力例である。この作業体情報Ｉ_２には、フロント作業機長さＬ_１、車体後ろ長さＬ_２、車体幅Ｗ、単位時間あたりの掘削量である掘削能力、一日当たりの使用コスト、投入できる台数、有人機または無人機か、の各情報が登録されている。また、図７は、ショベル２の作業体情報Ｉ_２の変数のうち、フロント作業機長さＬ_１、車体後ろ長さＬ_２、車体幅Ｗの説明図である。

表３は、作業体がダンプ４である場合の作業体情報Ｉ_２の入力例である。この作業体情報Ｉ_２には、車体長さＬ_１、車体幅Ｗ、積載容量、一日当たりの使用コスト、投入できる台数、有人機または無人機か、の各情報が登録されている。また、図８は、ダンプ４の作業体情報Ｉ_２の変数のうち、車体長さＬ_１、車体幅Ｗの説明図である。

＜作業情報決定部１１＞
作業情報決定部１１では、設計情報取得部１０ａからの設計情報Ｉ_１と、作業体情報取得部１０ｂからの作業体情報Ｉ_２に基づいて、作業情報Ｉ_６を算出する。作業情報Ｉ_６とは、設計情報Ｉ_１で入力された、目標地形データ実現のために必要な作業に関する情報である。

図９は、切土地のグリッドと盛土地のグリッドから、切土地グループ３ｄと盛土地グループ３ｅを算出する手法を示す図である。ここに示すように、作業情報決定部１１では、設計情報Ｉ_１に基づいて、距離の近い切土地のグリッド同士をグループ分類し、切土地グループ３ｄとして算出し、また、距離の近い盛土地のグリッド同士をグループ分類し、盛土地グループ３ｅとして算出する。

表４は、切土地グループ３ｄと盛土地グループ３ｅの出力例を示す表である。作業情報決定部１１では、１つの切土地グループ３ｄから１つの盛土地グループ３ｅまでの輸送土量及び輸送経路データを決定し、輸送計画データとして算出する。輸送経路データは、輸送経路３ａとなるグリッドに対し、輸送経路３ａごとのラベル付けを行ったデータである。

表５は、輸送計画データの出力例を示す表である。また、表６は、輸送経路データの出力例を示す表である。

作業情報決定部１１では、上記した、切土地グループデータ、盛土地グループデータ、輸送計画データ、等に基づき、作業情報Ｉ_６を決定する。表７は、作業情報Ｉ_６の出力例を示す表である。作業情報Ｉ_６は、作業種類、関連作業、作業が実施される場所、作業量、使用される作業体の種類等の情報を含む。なお、関連作業とは、一つの土輸送を実施するために必要な切土工及び盛土工をラベル付けし、記録した情報である。

＜目的情報取得部１０ｃ＞
目的情報取得部１０ｃは、作業計画Ｐを立案する上で目標となる目的データと、制約となる制約データとを含む、目的情報Ｉ_３を取得する。表８は、目的情報Ｉ_３の入力例を示す表である。この目的情報Ｉ_３には、「（１）作業工期を指定し、作業コストを最小化」、「（２）作業工期の上限を指定し、作業コストを最小化」、「（３）作業コストの上限を指定し、作業工期最短化」、といった目的データを含む。目的情報Ｉ_３は、特定作業の開始時刻指定または作業１は作業２より先に実施するといった制約データを含む。

＜空間制約情報取得部１０ｄ＞
空間制約情報取得部１０ｄは、作業体同士が衝突しないための空間制約情報Ｉ_４を取得する。表９は、空間制約情報Ｉ_４の入力例を示す表である。この表の右欄に示すように、空間制約は、「距離制約」、「限定制約」、「緩和制約」に分類される。

「距離制約」は、作業体同士は一定距離離れて作業を行う、といった制約であり、例えば表９の制約１のような内容である。

「限定制約」は、ショベル２の場合、ショベル２の可動領域内への他の作業体の侵入を禁止する、といった制約や、ショベル２同士は同じ放土地３ｃを共有する作業を禁止する、といった制約であり、例えば表９の制約２，３のような内容である。また、ダンプ４の場合、同時刻に行われている土輸送の輸送経路３ａが交差している作業は、計画することができない、といった制約であり、例えば表９の制約４のような内容である。

「緩和制約」は、ショベル２の場合、無人のショベル２の可動領域は、他の作業体の侵入を禁止しない、といった制約や、無人のショベル２同士であるならば、放土地３ｃを共有して作業を行うことができる、といった制約であり、例えば表９の制約５，６のような内容である。また、ダンプ４の場合、複数の土輸送が同時刻に行われており、輸送経路３ａが交差しているが、有人のダンプ４が一つの土輸送のみにしか投入されておらず、他の土輸送はすべて無人のダンプ４が投入されているなら、輸送経路３ａが交差した状態であっても、同時刻で作業を行うことができる、といった制約であり、例えば表９の制約７のような内容である。

＜時間制約情報取得部１０ｅ＞
時間制約情報取得部１０ｅは、作業体同士が衝突しないための時間制約情報Ｉ_５を取得する。表１０は、時間制約情報Ｉ_５の入力例を示す表である。この表の右欄に示すように、時間制約は、「未来制約」と「過去制約」に分類される。

「未来制約」は、作業体が一定時間後に到達する領域全てを侵入禁止とする制約であり、例えば表１０の制約１のような内容である。「過去制約」は、作業体が一定時間前まで存在した領域全てを侵入禁止とする制約であり、例えば表１０の制約２のような内容である。

＜空間制約情報変換部１２＞
空間制約情報変換部１２は、時間制約情報取得部１０ｅからの時間制約情報Ｉ_５を空間制約情報Ｉ_４に変換し、空間制約情報取得部１０ｄからの空間制約情報Ｉ_４と統合する。表１１は、表１０の時間制約情報Ｉ_５を空間制約情報Ｉ_４に変換した例を示す表である。ここでは、例えば、所定の「未来制約」を、「作業体の可動部分において、進行方向からＶＴまでの距離は、他の作業体の侵入を禁止する」といった「距離制約」に変換する。

また、図１０は、移動体がショベル２である場合に、表１１に例示した時間制約情報Ｉ_５の未来制約から変換した空間制約情報Ｉ_４を適用した図である。図１０では、ショベル２が旋回動作をしているときの侵入禁止領域を示している。ショベル２のフロント作業機２１は、フロント作業機２１の先端部ほど旋回速度が大きくなり、未来制約より「作業体の可動部分において、進行方向からＶＴまでの距離は、他の作業体の侵入を禁止する」ため、フロント作業機２１の先端部ほど侵入禁止領域が大きくなる。

＜作業体領域定義部１３＞
作業体領域定義部１３は、作業体情報取得部１０ｂからの作業体情報Ｉ_２と、空間制約情報取得部１０ｄ及び空間制約情報変換部１２からの空間制約情報Ｉ_４に基づいて、作業体情報Ｉ_２に記載された、作業体の種類ごとに作業体領域形状Ｉ_７を定義する。この作業体領域形状Ｉ_７は、作業体情報Ｉ_２と、空間制約情報Ｉ_４に基づいて決定される、作業体領域Ａの形状である。作業現場３に配置した作業体領域Ａ同士が互いに重ならないことは、空間制約情報Ｉ_４（表９参照）を遵守していることを示す。

図１１は、有人のショベル２の作業体領域形状Ｉ_７を示す図であり、表１２は、図１１の作業体領域形状Ｉ_７を定義するために必要なショベル２の変数を示した表である。

作業体領域定義部１３は、作業体情報Ｉ_２と空間制約情報Ｉ_４を参照することで、「作業体同士は、Ｌ_３以上離れて作業する」、「ショベル２の可動領域内への、他の作業体の侵入を禁止する」、「ショベル２同士は、放土地３ｃを共有できない」、といった３つの制約を考慮した上で作業体領域形状Ｉ_７を定義する。上記３つの制約を考慮すると、図１１、表１２に示すように、作業体領域定義部１３は、ショベル２中心座標Ｘ_１及びＹ_１、作業地中心座標Ｘ_２及びＹ_２、放土地中心座標Ｘ_３及びＹ_３、安全距離Ｌ_３、フロント作業機長さＬ_１、車体後ろ長さＬ_２、車体幅Ｗ、を決定することで、作業体領域形状Ｉ_７を定義できる。作業体領域定義部１３は、空間制約情報Ｉ_４に基づき、安全距離Ｌ_３を決定する。ショベル２の中心座標Ｘ_１及びＹ_１、作業地中心座標Ｘ_２及びＹ_２、放土地中心座標Ｘ_３及びＹ_３、は作業体領域配置部１４で決定する。また、作業体情報Ｉ_２に基づき、フロント作業機長さＬ_１、車体後ろ長さＬ_２、車体幅Ｗ、を決定する。

一方、図１２は、無人のショベル２の作業体領域形状Ｉ_７の定義を示す図であり、表１３は、図１２の作業体領域形状Ｉ_７を定義するために必要なショベル２の変数を示した表である。無人ショベル２は計画通りの動作を行うように設定することが可能であり、また、作業地３ｂから放土地３ｃに向かう動作の途中で、突然旋回方向を変えて作業地３ｂに再度向かう、といったような突発的な動作変更を行わないように設定することが可能である。このため、無人のショベル２の動作は、有人のショベル２の動作に比べて予測が容易であるため、無人ショベル２の作業体領域Ａは、有人のショベル２の作業体領域Ａよりも小さくできる。

作業体領域定義部１３は、作業体情報Ｉ_２と空間制約情報Ｉ_４を参照することで、「作業体同士は、Ｌ_３以上離れて作業する」、「作業体の可動部分において、進行方向からＴ秒後に到達する地点までの領域は、他の作業体の侵入を禁止する」、「作業体の可動部分において、進行方向と逆向きにＴ’秒前までに存在した領域は、他の作業体の侵入を禁止する」、といった３つの制約を考慮した上で作業体領域形状Ｉ_７を定義する。なお、ここで進行方向とは、無人のショベル２が作業地３ｂに向かって旋回動作をしているか、あるいは放土地３ｃに向かって旋回動作をしているか、という情報である。上記３つの制約を考慮すると、図１２、表１３に示すように、作業体領域定義部１３は、ショベル２の中心座標Ｘ_１及びＹ_１、作業地中心座標Ｘ_２及びＹ_２、放土地中心座標Ｘ_３及びＹ_３、安全距離Ｌ_３、フロント作業機長さＬ_１、車体後ろ長さＬ_２、車体幅Ｗ、旋回角度θ、未来安全時間Ｔ、過去安全時間Ｔ’を決定することで、作業体領域形状Ｉ_７を定義できる。

＜作業体領域配置部１４＞
作業体領域配置部１４は、上記した、作業体情報Ｉ_２、目的情報Ｉ_３、作業情報Ｉ_６、および、作業体領域形状Ｉ_７に基づき、作業現場３内に作業体領域Ａを配置することで、各時刻における作業体の位置を指定した作業計画Ｐを立案する。作業体領域配置部１４は、作業開始から作業終了までの作業体の位置及び作業体領域形状Ｉ_７を時系列に決定することで、作業計画Ｐを立案する。以下、作業体領域配置部１４による作業情報Ｉ_６に記載された各作業に投入する作業体の種類及び数を決定し、その後作業体及び作業体領域Ａの配置位置を決定する処理の詳細を説明する。

まず、作業体領域配置部１４は、作業情報Ｉ_６に記載された各作業の作業量と、作業体情報Ｉ_２に記載された単位時間あたりに作業体が作業できる土量から、「（１）各作業に投入する作業体の種類及び台数」、「（２）各作業の開始時刻」、の２つを決定することで、作業終了までにかかる時間と、作業全体でかかるコストを概算する。

次に、作業体領域配置部１４は、「（１）各作業に投入する作業体の種類及び台数」、「（２）各作業の開始時刻」、の全ての組合せにおいて、作業終了までにかかる時間と、作業全体でかかるコストを概算する。

そして、目的情報Ｉ_３に記載された目標データを最も満たす組合せを特定し、最適化済み作業情報Ｉ_８として作業ＩＤに紐づけて記録する。また、目的情報Ｉ_３に記載された目標データを最も満たす組合せの算出手法としては、模擬焼きなまし法や遺伝的アルゴリズムといった、最適化手法を用いることが可能である。また、作業体領域配置部１４は、作業情報Ｉ_６に基づき、作業ＩＤに紐づいた関連作業を読み込み、最適化済み作業情報Ｉ_８の関連作業として作業ＩＤに紐づけて記録する。

また、土輸送に関しては、同時刻に輸送経路３ａが交差する作業同士も関連作業として作業ＩＤに紐づけて最適化済み作業情報Ｉ_８に記録する。作業体領域配置部１４は、最適化済み作業情報Ｉ_８から、作業種類が土輸送である作業ＩＤを読み込み、作業情報Ｉ_６から土輸送が行われる輸送経路３ａのＩＤを呼び出す。また、輸送経路データに基づき、輸送経路ＩＤの座標情報を呼び出す。上記の手段から、最適化済み作業情報Ｉ_８に記録された、土輸送に用いる輸送経路３ａの座標が判明するため、最適化済み作業情報Ｉ_８に記録された、作業開始時刻と作業終了時刻と合わせて検討することで、同時刻に輸送経路３ａが交差する作業同士を決定することができる。表１４は、作業体領域配置部１４が記録した最適化済み作業情報Ｉ_８を示す表である。

＜作業体領域の配置方法＞
次に、作業体領域配置部１４を用いて、作業現場３内に作業体領域Ａを配置する方法について説明する。図１３及び図１４は、作業体領域配置部１４が作業体領域Ａを配置する方法を示すフローチャートである。なお、両図は一連の処理を示すフローチャートであるが、ステップＳ１～Ｓ４、Ｓ１３～Ｓ１４を図１３に記載し、ステップＳ５～Ｓ１２を図１４に記載している。

ステップＳ１では、まず、最適化済み作業情報Ｉ_８に基づき、全作業を開始時刻が早い順に並べることで、まだ作業体が配置されていない作業群のリストである、未選択作業リストＩ_９を作成する。表１５は、未選択作業リストＩ_９の入力例を示す表である。そして、未選択作業リストＩ_９の先頭の作業を選択し、選択作業リストＩ_１０に記録する。例えば表１５の場合、作業５が選択作業リストＩ_１０に記録される。選択作業リストＩ_１０は、ステップＳ５からステップＳ１２において作業体領域Ａが配置される作業群のリストである。

ステップＳ２では、最適化済み作業情報Ｉ_８に基づき、選択作業リストＩ_１０に記載されている全作業において、記載されている関連作業を読み込む。

ステップＳ３では、読み込んだ関連作業に、選択作業リストＩ_１０に記載されていない関連作業が存在するか判断する。存在する場合、ステップＳ４に進む。存在しない場合、ステップＳ５に進む。つまりステップＳ３は、存在するすべての関連作業を抽出するまで処理を繰り返すステップである。表１６は、選択作業リストＩ_１０の入力例を示す表である。この表１６では、作業５の関連作業である作業２と作業３が、選択作業リストＩ_１０に既に記録されるが、作業３の関連作業である作業４は、まだ選択作業リストＩ_１０に記録されていないので、次にステップＳ４に進む必要がある。

ステップＳ４では、選択作業リストＩ_１０に記載されていない関連作業を選択作業リストＩ_１０に記録し、再びステップＳ２に戻る。表１６の場合、作業４を選択作業リストＩ_１０に記録し、再びステップＳ２に戻る。

ステップＳ５では、選択作業リストＩ_１０の全ての作業の中から最も早い作業開始時刻を時刻ｔとする。

ステップＳ６では、選択作業リストＩ_１０の全ての作業の中から、時刻ｔにおいて実施される作業を選択し、最適化済み作業情報Ｉ_８に基づき、選択した作業へ投入する作業体を全て投入作業体リストＩ_１１に記録する。表１７は、投入作業体リストＩ_１１の入力例を示す表である。

ステップＳ７では、作業体情報Ｉ_２及び作業体領域形状Ｉ_７に基づき、投入作業体リストＩ_１１の中から一つの作業体を選択し、作業体の位置を決定することで、その作業体の作業体領域Ａの配置位置を決定し、作業計画Ｐに記録する。

ステップＳ８では、投入作業体リストＩ_１１から配置した作業体を削除する。

ステップＳ９では、投入作業体リストＩ_１１の中に、配置が完了していない作業体の情報が存在するか判定する。存在する場合、ステップＳ７に戻る。また、存在しない場合Ｓ１０に進む。

ステップＳ１０で、時刻ｔにおける各作業の進捗率を算出する。作業進捗率は、作業情報Ｉ_６に記載された作業量と作業体情報Ｉ_２に記載された掘削能力から算出する。

ステップＳ１１では、選択作業リストＩ_１０に記載された全ての作業の中で、作業進捗率が１００％となった作業が存在する場合、その作業を選択作業リストＩ_１０から削除する。

ステップＳ１２では、選択作業リストＩ_１０に作業の記載があるか判定する。記載がある場合、時刻ｔを１秒進め、ステップＳ６に戻る。また、記載がない場合、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、選択作業リストＩ_１０に記載された作業を未選択作業リストＩ_９から削除する。

ステップＳ１４では、未選択作業リストＩ_９に作業の記載があるか判定する。記載がある場合、再びＳ１を実施する。また、記載がない場合、処理を終了する。

上記の手法により、各時刻における作業体の位置と作業体領域Ａの位置を決定できる。各時刻における、作業体の位置、作業体領域Ａの位置、作業進捗率、を作業計画Ｐとして記録する。

＜作業計画評価部１５＞
作業計画評価部１５は、作業計画Ｐと目的情報Ｉ_３に基づき、作業計画Ｐが目的情報Ｉ_３で指定された制約を満たしているか評価する。作業計画評価部１５は、目的情報Ｉ_３に基づき、「（１）作業工期を指定し、作業コストを最小化」、「（２）作業工期の上限を指定し、作業コストを最小化」、「（３）作業コストの上限を指定し、作業工期最短化」、といった目的データを作業計画Ｐが満たしているか、評価する。

作業計画評価部１５は、「（１）作業工期を指定し、作業コストを最小化」が目的データとして選択された場合、作業計画Ｐが指定した作業工期となっているかを評価基準とする。同様に、「（２）作業工期の上限を指定し、作業コストを最小化」が選択された場合、作業計画Ｐが作業工期の上限以内で終了しているかを評価基準とし、「（３）作業コストの上限を指定し、作業工期最短化」が選択された場合、施工計画５が作業コストの上限以下となっているかを評価基準とする。

このようにして、作業計画評価部１５は、作業計画Ｐが評価基準を満たしているか判定する。作業計画Ｐが評価基準を満たしていない場合、計画者Ｍに対し、入力した目的情報Ｉ_３に沿った作業計画Ｐを立案できないことを伝える。また、計画者Ｍに対し、設計情報Ｉ_１、作業体情報Ｉ_２、目的情報Ｉ_３、空間制約情報Ｉ_４、時間制約情報Ｉ_５、の少なくとも一つを緩和するよう要請し、計画者Ｍは一つ以上の情報を、図４に示した情報取得部１０の入力インターフェースＩＦを通して変更する。変更後、作業計画システム１は、作業計画Ｐを新たに立案する。作業計画Ｐが評価基準を満たした場合、作業計画出力部１６に対し、作業計画Ｐを入力する。

＜作業計画出力部１６＞
作業計画出力部１６は、計画者Ｍが作業計画Ｐの内容を明瞭に把握できるように、作業計画Ｐに基づく作業計画表や作業計画シミュレーション等の出力情報Ｉ_１２を算出し、ディスプレイＤ上に描画する。作業計画表は、各時刻における作業体の位置座標及び作業内容を明記した工程表である。また、作業計画シミュレーションは、作業計画Ｐの内容で作業体が他の作業体の干渉なく作業が行えることを計画者Ｍに伝達可能な、各作業体の位置と作業体領域の時間変化を示す映像あるいは電子データである。

図１５は、作業計画Ｐの出力例として、作業計画シミュレーションの結果をディスプレイＤに描画した状況を図である。作業計画シミュレーションは、作業計画Ｐに基づき、作業体と作業体領域Ａを平面上のＸ軸、Ｙ軸と、時間軸からなる三次元空間上で再現した結果を、ディスプレイＤに描画し、作業体領域Ａ同士が全時刻において重ならないことを示すことにより、作業体領域配置部１４が、空間制約情報Ｉ_４及び時間制約情報Ｉ_５を遵守した作業計画Ｐを算出していることを、計画者Ｍに明瞭に示す。なお、図１５のディスプレイＤには、Ｘ軸、Ｙ軸、時間軸からなる三次元空間上に作業計画Ｐを出力したが、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる三次元空間上に作業計画Ｐを出力しても良い。

また、作業体の移動及び作業体領域Ａの変化をディスプレイＤに描画することで、作業がどのような段階を経て行われていくかを計画者Ｍに理解させることが可能となり、作業計画Ｐの妥当性を計画者Ｍに対して示すことができる。また、土木施工の場合であれば、作業体と作業体領域Ａと同時に、現況地形や施工の目標となる地形データを描画してもよい。また、作業計画表の出力はディスプレイＤに限らず、例えばプリンタによって紙に出力してもよい。

以上で説明したように、本実施例の作業計画システムによれば、盛土地や切土地といった施工場所が複数点在するような作業現場に対し、作業体毎に作業計画を立案できるため、現場全体として効率的な作業計画を立案することができる。

１ 作業計画システム
１０ 情報取得部
１０ａ 設計情報取得部
１０ｂ 作業体情報取得部
１０ｃ 目的情報取得部
１０ｄ 空間制約情報取得部
１０ｅ 時間制約情報取得部
１１ 作業情報決定部
１２ 空間制約情報変換部
１３ 作業体領域定義部
１４ 作業体領域配置部
１５ 作業計画評価部
１６ 作業計画出力部
２ ショベル
２１ フロント作業機
２１ａ ブーム
２１ｂ アーム
２１ｃ バケット
２１ｄ ブームシリンダ
２１ｅ アームシリンダ
２１ｆ バケットシリンダ
２２ 車体
２２ａ 走行油圧モータ
２２ｂ 下部走行体
２２ｃ 旋回油圧モータ
２２ｄ 上部旋回体
２ｏ 旋回中心
３ 作業現場
３ａ 輸送経路
３ｂ 作業地
３ｃ 放土地
３ｄ 切土地グループ
３ｅ 盛土地グループ
４ ダンプ
Ａ 作業体領域
Ｐ 作業計画
Ｉ_１ 設計情報
Ｉ_２ 作業体情報
Ｉ_３ 目的情報
Ｉ_４ 空間制約情報
Ｉ_５ 時間制約情報
Ｉ_６ 作業情報
Ｉ_７ 作業体領域形状
Ｉ_８ 最適化済み作業情報
Ｉ_９ 未選択作業リスト
Ｉ_１０ 選択作業リスト
Ｉ_１１ 投入作業体リスト
Ｉ_１２ 出力情報

Claims (6)

1. 複数の作業体を用いた作業計画を作成する作業計画システムであって、
   前記作業体の仕様を示す作業体情報と、作業体同士の距離制約を含む空間制約情報と、前記作業体の空間占有を時間で表した時間制約を含む時間制約情報と、を取得する情報取得部と、
   前記作業体情報、前記空間制約情報、前記時間制約情報に基づいて、各作業に投入する作業体が動作する作業体領域の形状を定義する作業体領域定義部と、
   各作業体の作業体領域を作業の全時刻にわたり重ならないように配置することで、前記作業計画を作成する作業体領域配置部と、
   を備えることを特徴とする作業計画システム。
2. 請求項１の作業計画システムにおいて、
   さらに、前記時間制約情報を空間制約情報に変換する空間制約情報変換部を備え、
   前記作業体領域定義部は、前記空間制約情報変換部で変換された空間制約情報に基づいて前記作業体領域の形状を定義することを特徴とする作業計画システム。
3. 請求項１の作業計画システムにおいて、
   さらに、前記作業計画に基づくシミュレーション結果を算出し、ディスプレイまたはプリンタに描画する作業計画出力部を備え、
   前記ディスプレイには、前記作業体の位置と前記作業体領域の時間変化を示すシミュレーション結果が描画されることを特徴とする作業計画システム。
4. 請求項１の作業計画システムにおいて、
   前記作業体領域定義部は、作業体が有人機か無人機かに応じて、前記作業体領域の形状を変更するものであり、
   前記有人機は、人間が操作する作業体であり、
   前記無人機は、人間が搭乗せず、人間による操作なしに自律的に動作する作業体であることを特徴とする作業計画システム。
5. 請求項４の作業計画システムにおいて、
   前記作業体領域定義部は、前記作業体の可動範囲から前記作業体領域の形状を定義し、
   有人機では作業地を少なくとも包含するように前記作業体領域を定義し、
   無人機では無人機の移動方向によって前記作業体領域を定義することを特徴とする作業計画システム。
6. 複数の作業体を用いた作業計画をコンピュータが作成する作業計画方法であって、
   前記作業体の仕様を示す作業体情報と、作業体同士の距離制約を含む空間制約情報と、
   前記作業体の空間占有を時間で表した時間制約を含む時間制約情報と、を取得するステップと、
   前記作業体情報、前記空間制約情報、前記時間制約情報に基づいて、各作業に投入する作業体が動作する作業体領域の形状を定義するステップと、
   各作業体の作業体領域を作業の全時刻にわたり重ならないように配置することで、前記作業計画を作成するステップと、
   を備えることを特徴とする作業計画方法。

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