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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-18
(45)【発行日】2022-11-29
(54)【発明の名称】土山評価システム及びプログラム
(51)【国際特許分類】
E02D 23/08 20060101AFI20221121BHJP
E02D 23/10 20060101ALI20221121BHJP
【ＦＩ】
E02D23/08 B
E02D23/10
E02D23/08 Z
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2022096074
(22)【出願日】2022-06-14
【審査請求日】2022-06-21
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 公開日：令和４年３月１８日、公開サイト：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｉｊｓｄｅ／ａｄｖｐｕｂ／０／ａｄｖｐｕｂ＿２０２１．２９４７／＿ａｒｔｉｃｌｅ／－ｃｈａｒｒ／ｊａ、論文タイトル：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｃａｉｓｓｏｎ Ｓｈｏｖｅｌｓ ｉｎ Ｎａｒｒｏｗ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ ａｔ Ｈｉｇｈ Ａｉｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、公開者：高田一利、外８名
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000103769
【氏名又は名称】オリエンタル白石株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100120868
【弁理士】
【氏名又は名称】安彦 元
(74)【代理人】
【識別番号】100198214
【弁理士】
【氏名又は名称】眞榮城 繁樹
(72)【発明者】
【氏名】進藤 匡浩
(72)【発明者】
【氏名】亀井 聡
(72)【発明者】
【氏名】倉知 禎直
(72)【発明者】
【氏名】高田 一利
(72)【発明者】
【氏名】菊池 耕生
【審査官】亀谷 英樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２２－０６４２１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１２８４２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１１１９２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２２９８２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０４９１４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０２５８００１７（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０２Ｄ ２３／００－２３／１６
Ｅ０２Ｆ ９／２０－９／２２
Ｅ０２Ｆ ３／４２－３／４３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ニューマチックケーソンの作業室内の複数の掘削後の仮置きされた基準値以上の高さの土山の高さｈ及び前記土山の頂点の位置に関する土山情報と前記土山を掘削するための複数の掘削機のバケットの位置に関する掘削機情報とを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された土山情報と掘削機情報とに基づいて、それぞれの前記掘削機を用いてそれぞれの前記土山を掘削するときの評価を示す前記土山の高さｈと前記土山の頂点の位置から前記掘削機のバケットまでの距離ｄの関数である評価値Ｅ（ｈ、ｄ）を（１）式を用いて、算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された評価値に基づいて、それぞれの前記土山に対して、それぞれの前記掘削機を用いて掘削するときの評価値の和が最大となるように、前記掘削機が掘削する前記土山を決定する決定手段とを備え、
前記取得手段は、前記掘削機のバケットの容量Ｖ A に関する情報を含む掘削機情報を取得し、
前記算出手段は、前記取得手段により取得された土山情報と前記取得手段により取得された掘削機情報に含まれる前記掘削機のバケットの容量Ｖ A に関する情報とに基づいて、前記掘削機により前記土山を掘削した後の前記土山の高さｈ′に関する掘削後土山情報を、（２）式を用いて算出し、算出した前記掘削後土山情報に基づいて、（３）式を用いて掘削後の前記評価値Ｅ（ｈ′、ｄ）を算出すること
を特徴とする土山評価システム。
【数1】
【数2】
【請求項2】
ニューマチックケーソンの作業室内の複数の掘削後の仮置きされた基準値以上の高さの土山の高さｈ及び前記土山の頂点の位置に関する土山情報と前記土山を掘削するための複数の掘削機のバケットの位置に関する掘削機情報とを取得する取得ステップと、前記取得ステップにより取得された土山情報と掘削機情報とに基づいて、それぞれの前記掘削機を用いてそれぞれの前記土山を掘削するときの評価を示す前記土山の高さｈと前記土山の頂点の位置から前記掘削機のバケットまでの距離ｄの関数である評価値Ｅ（ｈ、ｄ）を（１）式を用いて、算出する算出ステップと、
前記算出ステップにより算出された評価値に基づいて、それぞれの前記土山に対して、それぞれの前記掘削機を用いて掘削するときの評価値の和が最大となるように、前記掘削機が掘削する前記土山を決定する決定ステップとをコンピュータに実行させ、
前記取得ステップは、前記掘削機のバケットの容量Ｖ A に関する情報を含む掘削機情報を取得し、
前記算出ステップは、前記取得ステップにより取得された土山情報と前記取得ステップにより取得された掘削機情報に含まれる前記掘削機のバケットの容量Ｖ A に関する情報とに基づいて、前記掘削機により前記土山を掘削した後の前記土山の高さｈ′に関する掘削後土山情報を、（２）式を用いて算出し、算出した前記掘削後土山情報に基づいて、（３）式を用いて掘削後の前記評価値Ｅ（ｈ′、ｄ）を算出すること
を特徴とする土山評価プログラム。
【数1】
【数2】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山を掘削するための土山評価システム及びプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
橋梁や建物の基礎、シールドトンネルの発進立坑などの地下構造物を構築する工法として、ニューマチックケーソン工法が知られている。ニューマチックケーソン工法は、ケーソンの本体下部に作業室を設け、その中に圧縮空気を送って高気圧状態にし、掘削作業が行なわれている。この高気圧作業室は、高気圧状態であるため、作業者が立ち入ることができる時間が制限されている。このためニューマチックケーソン工法において、水中や高気圧下の工事においては、作業効率の向上や作業環境の安全性の観点から、地上からの遠隔操作によって施工を行なう無人化施工が採用されている。また、このような無人化施工では、高気圧作業室内に設けられた監視カメラによって撮影された高気圧作業室内の作業状況の画像を、高気圧作業室から離れた陸上の安全な遠隔作業室に設置されたモニタに表示し、オペレータがこの画面を見ながら掘削機等の作業機械を遠隔操作し、施工を行なっている。
【0003】
また、これに伴い、作業の効率化のために、ショベル等の掘削機の操作を自動化する技術が注目されている（例えば、特許文献１参照）。
【0004】
特許文献１の開示技術によれば、掘削現場を格子状の小さい掘削区域に分割し、各区域について境界線と掘削順序を決定し、提供された掘削順序の順番に各掘削部位を探索し、掘削する量、消費されるエネルギーおよび時間などの性能基準に基づいて費用関数を最適化することにより、掘削を始めるための掘削機のバケットの最適な位置と向きを決定し、掘削処理を効率的に行い得る戦略を決定するための方法と装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開平１１－２４７２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１の開示技術では、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に対して、複数の掘削機を用いて掘削することが想定されていない。このため、特許文献１の開示技術を用いてもニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に対して、複数の掘削機を用いて効率よく掘削することができない。
【0007】
そこで本発明は、上述した問題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に対して、複数の掘削機を用いて効率よく掘削することができる土山評価システム及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
第１発明に係る土山評価システムは、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の掘削後の仮置きされた基準値以上の高さの土山の高さｈ及び前記土山の頂点の位置に関する土山情報と前記土山を掘削するための複数の掘削機のバケットの位置に関する掘削機情報とを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された土山情報と掘削機情報とに基づいて、それぞれの前記掘削機を用いてそれぞれの前記土山を掘削するときの評価を示す前記土山の高さｈと前記土山の頂点の位置から前記掘削機のバケットまでの距離ｄの関数である評価値Ｅ（ｈ、ｄ）を（１）式を用いて、算出する算出手段と、前記算出手段により算出された評価値に基づいて、それぞれの前記土山に対して、それぞれの前記掘削機を用いて掘削するときの評価値の和が最大となるように、前記掘削機が掘削する前記土山を決定する決定手段とを備え、前記取得手段は、前記掘削機のバケットの容量Ｖ
A
に関する情報を含む掘削機情報を取得し、前記算出手段は、前記取得手段により取得された土山情報と前記取得手段により取得された掘削機情報に含まれる前記掘削機のバケットの容量Ｖ
A
に関する情報とに基づいて、前記掘削機により前記土山を掘削した後の前記土山の高さｈ′に関する掘削後土山情報を、（２）式を用いて算出し、算出した前記掘削後土山情報に基づいて、（３）式を用いて掘削後の前記評価値Ｅ（ｈ′、ｄ）を算出することを特徴とする。
ここでｋは、前記土山を掘削する回数を示し、θ
s
は前記土山の安息角を示す。
【数1】
【数2】
【0014】
第２発明に係る土山評価プログラムは、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の掘削後の仮置きされた基準値以上の高さの土山の高さｈ及び前記土山の頂点の位置に関する土山情報と前記土山を掘削するための複数の掘削機のバケットの位置に関する掘削機情報とを取得する取得ステップと、前記取得ステップにより取得された土山情報と掘削機情報とに基づいて、それぞれの前記掘削機を用いてそれぞれの前記土山を掘削するときの評価を示す前記土山の高さｈと前記土山の頂点の位置から前記掘削機のバケットまでの距離ｄの関数である評価値Ｅ（ｈ、ｄ）を（１）式を用いて、算出する算出ステップと、前記算出ステップにより算出された評価値に基づいて、それぞれの前記土山に対して、それぞれの前記掘削機を用いて掘削するときの評価値の和が最大となるように、前記掘削機が掘削する前記土山を決定する決定ステップとをコンピュータに実行させ、前記取得ステップは、前記掘削機のバケットの容量Ｖ
A
に関する情報を含む掘削機情報を取得し、前記算出ステップは、前記取得ステップにより取得された土山情報と前記取得ステップにより取得された掘削機情報に含まれる前記掘削機のバケットの容量Ｖ
A
に関する情報とに基づいて、前記掘削機により前記土山を掘削した後の前記土山の高さｈ′に関する掘削後土山情報を、（２）式を用いて算出し、算出した前記掘削後土山情報に基づいて、（３）式を用いて掘削後の前記評価値Ｅ（ｈ′、ｄ）を算出することを特徴とする。
ここでｋは、前記土山を掘削する回数を示し、θ
s
は前記土山の安息角を示す。
【数1】
【数2】
【発明の効果】
【0015】
第１発明～第２発明によれば、本発明の土山評価システムは、評価値に基づいて、掘削機が掘削する土山を決定する。これにより、複数の掘削機を用いて複数の土山を掘削する場合を考慮した評価値に基づいて、掘削機が掘削する土山を決定することができる。このため、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に対して、複数の掘削機を用いて効率よく掘削することができる。
【0016】
また、本発明の土山評価システムは、掘削後土山情報に基づいて、掘削後の評価値を算出する。これによって、掘削した後の土山の高さ等の掘削後土山情報を考慮した評価値に基づいて、掘削機が掘削する土山を決定することができる。このため、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に対して、複数の掘削機を用いてより高精度かつ効率よく掘削することができる。
【0017】
また、本発明の土山評価システムは、距離情報と土山情報に含まれる土山の高さに関する情報とに基づいて、評価値を算出する。これによって、土山の高さと掘削機から土山までの距離とを考慮した評価値に基づいて、掘削機が掘削する土山を決定することができる。このため、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に対して、複数の掘削機を用いて高精度かつ効率よく掘削することができる。
【0018】
また、本発明の土山評価システムは、評価値の和が最大となるそれぞれの掘削機に対する土山の組み合わせに基づいて、掘削機が掘削する土山を決定する。このため、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に対して、複数の掘削機を用いてより効率よく掘削することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【発明を実施するための形態】
【0022】
図１は、本発明に係る作業機の一例である掘削機が用いられるニューマチックケーソン工法の主要設備の一例を示す図である。図１では、ケーソン１の構築途中の状態が示されている。詳しくは、ケーソン１のうちの大半が地盤８内に沈下して静止している状態が示されている。ニューマチックケーソン工法は、掘削設備Ｅ１、艤装設備Ｅ２、排土設備Ｅ３、送気設備Ｅ４及び予備・安全設備Ｅ５を用いて、鉄筋コンクリート製のケーソン１を地中に沈下させていくことにより、地下構造物を構築するように構成されている。
【0023】
掘削設備Ｅ１は、例えば、掘削機１００（以下、ケーソンショベル１００という）と、土砂自動積込装置１１と、地上遠隔操作室１３とを備える。ケーソンショベル１００は、ケーソン１の底部に設けられた刃口部７の内側に設けられる作業室２内に設置される。土砂自動積込装置１１は、ケーソンショベル１００により掘削された土砂を円筒状のアースバケット３１に積み込む。地上遠隔操作室１３は、ケーソンショベル１００の作動を地上から遠隔操作する遠隔操作装置１２を備える。
【0024】
艤装設備Ｅ２は、例えば、マンシャフト２１と、マンロック２２（エアロック）と、マテリアルシャフト２３と、マテリアルロック２４（エアロック）とを備える。マンシャフト２１は、作業者が作業室２へ出入りするために地上と作業室２とを繋ぐ円筒状の通路であり、例えば、螺旋階段２５が設けられている。マンロック２２は、マンシャフト２１に設けられ地上の大気圧と作業室２内の圧力差を調節する二重扉構造の気密扉である。マテリアルシャフト２３は、土砂自動積込装置１１により土砂が積み込まれたアースバケット３１を地上に運び出すために地上と作業室２とを繋ぐ円筒状の通路である。マテリアルロック２４は、マテリアルシャフト２３と、材料等を搬出入するためのマテリアルシャフト２３に設けられた地上の大気圧と作業室２内の圧力差を調節する二重扉構造の気密扉である。マンロック２２およびマテリアルロック２４は、作業室２内の気圧が変化することを抑えて作業者やアースバケット３１を作業室２へ出入りさせることが可能になるように構成されている。
【0025】
排土設備Ｅ３は、例えば、アースバケット３１と、キャリア装置３２と、土砂ホッパー３３とを備える。アースバケット３１は、ケーソンショベル１００により掘削された土砂が積み込まれる有底円筒状の筒容器である。キャリア装置３２は、アースバケット３１を、マテリアルシャフト２３を介して地上まで引き上げて運び出す装置である。土砂ホッパー３３は、アースバケット３１及びキャリア装置３２により地上に運び出された土砂を一時的に貯めておく設備である。
【0026】
送気設備Ｅ４は、例えば、空気圧縮機４２と、空気清浄装置４３と、送気圧力調整装置４４と、自動減圧装置４５とを備える。空気圧縮機４２は、送気管４１及びケーソン１に形成された送気路３を介して作業室２内に圧縮空気を送る装置である。空気清浄装置４３は、空気圧縮機４２により送り込む圧縮空気を浄化する装置である。送気圧力調整装置４４は、作業室２内の気圧が地下水圧と等しくなるように空気圧縮機４２から作業室２内へ送る圧縮空気の量（圧力）を調整する装置である。自動減圧装置４５は、マンロック２２内の気圧を減圧する装置である。
【0027】
予備・安全設備Ｅ５は、例えば、非常用空気圧縮機５１と、ホスピタルロック５３とを備える。非常用空気圧縮機５１は、空気圧縮機４２の故障又は点検などの時に空気圧縮機４２に代わって作業室２内に圧縮空気を送ることが可能な装置である。ホスピタルロック５３は、作業室２内で作業を行った作業者が入り、当該作業者の身体を徐々に大気圧に慣らしていくための減圧室である。
【0028】
【0029】
土山８０は、作業室２内の土砂が積載した土の山である。土山８０は、作業室２内の地盤８から頂点８１までの高さｈと、安息角θｓと、作業室２内の地盤８と平行な方向の最大の径の大きさｒ等を有する。また、土山８０は、複数の高さ（ｈｉ、ｈｉ＋１、ｈｉ＋２）の頂点からなる土山８０であってもよい。また、土山８０の安息角θｓは、土砂の粘度、粒形、素材等により決定される一定の角度になるとしてもよい。また、土山８０は、頂点８１の高さｈが基準値Ｈよりも高いものであるとしてもよい。
【0030】
次に、本発明に係るケーソンショベル１００について図３～図４を用いて説明する。ケーソンショベル１００は、図３に示すように、例えば、走行体１１０と、ブーム１３０と、バケットアタッチメント１５０とを備える。走行体１１０は、作業室２の天井部に設けられた左右一対の走行レール４に取り付けられ、左右の走行レール４に懸下された状態で走行レール４に沿って走行移動する。ブーム１３０は、走行体１１０の旋回フレーム１２１に上下方向に揺動可能に枢結される。バケットアタッチメント１５０は、ブーム１３０の先端部に取り付けられる。
【0031】
走行体１１０は、走行フレーム１１１と、旋回フレーム１２１と、走行ローラ１１３とを備える。旋回フレーム１２１は、走行フレーム１１１の下面側に旋回自在に設けられる。走行ローラ１１３は、走行フレーム１１１の上面側前後に、設けられている前後左右の４個のローラである。走行体１１０は、前後左右の走行ローラ１１３を回転駆動させて左右の走行レール４に沿って走行移動するように構成されている。
【0032】
ブーム１３０は、例えば、基端ブーム１３１と、先端ブーム１３２と、伸縮シリンダ１３３と、起伏シリンダ１３４とを備える。基端ブーム１３１は、旋回フレーム１２１に起伏自在又は上下方向に揺動自在に取り付けられる。先端ブーム１３２は、基端ブーム１３１に入れ子式に組み合わされ、構成される。伸縮シリンダ１３３は、基端ブーム１３１内に設けられている。起伏シリンダ１３４は、基端ブーム１３１の左右に２個設けられている。ブーム１３０は、伸縮シリンダ１３３を伸縮させると、基端ブーム１３１に対して先端ブーム１３２が長手方向に移動し、これによりブーム１３０が伸縮するように構成されている。２個の起伏シリンダ１３４の基端部は基端ブーム１３１の左右側部にそれぞれ回動自在に取り付けられている。
【0033】
バケットアタッチメント１５０は、ベース部材１５１と、バケット１５２と、バケットシリンダ１５３とを備える。ベース部材１５１は、先端ブーム１３２に取り付けられる。バケット１５２は、ベース部材１５１の先端部に上下揺動自在に取り付けられる。バケットシリンダ１５３は、ベース部材１５１に対してバケット１５２を上下揺動させるように構成される。
【0034】
コントロールユニット１６５は、図４に示すように、メインコントローラ１６５ａと、走行体用コントローラ１６５ｂと、ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃとを備える。また、コントロールユニット１６５は、ケーソンショベル１００と、遠隔操作装置１２と接続されていてもよい。コントロールユニット１６５は、遠隔操作装置１２に内蔵されていてもよい。メインコントローラ１６５ａは、走行体用コントローラ１６５ｂと、ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃとに接続され、遠隔操作装置１２からの操作信号を受けて、その操作信号に応じた駆動制御信号を走行体用コントローラ１６５ｂと、ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃとに出力する。走行体用コントローラ１６５ｂは、メインコントローラ１６５ａから出力された駆動制御信号に応じて、走行体１１０を駆動させるように構成されている。メインコントローラ１６５ａおよび走行体用コントローラ１６５ｂは、走行体１１０の旋回フレーム１２１に配設されている。ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃは、メインコントローラ１６５ａから出力された駆動制御信号に応じて、ブーム１３０及びバケットアタッチメント１５０を駆動させるように構成されている。ブーム・バケット用コントローラ１６５ｃは、ブーム１３０の基端ブーム１３１の側部に配設されている。
【0035】
ケーソンショベル１００は、図４に示すように、走行体位置センサ２０１と、旋回角度センサ２０２と、ブーム起伏角度センサ２０３と、ブーム伸長量センサ２０４と、バケット揺動角度センサ２０５と、外界センサ２０６とを備える。走行体位置センサ２０１は、走行体１１０が走行レール４の何処の位置に位置しているかを検出する。旋回角度センサ２０２は、走行フレーム１１１に対する旋回フレーム１２１の旋回角度を検出する。ブーム起伏角度センサ２０３は、旋回フレーム１２１に対するブーム１３０の起伏角度を検出する。ブーム伸長量センサ２０４は、ブーム１３０の伸長量を検出する。バケット揺動角度センサ２０５は、ブーム１３０又はバケットアタッチメント１５０のベース部材１５１に対するバケット１５２の揺動角度を検出する。外界センサ２０６は、走行体１１０に設けられて作業室２内の掘削地面までの距離、地面の形状などの情報を取得する。また、ケーソンショベル１００は、遠隔操作装置１２と、コントロールユニット１６５と通信を行い、各センサ２０１～２０６で得たデータを、遠隔操作装置１２と、コントロールユニット１６５とに送信してもよい。
【0036】
走行体位置センサ２０１は、例えば、走行体１１０の走行フレーム１１１に配設されたレーザセンサによって構成される。走行体位置センサ２０１は、レーザ光を走行レール４の端部又は作業室２の壁部に向けて照射して走行レール４の端部又は作業室２の壁部において反射して戻ってくるまでの時間を測定する。走行体位置センサ２０１は、この時間に基づいて走行レール４の端部又は作業室２の壁部から走行体１１０までの距離を検出する。旋回角度センサ２０２は、例えば、走行体１１０の旋回フレーム１２１に配設された光学式のロータリーエンコーダによって構成される。旋回角度センサ２０２は、走行フレーム１１１に対する旋回フレーム１２１の旋回量を電気信号に変換する。旋回角度センサ２０２は、その信号を演算処理して旋回フレーム１２１の旋回方向及び位置を含む旋回角度を検出する。なお、走行体位置センサ２０１及び旋回角度センサ２０２は一例を説明したもので、走行体１１０の二次元的な位置を検出する他のセンサ、旋回フレーム１２１の旋回角度を検出する他のセンサをそれぞれ用いてもよい。
【0037】
ブーム起伏角度センサ２０３は、例えば、起伏シリンダ１３４のシリンダボトムの側部に配設されたレーザセンサによって構成される。ブーム起伏角度センサ２０３は、レーザ光を旋回フレーム１２１に向けて照射して旋回フレーム１２１において反射して戻ってくるまでの時間を測定する。ブーム起伏角度センサ２０３は、この時間に基づいて起伏シリンダ１３４の伸長量を検出し、その起伏シリンダ１３４の伸長量に基づいて旋回フレーム１２１に対するブーム１３０の起伏角度又は起伏位置を検出する。ブーム起伏角度センサ２０３も一例を説明したものであり、光学式ロータリーエンコーダ、ポテンショメータなどによりブーム１３０の起伏角を直接検出する他のセンサを用いてもよい。
【0038】
ブーム伸長量センサ２０４は、例えば、ブーム１３０の基端ブーム１３１に配設されたレーザセンサによって構成される。ブーム伸長量センサ２０４は、レーザ光を先端ブーム１３２の先端部に取り付けられたバケットアタッチメント１５０のベース部材１５１に向けて照射してベース部材１５１において反射して戻ってくるまでの時間を測定する。ブーム伸長量センサ２０４は、この時間に基づいて、ブーム１３０の伸長量として基端ブーム１３１に対する先端ブーム１３２の伸長量を検出する。ブーム伸長量センサ２０４も一例を説明したものであり、ブーム伸縮と共に伸縮するケーブルの伸長量を直接測定する他のセンサを用いてもよい。
【0039】
バケット揺動角度センサ２０５は、例えば、バケットシリンダ１５３の油路に配設された流量センサによって構成される。バケット揺動角度センサ２０５は、バケットシリンダ１５３に供給される作動油の流量を検出し、その流量の積分値を算出する。バケット揺動角度センサ２０５は、この流量積分値に基づいてバケットシリンダ１５３のピストンロッドの伸長量を求め、そのバケットシリンダ１５３の伸長量に基づいて、バケットアタッチメント１５０のベース部材１５１又はブーム１３０に対するバケット１５２の揺動角度又は揺動位置を検出する。バケット揺動角度センサ２０５も一例を説明したものであり、光学式ロータリーエンコーダ、ポテンショメータなどによりバケット１５２の揺動角度を直接検出他のセンサや、レーザセンサによりバケットシリンダ１５３の伸長量を求める他のセンサを用いてもよい。
【0040】
外界センサ２０６は、例えば、走行体１１０の旋回フレーム１２１に配設されたＲＧＢ－Ｄセンサによって構成される。外界センサ２０６は、掘削地面のＲＧＢ画像又はカラー画像、及び距離画像、ＤＥＭデータ、点群データを取得し、それらのデータに基づいて土山８０に関する土山情報等を取得する。外界センサ２０６は、ＲＧＢ－Ｄセンサの他の例として、ステレオカメラや超音波距離計、レーザセンサなどを用いてもよい。また、外界センサ２０６は、作業室２に取り付けられてもよい。
【0041】
走行体位置センサ２０１、旋回角度センサ２０２、ブーム起伏角度センサ２０３、ブーム伸長量センサ２０４、バケット揺動角度センサ２０５及び外界センサ２０６により検出されたそれぞれの情報は、コントロールユニット１６５のメインコントローラ１６５ａに送信される。メインコントローラ１６５ａは、走行体位置測定部２１１と、バケット位置測定部２１２と、地盤形状測定部２１３とを備える。
【0042】
走行体位置測定部２１１は、走行体位置センサ２０１により検出された走行レール４の端部又は作業室２の壁部から走行体１１０までの距離の情報と、当該走行レール４が作業室２内の何処の位置に設けられた走行レールであるかという情報とを用いて、走行体１１０が作業室２内のどこに位置しているかを算出する。また、走行レール４が作業室２内の何処の位置に設けられた走行レールであるかという情報は、走行体１１０が取り付けられた走行レール４の情報であり、走行体１１０が取り付けられたときに走行体位置測定部２１１に設定されてもよい。また、走行体位置センサ２０１による距離の情報の検出を周囲複数箇所に対して検出することにより、走行体１１０の天井内における二次元的な位置又は走行体１１０の向きを含む位置を検出してもよい。
【0043】
バケット位置測定部２１２は、旋回角度センサ２０２により検出された走行フレーム１１１に対する旋回フレーム１２１の旋回方向及び位置を含む旋回角度と、ブーム起伏角度センサ２０３により検出された旋回フレーム１２１に対するブーム１３０の起伏角度又は起伏位置と、ブーム伸長量センサ２０４により検出されたブーム１３０の伸長量と、バケット揺動角度センサ２０５により検出されたブーム１３０に対するバケット１５２の揺動角度又は揺動位置とを用いて、走行体１１０の走行フレーム１１１に対するバケット１５２の位置を算出する。
【0044】
地盤形状測定部２１３は、走行体位置測定部２１１により求められた作業室２内における走行体１１０の位置と、旋回角度センサ２０２により検出された走行フレーム１１１に対する旋回フレーム１２１の旋回方向および位置を含む旋回角度とを用いて、旋回フレーム１２１に設けられた外界センサ２０６の位置と、外界センサ２０６により距離の情報を取得する方向と、外界センサ２０６により取得した距離の情報を用いて、掘削地面の位置とを算出する。また、地盤形状測定部２１３は、作業室２内の土山８０の高さ等の土山情報を算出してもよい。
【0045】
〈第１実施形態〉
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の第１実施形態を適用したシステム６の全体構成を示すブロック図である。土山評価システム６は、ケーソンショベル１００が掘削する土山８０を決定する。土山評価システム６は、上述した外界センサ２０６と、外界センサ２０６を備えるケーソンショベル１００に接続された遠隔操作装置１２と、コントロールユニット１６５とを備えている。
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の第１実施形態を適用したシステム６の全体構成を示すブロック図である。土山評価システム６は、ケーソンショベル１００が掘削する土山８０を決定する。土山評価システム６は、上述した外界センサ２０６と、外界センサ２０６を備えるケーソンショベル１００に接続された遠隔操作装置１２と、コントロールユニット１６５とを備えている。
【0046】
遠隔操作装置１２は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等を始めとした電子機器で構成されているが、ＰＣ以外に、携帯電話、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末等、他のあらゆる電子機器で具現化されるものであってもよい。外界センサ２０６から入力されたデータに基づいて、遠隔操作装置１２は、ケーソンショベル１００が掘削する土山８０を決定する。
【0047】
遠隔操作装置１２は、変換部６１０と、変換部６１０に接続された評価部６１１と、評価部６１１に接続された決定部６１２と、決定部６１２に接続された生成部６１３と、を備える。
【0048】
変換部６１０は、外界センサ２０６により取得されたＤＥＭデータ等のデータから、ニューマチックケーソン１の作業室２内の複数の土山８０に関する土山情報を取得する。変換部６１０は、取得した土山情報と土山８０を掘削するための複数のケーソンショベル１００に関する掘削機情報とを評価部６１１に出力する。
【0049】
評価部６１１は、変換部６１０から入力された土山情報と掘削機情報とに基づいて、それぞれのケーソンショベル１００を用いてそれぞれの土山８０を掘削する効率を示す評価値Ｅを算出する。評価部６１１は、算出した評価値Ｅを決定部６１２に出力する。
【0050】
決定部６１２は、評価部６１１から入力された評価値Ｅに基づいて、掘削機が掘削する土山の組み合わせの情報を含む決定情報を決定する。決定部６１２は、決定した決定情報を生成部６１３に出力する。
【0051】
生成部６１３は、決定部６１２で決定した決定情報に基づいて、土山８０を掘削するためのケーソンショベル１００の軌道に関する軌道情報を生成する。生成部６１３は、生成した軌道情報をコントロールユニット１６５に出力する。
【0052】
次に、本発明の実施形態を適用した土山評価システム６の動作について説明をする。図６に示すようにステップＳ１１において、外界センサ２０６は、図６に示すように作業室２内をセンシングする。ステップＳ１１において、例えば外界センサ２０６は、土山８０を含むＤＥＭデータ等のデータを取得する。ＤＥＭデータは、一定間隔のメッシュで画定される各区画の３次元空間上の位置情報を含む。ＤＥＭデータは、図７に示すように３次元空間上の位置情報をもつデータである。位置情報は、三次元空間上の位置を判定し得る情報であり、例えば３次元空間上の座標、高さ、特定地点からの距離の情報のことを指す。また、ＤＥＭデータは、土山８０の高さの情報を数字で示した平面上の点群の集まりからなるデータでもよい。
【0053】
ステップＳ１１において、例えば外界センサ２０６は、複数の土山８０（８０ａ～８０ｅ）を含むＤＥＭデータ等のデータを取得してもよい。また、外界センサ２０６は、土山８０を含む点群データ、距離画像、三次元ポリゴンデータ等のデータを取得してもよい。点群データは、例えば土山８０の高さの情報を色で示した平面上の点群の集まりからなるデータでもよい。三次元ポリゴンデータは、例えば三次元座標上に示される複数の点によって表される領域の位置情報と、その領域に関連付けられた情報とを有するデータである。
【0054】
次に、ステップＳ１２において、変換部６１０は、外界センサ２０６により取得されたＤＥＭデータ等のデータから、ニューマチックケーソン１の作業室２内の複数の土山８０に関する土山情報を取得する。土山情報は、土山８０に関する情報である。土山情報は、例えば地盤形状測定部２１３により検出されてもよい。土山情報は、土山８０の頂点８１の高さｈ、安息角θｓ、作業室２内の地盤８と平行な方向の最大の径の大きさｒ、土山８０の体積Ｖ等に関する情報である。また、土山情報は、土山８０の位置に関する情報を含む。土山情報は、例えば土山８０の位置は、例えば頂点８１に位置であってもよい。変換部６１０は、例えば外界センサ２０６により取得されたＤＥＭデータの微分値が０となる極値を頂点８１として、頂点８１の高さｈを取得する。また、変換部６１０は、ニューマチックケーソン１の作業室２内の複数の土山８０に関する土山情報を取得する。
【0055】
また、ステップＳ１２において、変換部６１０は、ケーソンショベル１００に関する掘削機情報を取得してもよい。掘削機情報は、ケーソンショベル１００に関する情報であり、例えば走行体位置測定部２１１により検出されたケーソンショベル１００の位置の情報である。また、掘削機情報は、例えばバケット位置測定部２１２により検出された旋回フレーム１２１の旋回方向及び位置を含む旋回角度の情報であってもよい。また、掘削機情報は、例えばバケット位置測定部２１２により検出された旋回フレーム１２１に対するブーム１３０の起伏角度又は起伏位置の情報であってもよい。また、掘削機情報は、例えばバケット位置測定部２１２により検出されたブーム１３０の伸長量として基端ブーム１３１に対する先端ブーム１３２の伸長量の情報であってもよい。また、掘削機情報は、例えばバケット位置測定部２１２により検出されたバケットアタッチメント１５０のベース部材１５１又はブーム１３０に対するバケット１５２の揺動角度又は揺動位置の情報であってもよい。また、掘削機情報は、バケット１５２の容量の情報であってもよい。また、掘削機情報は、ケーソンショベル１００の稼働状況を示す情報であってもよい。変換部６１０は、取得した土山情報と掘削機情報とを評価部６１１に出力する。
【0056】
次に、ステップＳ１３において、評価部６１１は、変換部６１０から入力された土山情報と掘削機情報とに基づいて、それぞれのケーソンショベル１００を用いてそれぞれの土山８０を掘削するときの評価を示す評価値Ｅを算出する。評価値Ｅは、例えばそれぞれのケーソンショベル１００を用いてそれぞれの土山８０を掘削する効率を示す値である。評価部６１１は、例え土山情報に含まれる土山８０の位置に関する情報と掘削機情報に含まれるケーソンショベル１００の位置に関する情報とに基づいて、それぞれの土山８０からそれぞれのケーソンショベル１００までの距離ｄを示す距離情報を算出し、算出した距離情報と土山情報に含まれる土山８０の高さｈに関する情報とに基づいて、評価値Ｅを算出してもよい。かかる場合、評価値Ｅ（ｈ、ｄ）は、例えば下記の数１により算出される。αとβは重み係数である。評価部６１１は、算出した評価値Ｅを決定部６１２に出力する。
【数1】
【0057】
また、ステップＳ１３において、評価部６１１は、土山情報と掘削機情報に含まれるケーソンショベル１００の容量ＶＡに関する情報とに基づいて、ケーソンショベル１００により土山８０を掘削した後の土山８０に関する掘削後土山情報を算出し、算出した掘削後土山情報に基づいて、掘削後の評価値Ｅを算出してもよい。掘削後土山情報は、ケーソンショベル１００により掘削された後の土山８０の土山情報である。評価部６１１は、例えば土山情報に含まれる土山８０の高さｈに関する情報と掘削機情報に含まれるケーソンショベル１００のバケット１５２の容量ＶＡに関する情報とに基づいて、ケーソンショベル１００を用いて土山８０を掘削した後の土山８０の高さｈ′に関する掘削後の土山情報を算出し、算出した掘削後の土山情報と掘削機情報とに基づいて、掘削後の評価値Ｅ（ｈ′、ｄ）を算出してもよい。かかる場合、評価部６１１は、下記の数２を用いて評価値Ｅ（ｈ′、ｄ）を算出する。ここでｋは、掘削した回数を示し、θｓは安息角を示す。
【数2】
【0058】
また、ステップＳ１３において、評価部６１１は、掘削機情報に含まれる旋回フレーム１２１の旋回方向及び位置を含む旋回角度の情報と土山情報に含まれる土山の位置の情報とに基づいて、旋回フレーム１２１の旋回方向に対する土山８０の位置の角度を算出し、算出した角度に基づいて、評価値Ｅを算出してもよい。また、ステップＳ１３において、評価部６１１は、走行レール４と土山８０の距離に基づいて、評価値Ｅを算出してもよい。
【0059】
次に、ステップＳ１４において、決定部６１２は、評価部６１１から入力された評価値Ｅに基づいて、掘削機が掘削する土山の組み合わせの情報を含む決定情報を決定する。決定部６１２は、決定した決定情報を生成部６１３に出力する。かかる場合、例えば決定部６１２は、評価値Ｅの和が最大となるそれぞれの土山８０に対するケーソンショベル１００の組み合わせに基づいて、ケーソンショベル１００が掘削する土山８０を決定する。
【0060】
ステップＳ１４において、決定部６１２は、例えばそれぞれの土山８０（８０ａ～８０ｆ）に対するケーソンショベル１００（１００Ａ～１００Ｆ）の評価値Ｅを示す表１を用いてもよい。
【表1】
【0061】
決定部６１２は、表１の評価値Ｅの和が最大となるそれぞれの土山８０に対するケーソンショベル１００の組み合わせとして、１００Ａと８０ｂ、１００Ｂと８０ａ、１００Ｃと８０ｃ、１００Ｄと８０ｄ、１００Ｅと８０ｅ、１００Ｆと８０ｆの組み合わせを選択してもよい。また、一つの土山８０に対して、複数のケーソンショベル１００が選択されてもよい。また、掘削機情報に含まれるケーソンショベル１００の稼働状況に関する情報に基づいて、稼働中であると判定されたケーソンショベル１００を排除して組み合わせを決定してもよい。
【0062】
次に、ステップＳ１５において、生成部６１３は、決定部６１２で決定した決定情報に基づいて、土山８０を掘削するためのケーソンショベル１００の軌道に関する軌道情報を生成する。軌道情報は、土山８０を掘削するためのケーソンショベル１００の軌道を示す情報であり、ケーソンショベル１００を当該軌道に沿って操作するための情報であってもよい。生成部６１３は、決定情報と土山情報とに基づいて、軌道情報を生成してもよい。生成部６１３は、決定情報と掘削機情報とに基づいて、軌道情報を生成してもよい。生成部６１３は、生成した軌道情報をコントロールユニット１６５に出力する。
【0063】
次に、ステップＳ１６において、ケーソンショベル１００は、生成部６１３により生成された軌道情報に基づいて、土山８０を掘削する。
【0064】
上述したステップＳ１１～ステップＳ１６を行うことにより、土山評価システム６は、評価値Ｅに基づいて、ケーソンショベル１００が掘削する土山８０を決定する。これにより、複数のケーソンショベル１００を用いて複数の土山８０を掘削する場合を考慮した評価値Ｅに基づいて、ケーソンショベル１００が掘削する土山８０を決定することができる。このため、ニューマチックケーソンの作業室２内の複数の土山８０に対して、複数のケーソンショベル１００を用いて効率よく掘削することができる。
【0065】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0066】
１ ケーソン
２ 作業室
３ 送気路
４ 走行レール
６ 土山評価システム
７ 刃口部
８ 地盤
１１ 土砂自動積込装置
１２ 遠隔操作装置
１３ 地上遠隔操作室
２１ マンシャフト
２２ マンロック
２３ マテリアルシャフト
２４ マテリアルロック
２５ 螺旋階段
３１ アースバケット
３２ キャリア装置
３３ 土砂ホッパー
４１ 送気管
４２ 空気圧縮機
４３ 空気清浄装置
４４ 送気圧力調整装置
４５ 自動減圧装置
５１ 非常用空気圧縮機
５３ ホスピタルロック
８０ 土山
８１ 頂点
１００ ケーソンショベル
１１０ 走行体
１１１ 走行フレーム
１１３ 走行ローラ
１２１ 旋回フレーム
１３０ ブーム
１３１ 基端ブーム
１３２ 先端ブーム
１３３ 伸縮シリンダ
１３４ 起伏シリンダ
１５０ バケットアタッチメント
１５１ ベース部材
１５２ バケット
１５３ バケットシリンダ
１６５ コントロールユニット
１６５ａ メインコントローラ
１６５ｂ 走行体用コントローラ
１６５ｃ ブーム・バケット用コントローラ
２０１ 走行体位置センサ
２０２ 旋回角度センサ
２０３ ブーム起伏角度センサ
２０４ ブーム伸長量センサ
２０５ バケット揺動角度センサ
２０６ 外界センサ
２１１ 走行体位置測定部
２１２ バケット位置測定部
２１３ 地盤形状測定部
６１０ 変換部
６１１ 評価部
６１２ 決定部
６１３ 生成部
２ 作業室
３ 送気路
４ 走行レール
６ 土山評価システム
７ 刃口部
８ 地盤
１１ 土砂自動積込装置
１２ 遠隔操作装置
１３ 地上遠隔操作室
２１ マンシャフト
２２ マンロック
２３ マテリアルシャフト
２４ マテリアルロック
２５ 螺旋階段
３１ アースバケット
３２ キャリア装置
３３ 土砂ホッパー
４１ 送気管
４２ 空気圧縮機
４３ 空気清浄装置
４４ 送気圧力調整装置
４５ 自動減圧装置
５１ 非常用空気圧縮機
５３ ホスピタルロック
８０ 土山
８１ 頂点
１００ ケーソンショベル
１１０ 走行体
１１１ 走行フレーム
１１３ 走行ローラ
１２１ 旋回フレーム
１３０ ブーム
１３１ 基端ブーム
１３２ 先端ブーム
１３３ 伸縮シリンダ
１３４ 起伏シリンダ
１５０ バケットアタッチメント
１５１ ベース部材
１５２ バケット
１５３ バケットシリンダ
１６５ コントロールユニット
１６５ａ メインコントローラ
１６５ｂ 走行体用コントローラ
１６５ｃ ブーム・バケット用コントローラ
２０１ 走行体位置センサ
２０２ 旋回角度センサ
２０３ ブーム起伏角度センサ
２０４ ブーム伸長量センサ
２０５ バケット揺動角度センサ
２０６ 外界センサ
２１１ 走行体位置測定部
２１２ バケット位置測定部
２１３ 地盤形状測定部
６１０ 変換部
６１１ 評価部
６１２ 決定部
６１３ 生成部
【要約】
【課題】ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に対して、複数の掘削機を用いて効率よく掘削することができる土山評価システム及びプログラムを提供する。
【解決手段】土山評価システムは、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に関する土山情報と前記土山を掘削するための複数の掘削機に関する掘削機情報とを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された土山情報と掘削機情報とに基づいて、それぞれの前記掘削機を用いてそれぞれの前記土山を掘削するときの評価を示す評価値を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された評価値に基づいて、前記掘削機が掘削する前記土山を決定する決定手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図４
【解決手段】土山評価システムは、ニューマチックケーソンの作業室内の複数の土山に関する土山情報と前記土山を掘削するための複数の掘削機に関する掘削機情報とを取得する取得手段と、前記取得手段により取得された土山情報と掘削機情報とに基づいて、それぞれの前記掘削機を用いてそれぞれの前記土山を掘削するときの評価を示す評価値を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された評価値に基づいて、前記掘削機が掘削する前記土山を決定する決定手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図４
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
