(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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（±Δθｘ  、±Δθｙ  ）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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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