(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機の掘削音を取得する集音装置と、前記取得された掘削音に基づいて音響分析処理を実行する音響分析装置と、を有する地質・地層変化検知装置であって、
前記音響分析装置は、
音響特徴量を抽出する関数を用いて、前記掘削音から音響特徴量を抽出する音響特徴量算出手段と、
前記音響特徴量に基づいて、前記音響分析処理に用いる基準音部分空間を作成する基準音部分空間作成手段と、
前記音響特徴量と前記基準音部分空間との間の逸脱距離を算出する逸脱距離算出手段と、
前記逸脱距離の大小を判断するための閾値を設定する閾値設定手段と、
前記逸脱距離が前記閾値を超えているか否かを判断する比較手段と、
を備え、
前記基準音部分空間作成手段は、前記掘削機による掘削作業の開始直後における第一所定時間内に前記集音装置によって取得された掘削音に基づいて前記音響特徴量算出手段が算出した前記音響特徴量から、前記基準音部分空間を作成し、
前記閾値設定手段は、前記第一所定時間経過後の第二所定時間内に前記集音装置によって取得された前記掘削音に基づいて前記音響特徴量算出手段が算出した前記音響特徴量から、前記閾値を算出し、
前記比較手段は、前記第二所定時間経過後に、逸脱距離が前記閾値を超えているか否かを判断する処理を実行することを特徴とする地質・地層変化検知装置。
【請求項２】
前記音響特徴量算出手段が用いる前記関数は、高次局所自己相関関数であることを特徴とする請求項１に記載の地質・地層変化検知装置。
【請求項３】
前記第一所定時間及び前記第二所定時間の少なくとも一方を、前記掘削機の掘削作業前にユーザが設定可能なユーザインターフェース部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の地質・地層変化検知装置。
【請求項４】
前記掘削機から供給される制御信号に応じて、前記基準音部分空間作成手段、前記閾値設定手段及び前記比較手段の動作タイミングを制御する動作制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の地質・地層変化検知装置。
【請求項５】
前記集音装置は、前記掘削機の掘削刃を移動させるドリフタ上に配置されていること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の地質・地層変化検知装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の地質・地層変化検知装置と、この地質・地層変化検知装置の前記比較手段の判断結果に基づいて報知動作を行う報知装置と、を備えたことを特徴とする掘削機。
【請求項７】
掘削機の掘削音を取得し、その取得された掘削音に基づいて音響分析処理を実行することで地質・地層の変化を検知する地質・地層変化検知方法であって、
音響特徴量を抽出する関数を用いて、前記掘削音から音響特徴量を抽出する音響特徴量算出ステップと、
前記音響特徴量に基づいて、前記音響分析処理に用いる基準音部分空間を作成する基準音部分空間作成ステップと、
前記音響特徴量と前記基準音部分空間との間の逸脱距離を算出する逸脱距離算出ステップと、
前記逸脱距離の大小を判断するための閾値を設定する閾値設定ステップと、
前記逸脱距離が前記閾値を超えているか否かを判断する比較ステップと、
を備え、
前記基準音部分空間作成ステップは、前記掘削機による掘削作業の開始直後における第一所定時間内に実行し、
前記閾値設定ステップは、前記第一所定時間経過後の第二所定時間内に実行し、
前記比較ステップは、前記第二所定時間経過後に実行することを特徴とする地質・地層変化検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、採石や杭打ち等の穿孔掘削作業中に地質や地層の変化を検知するのに好適な検知装置、検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
土木工事において、地中深くに存在する特定の地層と地層の境界位置に到達することを目的とした穿孔掘削作業が発生する。一例として建築物の基礎工事では杭打ちするために支持層に至る地点まで穿孔する必要があるが、このとき穿孔し過ぎると支持杭を安定することができない。また石炭の採掘工事では石炭を露出させて掘り出すために、石炭層の上に載っている砂岩層に孔を開け発破する必要がある。このとき穿孔し過ぎると石炭の露出が不調となる。そのため掘削機の掘削刃の先端位置において、掘削地盤の地層が変化したことを正確に検知できる技術が求められていた。
こうした検知技術として、特許文献１乃至３に開示されるように、掘削機のドリルに音響センサを装着し、この音響センサによって取得された掘削音の変化から地質や地層の変化をリアルタイムで検知するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３２４４１２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４２６１９号公報
【特許文献３】特開２０１１−３８２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし地盤の中の状態は極めて複雑であり、同じ地層であっても、水分の分布状態や岩石等の包含状態は、場所により或いは深度により必ずしも一様ではない。また異なる地層が積層している場合、その積層状態は大きく歪んでいたり屈曲していたりすることも多い。
この点、特許文献１に開示された発明は、掘削音の波形をオシロスコープ等で観測し、これらと事前に用意した波形及び周波数のデータとを目視対比することによって地質や地層の変化を判断する。また特許文献２に開示された発明は、掘削音の振幅が単位時間あたりに閾値を超えた度数の分布を作成し、これと事前に用意した地質・地層毎の同様の度数分布データとを照合することによって地質や地層の変化を判断する。また特許文献３に開示された発明では、掘削音の周波数スペクトルを取得し、これと、目標地盤と同等の地盤を掘削した際に取得しておいた教師スペクトルとを比較することによって地質や地層の変化を判断する。
【０００５】
よって、特許文献１乃至３に開示された技術を用いる場合、事前に用意したこれらの基準データを取得したときの地盤の状態と、これから掘削しようとする地盤の状態が近似しているということが前提になっている。しかし両者は必ずしも一致しない。そのため穿孔掘削作業の実際の現場では、掘削音変化の検出精度が一定しないという問題が生じていた。
【０００６】
また多様な地盤の状態に対応する検知装置を得るためには、多数の基準データを穿孔掘削作業の前に用意する必要があり、かつ掘削作業の対象地盤に適した基準データを、ユーザが作業の都度、検討し選ばなければならない。そのため地質・地層変化の検知作業全体で見ると作業負担が大きく、かつ作業工数も多くて煩雑になるという問題が生じていた。
本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、掘削作業現場で検知のために取得される掘削音のデータと、これと比較される基準データとの間の、地盤状態の相違に基づく不適合性を改善し、基準データの準備作業や選択作業の負担が極めて少ない地質・地層変化の検知装置及び検知方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の目的を達成するために、本発明に係る地質・地層変化の検知方法および検知装置を次のように構成したことを特徴とする。
本発明に係る地質・地層変化の検知装置の第一の態様は、掘削機の掘削音を取得する集音装置と、前記取得された掘削音に基づいて音響分析処理を実行する音響分析装置と、を有する地質・地層変化検知装置であって、音響分析装置は、音響特徴量を抽出する関数を用いて、前記掘削音から音響特徴量を抽出する音響特徴量算出手段と、音響特徴量に基づいて、音響分析処理に用いる基準音部分空間を作成する基準音部分空間作成手段と、音響特徴量と基準音部分空間との間の逸脱距離を算出する逸脱距離算出手段と、逸脱距離の大小を判断するための閾値を設定する閾値設定手段と、逸脱距離が閾値を超えているか否かを判断する比較手段とを備え、基準音部分空間作成手段は、掘削機による掘削作業の開始直後における第一所定時間内に集音装置によって取得された掘削音に基づいて音響特徴量算出手段が算出した音響特徴量から、基準音部分空間を作成し、閾値設定手段は、第一所定時間経過後の第二所定時間内に集音装置によって取得された掘削音に基づいて音響特徴量算出手段が算出した音響特徴量から、閾値を算出し、比較手段は、第二所定時間経過後に、逸脱距離が閾値を超えているか否かを判断する処理を実行することを特徴とする。
【０００８】
本発明の第二の態様では、前記第一の態様の音響特徴量算出手段が用いる関数を高次局所自己相関関数(Higher-order Local Auto-Correlation)としてもよい。なお、以下の本明細書中においては特に明記しない限り、高次局所自己相関関数のことを単に「ＨＬＡＣ」という。
本発明の第三の態様では、前記第一又は第二の態様の第一所定時間及び第二所定時間の少なくとも一方を、掘削機の掘削作業前にユーザが設定可能なユーザインターフェース部を備えてもよい。
【０００９】
本発明の第四の態様では、前記第一乃至第三の態様の掘削機から供給される制御信号に応じて、基準音部分空間作成手段、閾値設定手段及び比較手段の動作タイミングを制御する動作制御手段を備えてもよい。
本発明の第五の態様では、前記第一乃至第四の態様の集音装置を、掘削機の掘削刃を移動させるドリフタ上に配置してもよい。
本発明の第六の態様では、前記第一乃至第五の態様の地質・地層変化検知装置と、この地質・地層変化検知装置の比較手段の判断結果に基づいて報知動作を行う報知装置とを備えた掘削機としてもよい。
【００１０】
本発明の第七の態様は、掘削機の掘削音を取得し、その取得された掘削音に基づいて音響分析処理を実行することで地質・地層の変化を検知する地質・地層変化検知方法であって、音響特徴量を抽出する関数を用いて、掘削音から音響特徴量を抽出する音響特徴量算出ステップと、音響特徴量に基づいて、音響分析処理に用いる基準音部分空間を作成する基準音部分空間作成ステップと、音響特徴量と基準音部分空間との間の逸脱距離を算出する逸脱距離算出ステップと、逸脱距離の大小を判断するための閾値を設定する閾値設定ステップと、逸脱距離が閾値を超えているか否かを判断する比較ステップとを備え、基準音部分空間作成ステップは、掘削機による掘削作業の開始直後における第一所定時間内に実行し、閾値設定ステップは、第一所定時間経過後の第二所定時間内に実行し、比較ステップは、第二所定時間経過後に実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
従って、本発明を適用した地質・地層変化の検知装置の第一の態様は、これから掘削しようとする掘削対象地盤の地質・地層の状態に応じた基準データを、掘削作業の進行に併せて掘削作業現場で速やかに取得する。そしてこの基準データに基づいて掘削音の音響分析処理を実行することによって、掘削作業時の掘削音変化を精度良く検知する。そのため、地盤状態が多様であっても対応できる優れた汎用性を有している。
【００１２】
また本発明を適用した地質・地層変化の検知装置の第二の態様は、音響特徴量算出手段が用いる関数として高次局所自己相関を用いる。ＨＬＡＣは、音響信号を時間−周波数平面の２次元の変化パターンから音響特徴量を抽出するため、音響信号の時間的変化と周波数的変化を同時に反映した特徴抽出が可能になる。またＨＬＡＣの逐次型主成分分析により、基準音部分空間は逐次更新学習される。よってこの音響特徴量を用いることにより、掘削中の現在の地盤状態を反映した精密な分析が可能となる。よって地質・地層変化に起因する掘削音の微妙な変化を精度よく捉えることができる。
【００１３】
また本発明を適用した地質・地層変化の検知方法の第三の態様においては、第一所定時間及び第二所定時間の少なくとも一方を、ユーザが任意に設定可能となることから、作業現場に応じた最適な検知処理を行うことができる。
また本発明を適用した地質・地層変化の検知方法の第四の態様においては、ユーザは掘削機から制御信号を送信して、基準音部分空間作成手段、閾値設定手段及び比較手段の動作タイミングを制御することができる。よって効率的に掘削作業を実行することができる。
【００１４】
また本発明を適用した地質・地層変化の検知方法の第五の態様においては、集音装置を掘削機の掘削刃を移動させるドリフタ上に配置するため、ドリルやロッドで発生する音を作業の進行度合に関係なく、ほぼ一定の品質で集音することができる。
また本発明を適用した地質・地層変化の検知方法の第六の態様は、本発明に係る地質・地層変化検知装置と、この地質・地層変化検知装置の比較手段の判断結果に基づいて報知動作を行う報知装置を備えた掘削機である。よって、ユーザに地質や地層が変化したことを報知することのできる掘削機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る地質・地層変化検知装置のブロック図である。
【図２】集音装置の取り付け位置を示す図である。
【図３】本発明の音響分析処理を示すフローチャートである。
【図４】逸脱距離の算出例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
（構成）
図１は、本発明に係る地質・地層変化検知装置１０のブロック図である。
地質・地層変化検知装置１０は、掘削機に配置されている集音装置１００と、集音装置１００によって取得された掘削音に基づいて音響分析処理を実行する音響分析装置１２０と、音響分析装置１２０による判断結果に基づいて報知する報知装置１５０と、同じく音響分析装置１２０による判断結果を表示する結果表示装置１４０と、上記集音装置１００及び報知装置１５０と音響分析装置１２０の間に介在してデータの入出力処理を行うユーザインターフェース１１０と、音響分析装置１２０用のメモリと、音響分析処理のために用いられるプログラムのバイナリコードやパラメータの設定値等を記憶する記憶装置１７０と、上記パラメータの設定変更等を行う操作キーパネル１６０を備えている。
以上の中で集音装置１００以外は、基本的に掘削機のキャビン内においてユーザに対して配置されている。
【００１７】
またユーザインターフェース１１０は、掘削音を増幅するアンプ（図示せず）と、アナログ‐ディジタル変換するＡＤコンバータを備える。
ユーザインターフェース１１０によって処理される掘削機からの制御信号発信装置１３０として、回転SW、打撃SW、フラッシングSW、フィード前進SW、フィード後進SW、ジャミングSW、フィード圧力センサ、手動開始SWがある。これらの制御信号発信装置１３０から供給される各信号は、後述する学習開始条件処理や、終了条件処理の実行に用いられる。
【００１８】
集音装置１００は、掘削機が地盤を掘削する際の掘削音を取得する。取得された掘削音は音響分析装置１２０に取り込む。図２に掘削機における集音装置の取り付け位置を示す。
音響分析装置１２０は、音響特徴量算出部１２０ａと、基準音部分空間作成部１２０ｂと、逸脱距離算出部１２０ｃと、閾値設定部１２０ｄと、比較部１２０ｅとを備える。音響分析装置１２０は、集音装置１００が取得した掘削音に基づいて音響分析処理を実行するものである。
【００１９】
音響特徴量算出部１２０ａは、音響特徴量を抽出する関数を用いて、集音装置１００が取得した掘削音から音響特徴量を抽出するものである。
基準音部分空間作成部１２０ｂは、音響特徴量算出部１２０ａが抽出した音響特徴量に基づいて、音響分析処理に用いる基準音部分空間を作成するものである。
逸脱距離算出部１２０ｃは、音響特徴量算出部１２０ａが抽出した音響特徴量と、基準音部分空間作成部１２０ｂが作成した基準音部分空間との間の逸脱距離を算出するものである。
【００２０】
閾値設定部１２０ｄは、逸脱距離算出部１２０ｃが算出した逸脱距離の大小を判断するための閾値を設定するものである。
比較部１２０ｅは、逸脱距離算出部１２０ｃが算出した逸脱距離が、閾値設定部１２０ｄが設定した閾値を超えているか否かを判断するものである。
報知装置１５０は、音響分析装置１２０による判断結果に基づいてユーザに対して報知するものである。
【００２１】
結果表示装置１４０は、音響分析装置１２０による判断結果をユーザに対して表示するものである。
ユーザインターフェース１１０は、集音装置１００及び報知装置１５０と、音響分析装置１２０の間に介在してデータの入出力処理を行うものである。
メモリは音響分析装置１２０の分析処理に用いられるものである。
記憶装置１７０は、音響分析処理のために用いられるプログラムのバイナリコードやパラメータの設定値等を記憶するものである。
操作キーパネル１６０は、パラメータの設定変更等を行うものである。
【００２２】
（パラメータ）
本発明の処理に用いられるパラメータは、掘削対象地盤に応じて適宜変更することができる。しかし一般的な多くの石炭採掘現場に適用する場合においては、特に以下のように定義してもよい。
開始条件の連続時間S：０〜５秒の間
圧力値P0：０〜１０MPａの範囲
第一所定時間：５秒間
第二所定時間：５秒間
調整係数α：代表的な値としては６などに設定される。
終了条件の連続時間Ｅ：０〜１０秒の間
このように各パラメータの値を設定することにより、多くの場合、石炭採掘現場において効率のよい音響分析処理を行うことができるので、本発明に係る地質・地層変化検知装置１０の実施形態を、より好適なものとすることができる。
【００２３】
（作用）
図３は本発明の音響分析処理を示すフローチャートである。
まずユーザが掘削機を起動すると、連動して本発明に係る地質・地層変化検知装置１０が起動する。集音装置１００は集音可能となるよう通電され、音響分析装置１２０は初期設定等の準備をする。ユーザは必要に応じ、操作キーパネル１６０を用いて設定入力操作を実行する。
その後、掘削機に取り付けた集音装置１００で掘削音の取得が開始される。ユーザインターフェースは、取得された掘削音をアンプで増幅し、さらにＡＤコンバータでアナログ−ディジタル変換処理を実行する。その後、このディジタル化した音響信号を音響分析装置１２０に取り込む処理を実行する。こうして取り込まれた音響信号から、音響特徴量算出部１２０ａによって、音響特徴量が抽出され、ステップＳ２０に移行する。
なお、この掘削音取得処理と取得した掘削音の音響特徴量抽出処理は、後述する処理が進んでも、並列して実行され続ける。
【００２４】
ステップＳ２０では、ステップＳ３０以降の音響分析処理を開始するかどうか、下記（１）（２）のいずれかの制御信号１３０によって制御される。
（１）回転SW,打撃SW,フラッシングSWの３つのSWが全てONである入力信号と、フィード圧力がS[秒]以上連続してP0[MPa]を上回った場合に送信される入力信号
（２）手動開始SWがONである入力信号
なおフィード圧力信号はアンプで増幅し、さらにＡＤコンバータでアナログ‐ディジタル変換処理した後、音響分析装置１２０での処理に用いる。
【００２５】
上記（１）（２）のいずれかの入力信号を受け取った場合、音響分析処理はステップＳ３０に移行して、このステップＳ３０では、基準音部分空間作成部１２０ｂは、並行して実行されている掘削音取得処理及び音響特徴量処理を通じて抽出された音響特徴量から、基準音の学習処理を実行する。このようにして、現在掘削している地盤の基準データとしての基準音部分空間が作成される。
この基準音部分空間作成処理（ステップＳ３０）を、パラメータの一つである第一所定時間の間実行する。この第一所定時間が終了し基準音の学習が終了すると、ステップＳ３０で学習された基準音部分空間のパラメータを記憶装置１７０に記憶させるとともに、次のステップＳ４０の処理へ引き渡す。
【００２６】
ステップＳ４０では、逸脱距離算出部１２０ｃによって、掘削音取得処理と音響特徴量抽出処理を通じて抽出された音響特徴量の、基準音部分空間からの逸脱距離を算出する。
この逸脱距離算出処理（ステップＳ４０）を、パラメータの一つである第二所定時間の間実行する。この第二所定時間の間、算出された逸脱距離は次の閾値設定処理（ステップＳ５０）へ順次引き渡し、ステップＳ５０において閾値作成に用いる。第二所定時間が終了しこの処理が終了すると、音響分析処理はステップＳ６０に移行する。なおステップＳ４０及びＳ５０で算出された逸脱距離及び閾値のパラメータは記憶装置１７０に記憶させている。
ステップＳ６０では、以下の手順に従って逸脱距離に対する閾値を設定する。第二所定時間の間に算出された逸脱距離(１２０ｄ(n),n=1,...,N)の平均μと標準偏差σを求め、
【００２７】
【数１】
0006016010.tif 000002
【００２８】
【数２】
0006016010.tif 000003
調整係数αを用いて閾値θを次式により算出する。
【００２９】
【数３】
0006016010.tif 000004
【００３０】
ステップＳ６０では、比較部１２０ｅによって、音響変化の検知処理を実行する。掘削音取得処理と音響特徴量抽出処理を通じて抽出された音響特徴量から、逸脱距離算出処理（ステップＳ４０）を通じて逸脱距を算出する。この算出された逸脱距離と設定された閾値との大小を比較する。
算出された逸脱距離が閾値より小さい場合、処理はステップＳ７０に移行する。これはステップＳ６０と同等の処理を実行して逸脱距離を算出する。そしてステップＳ８０に移行して、比較部１２０ｅによって閾値との大小を比較する。
ここでも算出された逸脱距離が閾値より小さい場合、再度ステップＳ７０に回帰し、中断処理を実行しない限り、ステップＳ７０とステップＳ８０の処理を繰り返す。
【００３１】
反対に、算出された逸脱距離が閾値以上となる場合、処理はステップＳ９０に移行する。ステップＳ９０では音響分析装置１２０は、ドリルビットが現在掘削している部位において、地質・地層の変化が生じたと判断し、ユーザインターフェース１１０を介して報知装置１５０に信号を送信する。これにより報知装置１５０は警報ブザーを鳴らしてユーザに報知する。また音響分析装置１２０は、ユーザインターフェース１１０を介して結果表示装置１４０に信号を送信する。これにより結果表示装置１４０はユーザに対して視覚的に結果を表示する。
【００３２】
音響分析装置１２０は、音響分析処理を終了するかどうか、下記（４）〜（６）のいずれかの制御信号１３０によって制御される。具体的には、
（４）ジャミングSWがONに切り換わった場合である入力信号
（５）フィード後進SWがONに切り換わった場合である入力信号
（６）フィード前進SWが１２０Ｅ[秒]以上OFFの場合である入力信号
上記（４）〜（６）のいずれかを受け取った場合に、音響分析処理を終了して、待機状態に移行する。
以上が、本発明に係る音響分析処理の基本の流れとなる。
【００３３】
（効果）
本発明に係る地質・地層変化検知装置１０は、上述した音響分析処理を実行することによって、掘削作業時の掘削音の変化を精度良く検知する。そのため、掘削対象の地盤がどんなに多様な地質・地層状態である場合であっても、環境条件が作業毎に異なる場合であっても、対応できるという有利な効果を奏する。
【実施例】
【００３４】
図４に、ステップＳ３０〜ステップＳ６０で説明した処理の例を示す。図４では横軸が時間で縦軸が逸脱距離を示す。
図４に示す音響分析処理では、地質・地層が変化したと判断するための逸脱距離に対する閾値を、基準音学習を行った直後の５秒間で算出される逸脱距離の期待値と標準偏差から求めている。時刻00:01.9あたりから掘削を開始し、その直後の５秒間で基準音の学習を行っている。そして続く５秒間で算出される逸脱距離の期待値と標準偏差から音響変化検知の閾値を求め、それ以後の区間では逸脱距離と閾値を比較している。そして逸脱距離が閾値を超えた時刻00:25.7から地質・地層が変化し始めたと判断している。
【符号の説明】
【００３５】
１０      地質・地層変化検知装置
１００    集音装置
１１０    ユーザインターフェース
１２０    音響分析装置
１２０ａ  音響特徴量算出部
１２０ｂ  基準音部分空間作成部
１２０ｃ  逸脱距離算出部
１２０ｄ  閾値設定部
１２０ｅ  比較部
１３０    制御信号
１４０    結果表示装置
１５０    報知装置
１６０    操作キーパネル
１７０    記憶装置
【図１】
0006016010.tif 000005
【図２】
0006016010.tif 000006
【図３】
0006016010.tif 000007
【図４】
0006016010.tif 000008