(57)【要約】【課題】トンネル施工を自動化するために情報管理を一元化し、坑内作業員の作業効率を向上させるための工事現場用情報化システムを提供すること。【解決手段】水平垂直方向に自在に旋回して測角測距を行って測定データを得る測角測距用ビーム装置とトンネル工事対象面に定点パターンを投影するマーキング用のレーザ装置とを備えたトータルステーションを用いるトンネル用総合測量システムにおいて、トンネル工事現場に無線通信用アンテナを適宜配置し、前記無線通信用アンテナを介して通信可能な、画像表示機能、画像撮影機能、音声通話機能、データ通信機能を備えた作業員用無線通信機器を配置し、前記作業員用無線通信機器とトンネル工事現場に配置された測量機器およびトンネル外のトンネル工事管理用コンピュータシステムとで構成されるネットワークを構成することを特徴とするトンネル工事現場用総合管理システムである。【選択図】        図３
2005344418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平垂直方向に自在に旋回して測角測距を行って測定データを得る測角測距用ビーム装置とトンネル工事対象面に定点パターンを投影するマーキング用のレーザ装置とを備えたトータルステーションを用いるトンネル用総合測量システムにおいて、
トンネル工事現場に無線通信用アンテナを適宜配置し、前記無線通信用アンテナを介して通信可能な、画像表示機能、画像撮影機能、音声通話機能、データ通信機能を備えた作業員用無線通信機器を配置し、前記作業員用無線通信機器とトンネル工事現場に配置された測量機器およびトンネル外のトンネル工事管理用コンピュータシステムとで構成されるネットワークを構成することを特徴とするトンネル工事現場用総合管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル施工を自動化するために情報管理を一元化し、坑内作業員の作業効率を向上させるための工事現場用情報化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネルの施工において、総合的かつ自動的にトンネル内の測量を管理するシステムとして『トンネル用総合測量システム』（特許文献１）がある。このシステムは、トータルステーションと演算制御部をトンネル内に設置するだけで、トンネル内で必要とされる各種測定を１つの装置で行うことができる。図１は特許文献１の測量の概略図であり、図２は測量の流れを示したもので、図の左が工程、中央が測量等の状況、右がデータを示している。
【０００３】
図２を中心に特許文献１に記載された技術について説明する。図２はトンネル用総合測量システムを用いた測量の流れの一例を示す説明図である。
・トンネル1内の切羽面2手前の任意の位置に水平垂直方向に自在に旋回して測角測距を行って測定データを得る測角測距用ビーム装置とトンネル工事対象面に定点パターンを投影するマーキング用のレーザ装置とを備えたトータルステーション10および演算制御部20を設置し、その設置座標を予め測量しておく。また両装置は、作業者のハンディターミナルで遠隔操作することができる。
・水平垂直方向に自在に旋回して測角測距を行って測定データを得る測角測距用ビーム装置とトンネル工事対象面に定点パターンを投影するマーキング用のレーザ装置とを備えたトータルステーション10は、切羽面2に対して距離および形状の測定を行う。その際得られた切羽面形状データおよび切羽面進行データは演算制御部20に送信される。
・引き続きマシン37の位置姿勢が検出されると、マシン位置姿勢検出データが、先に得られたデータやあらかじめ設定されている計画データに基づいて算出される。
・求められたマシン位置姿勢データはマシンの作業者に送信され、後の作業に反映される。その際に、無線等による誘導機能を有しているマシンであれば、その位置にハンディターミナルでマシンを誘導することもできる。
・また、データ処理により求められた切羽面2の定点位置に対して、切羽マーキングによるレーザー照射も行われる。
・次に、トンネルの任意の断面の形状を測定するために余掘り測定を行い、測定結果である余掘りデータを演算制御部20に送信する。そして、支保工の建て込みの位置確認のためにレーザー照射を行ったり、あるいは吹き付け後の確認にレーザー照射やビームによる測定を行う。また、トンネル断面の内空の変位測定を行い、内空変位データを演算制御部20に送信する。これらのデータを受け、演算制御部20は切羽マーキングや支保工建て込み等の掘削サイクルタイムデータを算出する。
・以上の各データは、事務所に設置された中央制御部35に送信される。これにより、総合的にトンネル坑内の状態が把握できる。
【０００４】
以上のように、該発明のトンネル用総合測量システムを用いれば、１台の水平垂直方向に自在に旋回して測角測距を行って測定データを得る測角測距用ビーム装置とトンネル工事対象面に定点パターンを投影するマーキング用のレーザ装置とを備えたトータルステーション10および演算制御部20をトンネル坑内に設置しておくだけで、１人の作業者でも、ハンディターミナルの遠隔操作で多種多様な測量や作業を速やかに行うことができる。
【特許文献１】特開２００１−１８２４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に見られるように、トンネル工事等において、工事用機器からデータを収集し、電話回線により遠隔地にある事務所などで閲覧をしたり、工事用機器を制御するシステムは存在していた。
【０００６】
本発明は背景技術で挙げた特許文献１の延長線上にあるもので、該文献においてハンディターミナルと呼ばれているものを改良し、かつその役割の範疇を拡大することを目的としている。該文献では、ハンディターミナルは無線機とともに使用し、作業員がマシンや演算制御部を遠隔操作するものとして使用している。なお図１において、ハンディターミナルは32、無線機は31、遠隔操作部は30である。
【０００７】
現在のトンネル施工現場では、機能が限定されたハンディターミナルが使用されていて、トンネル施工現場と現場事務所とのデータのやり取りや坑内の作業員間あるいは外部関係者と坑内作業員間のコミュニケーションはトランシーバが使われている。もちろん、無線ＬＡＮによるサーバーと演算制御処理部間のデータ送受信も行われる。例えば、該文献の記述によれば、「演算制御部20は、トータルステーション10から得られた測距データ及び測角データを受信するとともに、あらかじめ計画トンネル線形や、計画トンネル断面形状といった計画データが設定入力されている。そして、これらデータを基にデータ処理を実行し、トータルステーション10や、トンネル内で作業するマシン37を制御する。演算制御部20は、ハンディターミナル32で遠隔操作されるとともに、回線36で外部に接続することにより、例えばトンネル1坑外の事務所34等に設置された中央制御部35でもデータを把握することができるよう構成されており、データの総合的な管理に使用される。なお、回線36としては、電話回線やＬＡＮ等が利用可能である」（記号は図１、２を参照）となっている。
【０００８】
しかし、データ収集や制御が事務所から出来るからといっても、現場での実務を主眼に置かれたシステムではなく、事務所にて集中コントロール、閲覧をメインとしているため機動力に欠け、現場と事務所の往復も頻繁となり効率上の問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の発明が解決しようとする課題を解決するために、水平垂直方向に自在に旋回して測角測距を行って測定データを得る測角測距用ビーム装置とトンネル工事対象面に定点パターンを投影するマーキング用のレーザ装置とを備えたトータルステーションを用いるトンネル用総合測量システムにおいて、トンネル工事現場に無線通信用アンテナを適宜配置し、前記無線通信用アンテナを介して通信可能な、画像表示機能、画像撮影機能、音声通話機能、データ通信機能を備えた作業員用無線通信機器を配置し、前記作業員用無線通信機器とトンネル工事現場に配置された測量機器およびトンネル外のトンネル工事管理用コンピュータシステムとで構成されるネットワークを構成することを特徴とするトンネル工事現場用総合管理システムとする。
【００１０】
前記測角測距用ビーム装置は測角測距用の特定の反射物を必要としない測角測距用ビーム装置、または測角測距用の特定の反射物を必要とする測角測距用ビーム装置を用いることができる。測角測距用の特定の反射物を必要としない測角測距用ビーム装置と、測角測距用の特定の反射物を必要とする測角測距用ビーム装置とを組み合わせて用いることもできる。
【００１１】
本発明のシステムでは、作業員間のコミュニケーション、外部関係者との通信・管理を一元化している。本発明で用いるネットワークの通信規約としては、とくに制限はない。種々のプロトコルが利用可能であるが、現在最も広く利用されている規約であるＩＰ（Internet Protocol）を用いることもできる。
【００１２】
作業員用無線通信機器としては小型で携帯が容易なものが適当である。たとえば、カメラ付き携帯電話やＰＤＡ（携帯情報端末）などの各種機器が使用可能である。
【発明の効果】
【００１３】
作業員用無線通信機器を用いることによって、これまでデータの送受信、音声通話、写真撮影といった種類の異なる情報の伝達手段を、無線や電話回線などの異なる通信網で行っていたものが、統一的に利用・管理することができるようになった。これによって、通信網の統一による維持管理のしやすさや管理コストの軽減などが可能となった。また、作業員用無線通信機器を利用する作業員にとっては、通信メディアの選択という煩雑さがなく、ミスの少ない効率的な作業が行えるようになっている。
【００１４】
本発明ではトンネル施工現場（坑内および抗外周辺）という特定の限られたエリアであるために、ＰＤＡやＰＨＳなどが有効に利用できる。例えばＰＨＳの場合にはＩＳＤＮと同様のデジタル接続が可能で、携帯電話に比べてデータの転送速度が速い。また公衆サービス的な利用法ではなく（公衆回線、公衆無線基地を用いた利用法ではない）、無線ＬＡＮインターフェイスとしてのパーソナルユース的利用方法が可能である。このため、従来の技術を本発明に応用するだけでよいので、システム構築が容易であり、開発コストが安価であるという点も本発明のメリットとなっている。
【００１５】
本発明の作業員用無線通信機器では写真撮影やその写真の送信、リアルタイムのサーバーからの情報入手、通話などの機能が利用できるようになっている。しかも、作業員用無線通信機器１台で前記のような処理がこなせるために、作業員の作業効率が飛躍的に向上している。また作業員用無線通信機器から演算制御装置や各種マシンへのデータ送信を事務所の管理用コンピュータシステムのサーバーを通して行うことによって、情報を一元的に管理し、作業員の作業内容を履歴として記録しておくことができ、事故や作業ミスが起きた場合の原因解明に役立てることが可能となっている。
【００１６】
アンテナを介して作業員用無線通信機器との交信が行われるので、作業員の位置を常に監視できるので、作業の安全性が高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図３は本発明の概要を示すシステム構成図である。符号の200以上は基本的に特許文献１と比較して本発明で追加されたか、あるいは改良されている部分である。坑内は、サーバー500（図１の中央制御部35に相当）につながる回線309に接続されたアンテナ300が各所に設置されている。すなわち、システム全体は無線ＬＡＮで構成されている。作業員33は作業員用無線通信機器であるＩＰモバイル情報端末200を携帯し、サーバーからの情報受信、サーバーへの情報送信を行うとともに、該端末で作業員同士33´（または作業関係者）の通話なども行うことができる。
【００１８】
また本発明で利用する作業員用無線通信機器はＣＣＤカメラを搭載したものを想定（無い場合も可）しているから、坑内の状況を写真に撮り、直接サーバーに送信して坑内の状況を事務所に知らせることもできる。演算制御装置20（演算制御部）への制御指令も該端末で行う。なお、図では直接該端末間同士の通信を直接アンテナを通して行っているように記述しているが、実際には各端末間の送受信の情報（データや音声）はサーバーを介している。この点を、演算制御装置への指令を例に説明する。
【００１９】
作業員33は作業員用無線通信機器200より、データを打ち込んで指令を発信する。発信された指令は最寄りアンテナ300で受信され、サーバー500に送られ、サーバーで宛先が解読され、演算制御装置20の最寄りのアンテナに送られ、さらに演算制御装置用のアンテナ310（端末用アンテナ）に電波301として送信される。アンテナ310と演算制御装置20とはケーブル311で接続されていて、指令が演算制御装置に伝えられ、解読される。演算制御装置は指令に従って何らかの処理が行われる。
【００２０】
例えば指令が「トータルステーション10に対して切羽面2までの距離を測定しろ」というものであれば、演算制御装置は回線36を通して指令を水平垂直方向に自在に旋回して測角測距を行って測定データを得る測角測距用ビーム装置とトンネル工事対象面に定点パターンを投影するマーキング用のレーザ装置とを備えたトータルステーションに伝え、その指令を受けてトータルステーションはビーム181を照射して切羽面までの距離を測定する。このような計測データは演算制御装置からサーバー500に送信され、データベース510に保存される。このデータを作業員は必要に応じて作業員用無線通信機器でアクセスし、該端末のディスプレイで参照することができる。なお、ビーム182はマシン37（掘削等の作業を行う作業機）を自動追尾し、マシンの位置や姿勢を得たり、あるいは定点に設置されている光波プリズム17に照射して座標の変位を測定したりするもので、図では同じ線上に描いてあるが、ビーム181とは役割が異なる。
【００２１】
切羽面2の観測画像を得るためにカメラ400が切羽面の近くに設置されている。このカメラが撮影した切羽面の画像は無線で最寄りのアンテナ300に送信され、さらに回線309を介してサーバー500に送られ、ディスプレイ520でモニタリングすることができるようになっている。またサーバーを介してモバイル端末で作業員が見ることもできる。
【００２２】
作業員用無線通信機器として携帯電話やＰＨＳを使う場合には、坑内の作業員が外部（遠隔地）の人と通話したいときには、サーバーを介して電波がアンテナ530から基地局600に送信され、公衆サービス網を通じて自由に通話することもできる。また電子メールなどを送信する場合には、インターネット610を介して行うことも可能である。また現場事務所34のサーバー500と遠隔地の本社や支社700のサーバー710とのデータの送受信は電話回線540や無線531を用い、インターネット610を介して行うことができる。
【００２３】
図３では、トンネル1坑内のアンテナ300と現場事務所34のサーバー500とを通信回線309で直接接続しているが、トンネルの出口に通信制御装置を設置し、サーバーとトンネルとの間の通信を無線にすることも可能である。
【実施例】
【００２４】
本発明の実施例を図４で説明する。図は少し煩雑になっているが、トンネル1坑内のマシン37、カメラ400、演算制御装置20あるいは水平垂直方向に自在に旋回して測角測距を行って測定データを得る測角測距用ビーム装置とトンネル工事対象面に定点パターンを投影するマーキング用のレーザ装置とを備えたトータルステーション10からのデータはアンテナ300で受信し、バックエンドである現場事務所34のサーバー500に送信される。また坑内の作業員の所持する作業員用無線通信機器200で、各種データをサーバーより取り寄せて参照したり、それを基に各種マシン（演算処理装置なども含む）への動作命令（指令）を出したりすることができる。
【００２５】
図では直接バックエンド（サーバー）とフロントエンド（モバイル端末）を直接結んでいるが、実際にはアンテナ300を介してデータの送受信が行われる。図の意味は、作業員用無線通信機器からの各マシンへの動作命令もサーバーを介して行われていることを意味している。なお、アンテナ300は無指向性のコリニア型アンテナである。これは、指向性のアンテナよりも広範囲をカバーでき、マシンなどの移動にも対応しやすいからである。ただし、電波の有効距離には限界があるために、坑内の全域をカバーできる間隔で複数のアンテナをトンネル内に設置しておく必要がある。
【００２６】
作業員用無線通信機器で行うことのできる処理としては、測量計算、切羽観測データの打ち込み、写真撮影（該端末に搭載のＣＣＤカメラによる撮影）、カメラ400への動作指令（撮影方向や撮影の開始・終了などの指令）、自動マーキングシステムの運転指令などである。このような指令の発信や、データアクセス・画面参照あるは測量計算などを作業員用無線通信機器で行えるようにするために、作業員用無線通信機器にはこれらの処理に対応したプログラムを搭載しておかなければならない。データのアクセスや画面参照のアプリケーションはＪａｖａ（登録商標）を用いて記述しておくと、アクセス時間の短縮や画面参照時のスクロール等の処理スピードのアップが図れる。これは作業員用無線通信機器を使用することによるメリットでもある。
【００２７】
本発明の他の実施例について説明する。作業員用無線通信機器は、マイク、スピーカー、無線通信機能、表示画面、カメラ、ＣＰＵ、メモリ、キーボードを備えており、トンネル工事現場用総合管理システムの制御、計測データのグラフィック化、各種トンネル施工用重機の機械データ（水温、油温、油圧、アワーメータ、各種アラーム等）表示、トンネル内に設置されたカメラの画像閲覧などのプログラムが内蔵されている。
【００２８】
現場内にはアンテナが適宜設置され、各機器と無線通信し、現場事務所に設置されたサーバーはそのデータを蓄積している。トンネル外には、コンクリート用プラント、濁水処理プラント、騒音、振動監視装置などがあり、サーバーと接続されている。サーバーはインターネットに接続しており、遠隔地にあるオフィスや各種トンネル施工用重機のメンテナンス会社からデータが閲覧できる。
【００２９】
作業員用無線通信機器は、現場職員全員が携帯する。ただし、メイン機は一台で、トンネル工事現場用総合管理システムの制御を行う機能があるのはこれ一台である。その他サブ機は、その他の機能すべてを備える。
【００３０】
トンネル掘削時の作業例について説明する。メイン機を持った作業者Ａが、トンネル工事現場用総合管理システムを操作し、切羽進行をチェックする。設定された切羽距離でレーザーマーキングを行い、掘削作業を行う。ダイナマイトによる発破を行う場合には、作業員用無線通信機器により、現場全体へのアナウンスとサイレンの作動を行う。掘削後に、作業員用無線通信機器により、切羽の写真を撮影し、観察記録の評価区分を入力する。得られた画像、評価のデータは直ちにサーバーに蓄積され、他の作業者Ｂが持つ作業員用無線通信機器でも、事務所のパソコンでも自由に閲覧できる。
【００３１】
これにより、今まで手帳にメモした項目と、カメラで取った写真を事務所に持ち帰り、パソコンに入力し、切羽観察記録表を作成していた作業が軽減される。掘削された岩石を運び出すズリ出し作業が始まると、作業者ＡとＢはトンネルの外に退避するが、カメラの画像を作業員用無線通信機器で閲覧し、常時把握できる。また、吹き付け作業をする際にも、作業者Ｂは、吹き付けロボットの運転と、コンクリート用プラントからミキサー車で材料を運び出すタイミングを簡単に把握できる。
【００３２】
また、作業者Ａが、吹き付け作業が終わったらすぐにトンネル工事現場用総合管理システムを操作し、内空変位計測を行うつもりであったとした場合に、吹き付け作業が終わるまでは少し離れた明かり部の測量も行おうとしたとする。従来は、ミキサー車の動きを見て吹き付け作業の終わりを判断していたので、見通しの利かない地点では勘に頼るほかなった。本発明のシステムでは、作業員用無線通信機器の配備により、頻繁にトンネル内の状況がチェックでき、効率が大幅に向上した。計測したデータは瞬時にすべての作業員用無線通信機器から閲覧が可能となり、全作業者が、トンネルの変位状況を共有できるようになった。
【００３３】
さらに、各種トンネル施工用重機、コンクリート用プラント、濁水処理プラント等のデータはそれぞれ各機器メーカーのサービス部門から閲覧でき、メンテナンス情報として役立てることができる。
【００３４】
通常、現場においては一日一回、作業打ち合わせが行われるが、作業者Ｃ（現場の責任者）は、作業の変更点をサーバーに入力し、打ち合わせに出席できなかった全員に周知させることができる。従来から行われていたような、トランシーバ、内線電話、外線電話による音声通信をすべて作業員用無線通信機器によって行うことができ、さらに作業員すべての作業員用無線通信機器の近いアンテナを知ることができるため、おおよその位置を把握できる。特に作業フィールドが細長く、見通しの利かないトンネル現場においては、作業員同士の配置確認に大きな効果を有する。
【００３５】
このように、本発明のトンネル工事現場用総合管理システムを導入することにより、これまで事務作業を行い、紙媒体などに出力し配布していた資料などが、測定や入力した瞬間に全作業員に配信され、現場全体の情報共有が、これまでに無いレベルで達成される。よって、作業者は効率的に作業を行うことができ、工事そのもののコスト削減に大きな効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
作業員用無線通信機器を用いることによって、これまでデータの送受信、音声通話、写真撮影といった種類の異なる情報の伝達手段を、無線や電話回線などの異なる通信網で行っていたものが、統一的に利用・管理することができるようになった。これによって、通信網の統一による維持管理のしやすさや管理コストの軽減などが可能となった。また、作業員用無線通信機器を利用する作業員にとっては、通信メディアの選択という煩雑さがなく、ミスの少ない効率的な作業が行えるようになっている。
【００３７】
本発明ではトンネル施工現場（坑内および抗外周辺）という特定の限られたエリアであるために、ＰＤＡやＰＨＳなどが有効に利用できる。例えばＰＨＳの場合にはＩＳＤＮと同様のデジタル接続が可能で、携帯電話に比べてデータの転送速度が速い。また公衆サービス的な利用法ではなく（公衆回線、公衆無線基地を用いた利用法ではない）、無線ＬＡＮインターフェイスとしてのパーソナルユース的利用方法が可能である。このため、従来の技術を本発明に応用するだけでよいので、システム構築が容易であり、開発コストが安価であるという点も本発明のメリットとなっている。
【００３８】
本発明の作業員用無線通信機器では写真撮影やその写真の送信、リアルタイムのサーバーからの情報入手、通話などの機能が利用できるようになっている。しかも、作業員用無線通信機器１台で前記のような処理がこなせるために、作業員の作業効率が飛躍的に向上している。また作業員用無線通信機器から演算制御装置や各種マシンへのデータ送信を事務所の管理用コンピュータシステムのサーバーを通して行うことによって、情報を一元的に管理し、作業員の作業内容を履歴として記録しておくことができ、事故や作業ミスが起きた場合の原因解明に役立てることが可能となっている。
【００３９】
アンテナを介して作業員用無線通信機器との交信が行われるので、作業員の位置を常に監視できるので、作業の安全性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】特許文献１におけるトンネル用総合測量システムの構成図である。
【図２】特許文献１におけるトンネル用総合測量システムでの測量の流れを示す説明図である。
【図３】本発明のトンネル施工情報一元管理のための作業員用無線通信機器システムの構成図である。
【図４】本発明のトンネル施工情報一元管理のための作業員用無線通信機器システムの実施例での具体的な処理説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１        トンネル
２        切羽面
３、４    断面
１０      トータルステーション
１７      光波プリズム
１８      ビーム
１９      レーザ
２０      演算制御部（演算制御装置）
３０      遠隔操作部
３１      無線機
３２      ハンディターミナル
３３      作業者（作業員）
３３´    作業者（作業員、作業関係者）
３４      事務所
３５      中央制御部
３６      回線
３７      マシン（掘削等の作業を行う作業機）
１８１    ビーム（マシン自動追尾用＜マシンの姿勢測定用＞）
１８２    ビーム（光波プリズム追尾用＜変位測定用＞）
２００    作業員用無線通信機器（ＩＰモバイル情報端末）
３００    アンテナ
３０１    電波（無線）
３０９    無線ＬＡＮ用の回線
３１０    アンテナ（演算制御装置用アンテナ）
３１１    アンテナ用ケーブル
４００    カメラ（切羽観測カメラ）
５００    サーバー（中央演算装置）
５１０    データベース
５２０    ディスプレイ
５３０    アンテナ
５３１    電波（無線）
５４０    電話回線
６００    基地局
６１０    インターネット
７００    本社あるいは支社
７１０    サーバー（本社あるいは支社に設置されたサーバー）
【図１】
2005344418.tif 000003
【図２】
2005344418.tif 000004
【図３】
2005344418.tif 000005
【図４】
2005344418.tif 000006