MR 技術を活用したトンネル維持管理システムの開発
Development of Tunnel Maintenance Management System
Utilizing Mixed Reality Technology
若林宏彰*1

長沼 諭*2

Hiroaki Wakabayashi

Satoshi Naganuma

要旨
MR 技術を活用したトンネル維持管理システム（トンネル MR）は、トンネルの維持管理に必要なデータを、実際の構造物の所定の位置に、ウェアラブル端末を介して 3 次元の仮想物体をホログラムで表示することによって、ひび割れなどの不具合や施工精度の確認を容易にしたものである。また、ウェアラブル端末の装着者がハンドジェスチャーで端末を操作しながら、現地でひび割れなどの進展状況を直接スケッチして記録できる作図機能を付加することによって、高精度な点検調書を迅速に作成することが可能になる。
本報告は、トンネル MR を用いて現場実証試験を実施し得られた知見を述べるとともに、今後の導入効果を検討した結果について報告したものである。
キーワード：トンネル MR ホログラム 維持管理

１．はじめに

本報告では、トンネル MR の有意性を確認するために国道371 号（仮称 新紀見トンネル）道路改良工事において実施

我が国では、高度経済成長期に集中的に整備されたインフラが今後一斉に老朽化する。国土交通省が掲載している

した現場実証試験から得られた知見を述べるとともに、今後の導入効果を検討した結果について報告する。

インフラメンテナンス情報によると、道路トンネルに関しては現在使用されている約 1 万 1 千本のトンネルのうち、建設後 50 年以上経過するトンネルが、2023 年では約 27%、2033 年では約 42%と、今後 15 年以内に 1.5 倍以上増加することが判明しているため、効率的に維持管理を行っていく必要がある。一方、道路トンネルの点検は、国土交通省が定める「道路トンネル定期点検要領」に基づき、5 年に 1回の頻度で近接目視と打音検査による定期点検が実施されている（写真 1）。しかし、実際のトンネル点検作業ではト
写真 1ンネル坑内が暗く、覆工表面が排気ガスやばい塵などで汚トンネル点検状況れている場合が多いため、不具合箇所を探すのに時間を要している。また、覆工の変状区分の判定においては、地形

２．トンネル MR の概要や地質、水圧などの外圧に起因する変状なのか、乾燥収縮や温度変化、中性化、アルカリ骨材反応などのコンクリー

トンネル MR は、トンネルの点検や変状区分の判定に必要トの劣化に起因する変状なのかを判定するのが困難な場合な維持管理データを、ウェアラブル端末を介して実構造物も多い。そのため、現地では、膨大な設計書、施工記録やに投射するとともに、現地で維持管理データを追加・更新維持管理記録から総合的な判定を実施するのが困難といっできるシステムである。

た問題点もある。

本システムは、事前に施工記録や維持管理データをウェ今回開発した MR 技術を活用したトンネル維持管理シス

アラブル端末に搭載された小型コンピューターに記録し、テム（以下、トンネル MR）は、現地でウェアラブル端末を現地にて位置情報を付与したビーコンや AR マーカーから、使用して、変状箇所と地質情報や維持管理情報を合わせてウェアラブル端末の各種センサーを用いて空間を認識させ、確認することで覆工の変状区分の的確な判定を可能にする

実構造物に 1 分の 1 スケールのホログラムとして 3 次元デとともに、現地でひび割れなどの維持管理データを追加・ータを投射するものである（図 1）。また、現地においてひ更新することで維持管理業務の効率化を図るものである。

び割れや漏水などの不具合箇所を発見した場合、作図機能*1

技術本部 土木技術部*2

技術本部 技術企画部― 1 ―鴻池組技術研究報告

図12020トンネル MR の概要を使用して維持管理データを追加・更新できる。の 特 徴 点 を 検 出 し て ト ラ ッ キ ン グ を 行 い 、 内 部 の IMU

今回、トンネル MR にはウェアラブル端末に Microsoft 社製の MR デバイスである『HoloLens』を使用し、維持管理デ（Inertial Measurement Unit）センサーにより傾きを調整して装着者の自己位置を特定するものである。

ータの投射・更新には当社と共同開発を進めるインフォマ
ティクス社の HoloLens 対応の『GyroEye Holo』をカスタマイズしたシステムを使用した。
2.1

MR デバイス「HoloLens」

MR デバイスである HoloLens が映し出す MR について、
VR や AR と比較しながら説明する。
一 般 に ビ デ オ ゲ ー ム 機 な ど で 広 く 使 用 さ れ る VR
（Virtual Reality）は「仮想現実」を意味し、ヘッドマウ
ントディスプレイ（HMD）などを使用して仮想世界にさまざ
まな 3 次元情報を表示するもので、装着者は現実世界から完全に切り離された仮想空間にいるように感じられる。ま図2

HoloLens の概要

た、AR（Augmented Reality）は「拡張現実」を意味し、タブレットやスマートフォンなどを使用して現実世界に 2 次

2.2

データ入力・表示ソフト「GyroEye Holo」

元情報を重ね合わせて表示するもので、代表的なものとし

HoloLens に 3 次元データを入力・表示するためのソフトては携帯ゲームアプリの「ポケモン GO」などがある。一方、である GyroEye Holo は、HoloLens がバックグラウンドでMR（Mixed Reality）は「複合現実」を意味し、VR と AR をスキャンする現実空間の 3 次元メッシュデータ上に、専用融合したものであり、HMD などを使用して現実世界に 3 次の AR マーカーを起点として、仮想の図面や 3 次元データを元情報を表示するもので、装着者は現実世界に仮想の物体連結・固定して表示させる仕組みとなっている。さらにクがあたかもそこにあるかのように感じられる。

ラウドサーバーを介して、いつでも任意にユーザーがデー

MR 技術を活用するためには、一般に外界の 3 次元情報タを変換し、HoloLens に取り込める流れが一連のパッケーをリアルタイムにスキャンする仕組みと、自己位置を正確ジとして採用されている。トンネル MR は、この GyroEyeに特定する仕組みとが必要とされ、これらをケーブルレス

Holo をカスタマイズし、トンネル坑内で維持管理データをかつ周囲に外部センサー機器などが一切不要な単体で実現投射・更新できるようにシステム化したものである。

できるものが Microsoft 社製の HoloLens である（図 2）。
HoloLens は、物体の形状や奥行きを認識できる深度セ

2.3

ホログラム表示機能

ンサー、周囲の映像から特徴点を認識する環境認識センサ

トンネル MR のホログラム表示機能は、HoloLens の SLAMーといった外界センサーを搭載することにより SLAM 技術

技術により覆工表面に構築された 3 次元メッシュデータ上（Simultaneous Localization and Mapping）を活用できに、任意の維持管理データをトラッキングさせながら映しる。この SLAM 技術は、深度センサーにより前方 3m～5m 程出す機能である。

度の範囲の物体を 3 次元メッシュデータとしてスキャンしながら、環境認識センサーにより広範囲かつ高精度に映像ホログラム表示機能の使用手順を以下に示す。
① トンネルの点検および覆工の変状区分の判定に必要と― 2 ―MR 技術を活用したトンネル維持管理システムの開発なる維持管理データを HoloLens に登録する。
② トンネル坑内の覆工 3～5BL 毎の任意の位置に、位置情報を付与した AR マーカーを設置する。
③ HoloLens により AR マーカーから位置情報を読み込み、位置情報とリンクした維持管理データを呼び出す。
④ HoloLens の外界センサーにより、トンネル覆工表面と装着者の位置を認識し、レイヤ一覧から呼び出した維持管理データを覆工表面の任意の位置にホログラムとして投射する（図 3～6）。
図6⑤ 移動中は、常時、HoloLens の外界センサーにより、前舗装コンクリート・排水表示例

方 3～5m 程度の範囲の物体をスキャンしながら現在位置を測定・認識し、移動に合わせて覆工表面にホログラム1m 以内に接近すると表示を追随させる。
⑥ 2 次元データは予め任意の位置に登録ポイントとして配置しておき、装着者が 1m 以内に接近すると自動的に展開するように設定する（図 7）。

図72.4

2 次元データ登録ポイント表示例

作図機能の概要

作図機能は HoloLens のハンドジェスチャー認識機能を使用し、SLAM 技術により覆工表面に構築された 3 次元メッシュデータ上に、ひび割れのトレースや長さ計測、記号や図3レイヤ一覧表示例

コメントの貼付けを行うものである。今回使用したハンドジェスチャーは、Air Tap（人差し指を立てて、まっすぐ下に倒す動作。クリックに相当）と、Tap and Hold（Air Tapをしてから人差し指と親指で掴むような動作。ドラッグやスクロールに相当）の 2 種類で、装着者の指の動きを認識して指先の延長上にあるメッシュデータに作図を行うシステムである。
今回開発した作図機能の項目を以下に示す。
○ひび割れ朱書き機能：ひび割れの進展に合わせてひび図4割れをトレースする機能（図 8）

地質展開図表示例○計測機能：ひび割れや不具合箇所の長さや大きさを計測する機能（図 9）○記号貼付け機能：現地の漏水箇所や剥離・剥落箇所などに記号を付記する機能（図 10）○コメント貼付け機能：現地のひび割れや不具合箇所に音声や文字を付記する機能○CAD 出力機能：現地で作図した 3 次元の維持管理デー
タを事務所に持ちかえり、2 次元展開図や 3 次元展開図として CAD データに出力する機能（図 11～12）。
図5

ひび割れ展開図表示例― 3 ―鴻池組技術研究報告2020

水色：新規ひび割れ

図8

ひび割れ朱書き機能表示例
図 12

3 次元ひび割れ展開図表示例

３．現場実証試験
3.1

現場実証試験の概要

トンネル MR の有意性を確認するため、国道 371 号（仮称新紀見トンネル）道路改良工事において現場実証試験を実施し、複数の維持管理データを投射・更新させた際のシステムの視認性や動作性、システム精度について確認した。
今回使用した維持管理データを以下に示す。
図9

計測機能表示例○2 次元データ：断面図、切羽観察記録、内空変位計測結果、トンネル品質管理記録、覆工出来形調書○3 次元データ：ひび割れ展開図、地質展開図、湧水展開図、支保パターン展開図、3 次元モデル（舗装コンクリート・排水）3.2

システムの視認性と動作性の確認

トンネル坑内の照度環境と、特徴点の少ない覆工表面において、トンネル MR の視認性や動作性を確認した。
図 13 に、ひび割れ展開図、地質展開図および 2 次元デー
タ登録ポイントを重ね合わせて表示させた装着者の視覚画
図 10

記号貼付け機能表示例

像を示す。
HoloLens で投射されるホログラムは、坑外の明るい照度

水色：新規ひび割れ

環境下においては視認しにくいことがあるが、トンネル坑内の 20～30 ルクス程度の暗い照度環境下においては鮮明に視認できることを確認できた。また、特徴点の少ない覆工表面において、自己位置を特定しながら地質展開図やひび割れ展開図など複数のホログラムを重ねて表示させても、装着者の動きや移動に対して、ずれや遅れを生じることなくスムーズに追随することを確認できた。
図 14、15 に作図機能によるひび割れ作図状況を示す。
HoloLens でスキャンした覆工表面の 3 次元メッシュデータ上に、装着者が外界センサーの認識距離となる 3～5m 離

図 11

2 次元ひび割れ展開図表示例

れた位置からひび割れや記号を作図できることを確認でき― 4 ―MR 技術を活用したトンネル維持管理システムの開発た。また、一旦 HoloLens 内に外界センサーの認識距離内で3.3システム精度の確認

3 次元メッシュデータが記録されると、装着者の指先の延装着者の移動時や作図時に生じるトンネル MR のシステ長上にある約 7m 先のトンネル天端のメッシュデータ上にム精度を確認するため、トンネル側壁部やトンネル底盤部も、ひび割れや記号などを作図できることも確認できた。などの作図の位置、その他の条件に応じて生じるずれとの以上の結果より、トンネル MR を使用することにより、装関係性や規則性について確認し、その要因を推定した。

着者が現地において移動しながら覆工表面にホログラムをシステム精度の測定方法は、トンネル MR の作図機能を使スムーズに映し出し、覆工表面の離れた位置から維持管理用して 3 次元データによる計測ポイントを方眼紙の原点にデータを追加・更新できることを確認できた。

重ね合わせ、装着者が 30m 移動した際の方眼紙の原点とHoloLens が映し出す計測ポイントとのずれを確認する方法とした。
図 16、17 にシステム精度確認用方眼紙の設置状況を示す。精度確認用の方眼紙は、トンネル側壁部（GL+1.5m）およびトンネル底盤部（GL±0m）の L 側、R 側の 30m 区間に10m 間隔で合計 16 箇所設置した。

L側

R側

10m

10m
10m

Z10m10m

Y10m

X

装着者がデータ登録ポイン
トに近づくとハンズフリーで自動的にデータ表示

図 13

図 16

装着者の視覚画像システム精度確認用方眼紙の設置状況

5cm5cm

3～5m

原点
誤差Δ

HoloLens 上の計測ﾎﾟｲﾝﾄ
図 14

ひび割れ作図状況（トンネル側壁部）
図 177m 以上

システム精度確認用方眼紙

既存のひび割れ表 1、2 にシステム精度確認結果を示す。
30m 歩行時のずれは 8mm から 50mm の範囲にあり、最大値50mm のずれが確認された箇所は、トンネル側壁部で 2 点/8箇所、トンネル底盤部で 1 点/8 箇所であった。これにより、
HoloLens のシステム精度は歩行距離を 30m とした場合に0.17%程度の小さい値であることを確認できた。また、これ

図 15

新規ひび割れらの結果からは、作図の位置や測定回数との関係性や規則ひび割れ作図状況（トンネル天端部）性は認められなかった。さらに、装着者の歩行速度が速い― 5 ―鴻池組技術研究報告

2020

場合や動作が大きい場合に、HoloLens の外界センサーによその場で比較できるようになり、より多くの情報を手軽り 3 次元メッシュデータが新しく再構築され、HoloLens のに確認できる。そのため、変状箇所と、設計・施工との映し出す計測ポイントにずれが生じる傾向が見られた。こ因果関係や発生原因を的確かつ迅速に評価することが可れらのことから、ずれの要因としては HoloLens の SLAM 技能となる。

術を活用する際の自己位置を特定するための情報や、情報③ 内空断面や設計寸法が、その場で容易に確認できるとと処理能力が不足していたことが考えられる。

もに、排水管などの地下埋設物を 3 次元モデルとして現維持管理業務の内、過去のひび割れと作図スケッチとを地に投射できるため、補修・補強工事実施時の支障物へ重ね合わせ、その進展状況を確認するような点検・調査業の損傷を防止できる。

務では、ホログラムの表示精度が重要となってくる。その④ 作図機能を使用して維持管理データを追加・更新し、2ため、今後はホログラムの表示精度や作図精度のさらなる次元展開図や 3 次元展開図として CAD データに出力でき向上を目指して、HoloLens の情報処理能力の向上、自己位るため、点検調書の作成効率が向上する。

置特定機能の改善や周囲環境情報の補填などについて開発⑤ 計測機能を使用し、離れた場所から不具合箇所の範囲をを進める必要があると考えられる。

確認しながら補修・補強工事の対策範囲を設定できるため、現地合わせなど材料加工の作業効率が向上する。

表1
測点
坑内距離方向
誤差
1回目
(mm)
2回目
Δ最大値(mm)
測点
坑内距離方向
誤差
1回目
(mm)
2回目
Δ最大値(mm)

表2測点
坑内距離方向
誤差
1回目
(mm)
2回目
Δ最大値(mm)
測点
坑内距離方向誤差
1回目(mm)2回目
Δ最大値(mm)システム精度確認結果（トンネル側壁部）
Y
8-32Y-400L-10m
Z0-25
41
R-10m
Z10-2041Δ841Δ4120

L-210m
YZ
00-40 -2045
R-210mYZ-20 105-2022Δ045

Δ2221

L-320mYZ-15 -5-50
550
R-320mYZ
020
15 -1020

Δ
1650

Δ
2018

L-430mYZ-150-50050
R-430mYZ
101020020⑥トンネル点検技術で広く導入されている MIS（MobileImaging Technology System）や MMS（Mobile MappingΔ1550System）で取得した 3 次元の正確なひび割れデータを、トンネル MR に取り込むことにより、さらに高精度な点検や評価を実施できる。

Δ
1420４．おわりにシステム精度確認結果（トンネル底盤部）
LD-10mX
Y-30 40
103050RD-10m
X
Y5-57-58Δ5032Δ
78LD-210m
X
Y01553030RD-210m
X
Y-10 -2-15817

Δ
1530X
1515Δ
1017X
1010LD-320m
Y202025RD-320m
Y-10014Δ
2525X
2538

Δ
1410X
3520

今回、現場実証試験において得られた結果から、今後のLD-430m
Y202043RD-430m
Y-10536

維持管理業務におけるトンネル MR の有意性を確認するこΔ
3243とができた。
MR 技術を活用した HoloLens は、2017 年に日本国内でリリースされた新しい技術であり、さまざまな分野で活用のΔ
3621

広がりを見せている。建設業界では、これらの MR 技術を活用することで維持管理段階のみならず、設計や施工段階の多種多様な業務においても効率化や省力化が図れることが期待されている。しかし、現地において不具合箇所と投射

3.4トンネル MR における導入効果の検討

画像との整合性をとり、正確な点検や評価を実施するため

トンネル MR は、現場実証試験で得られた知見を踏まえてには、MR 機器に入力し、表示するデータが正確なものでな表示精度や作図精度をさらに向上させることにより、トンければならない。また、トンネル MR の実用化に向けてソフ

ネル坑内の暗い照度条件下、かつ、特徴点の少ない覆工表

ト面では、今回開発した作図機能の項目選定や機能拡張に面においても、高精度にホログラムを投射させて作図する

加え、国土交通省が進める CIM との連携や AI によるひび割ことが可能になる。

れ自動抽出技術などの導入を進め、ハード面では、屋外作以下に、トンネル MR の現地での使用における今後の維持業時の気温や湿度変化への対応と防水性、防塵性の向上、管理業務への導入効果について検討した結果を示す。

バッテリー時間延長などへの対応が必要になる。こうした① ひび割れ展開図などの 3 次元データを実構造物に投射

課題を着実に解決していくことでトンネル MR の適用範囲することでトンネル変状箇所を容易に認識でき、点検漏が広がっていくものと考えている。

れや見落としを防止できる。

今後、トンネルを含むインフラの点検や建設工事におけ② 変状箇所と、地質や施工情報および維持管理情報などの登録したデータとを、紙媒体ではなく電子データとして、る業務の効率化に寄与できるよう、さらに MR 技術の活用を図り、技術開発を進めていく所存である。

― 6 ―