特集 新技術を活用しよう

建設機械の自動運転システムの開発及び実証株式会社DeepX代表取締役

な す の那須野かおる

薫になく新規なものであり開発方法が確立していな

1.

はじめにい」等の課題がある。課題 A や課題 B は国土交
通省の建設機械施工の自動化・自律化協議会や国立研究開発法人土木研究所の取り組み等で議論さ建設産業では，他産業と比べて高齢化率が高く，現在から将来にわたり，働き手不足の課題感れている。課題 C については，もっぱら民間企業がチャレンジしている。

が強い。建設業全体で働き手不足を解消すべく，株式会社 DeepX は，「あらゆる機械を自動化省人化や自動化を推進する動きが強くなっていし，世界の生産現場を革新する」という野心的なる。例えば，国土交通省は，「建設機械施工の自ミッションを掲げる東京大学発のロボティクス・動化・自律化協議会」を 2022 年に立ち上げ，建AI スタートアップである。現在，油圧ショベル設機械（建機）の自動施工の実用化に向けた協議やクレーン，ブルドーザといった大型建機や重機を開始した。の自動運転システムの開発や実証を事業として展技術的に開発を後押しする要素も少なくない。

開している。

ロボットシステム開発の基盤 OSS である ROS

本稿では，多様な条件下における認識や判断，（Robot Operating System）の産業利用も進み，制御等を含む建機の自動運転システムに関して，建機の自動運転システムをロボットシステムとし当社での事例をもとに，主に課題 C とその解決て開発するハードルが低下した。また，計算機や策を紹介する。

センサー等のハードウェアも改善され，ディープラーニング等の AI 技術も著しく進展し，周辺環境の認識やそれに応じた適応的なアルゴリズムの2.

建機自動運転システム開発の課題開発も盛んである。
建機の自動運転は，現在，開発や実証の段階に一般に，機械の自動化の内容は，「①環境，②あり，普及に向けて課題は少なくない。実現に対象機械，③対象物，④作業内容」が定まるとおは，「A：建機施工の自動運転時の安全ルールがおむね一意に定まる。簡便に書くと，例えば，定まっていない，B：どの工法が自動運転に適し「①締め固められた平らな土の土台の上に，②コているかユースケースの整理が追いついていな

ンマ 5 のバックホウがあり，③前方下部にある柔い，C：建機の自動運転システム自体がこれまで

らかい土砂を，④掘削し側方にあるダンプのベッ42

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セルに積み込む」等のように自動化の内容を定義る。そのため，新機能の追加や既存機能の修正をできる。各要素のばらつきやバリエーションが多行う中で技術的な負債が蓄積され，機能の追加やいほど，自動運転システムが対応すべき条件が多修正，それらの検証が困難となることがしばしばくなり，システム自体が複雑になる。

起き得る。

建設現場では，環境を制御できる工場とは異な

そうなると，多くの工数や時間をかけてリファり，これらの要素にはバリエーションやばらつきクタリングするか，あるいは，スクラップ＆ビルが存在する。例えば，先の例では，ダンプの形やドをせざるを得ず，つまり，それまで開発したも位置，傾き，土の形状や硬さ等，バックホウの駆のも全て捨て，一からシステム全体を作り上げる動系の誤差などが例として挙げられる。建機の自ということをせざるを得なくなってしまう。

動運転システムは，それらのばらつきに対応するいずれの場合でも，時間や経済的な損失は大きい。

ために周辺環境を認識し状況に応じて適応的な判断や制御をリアルタイムに行う必要がある。そのため，従来の工場での自動化システムと比して，

3.

‌システムの拡張性を維持する‌
打ち手システムの複雑度が高い。
また，建機の自動運転システムの開発では，細当社では，建機の自動運転システムの開発におかい粒度での要件定義と開発，検証を繰り返す必けるこれらの課題を解決するために，開発の拡張要がある。建機の自動運転システムは，既に世の性の維持を目的として，主に二つの打ち手に取り中に存在し開発方法が確立されたシステムの類で組んでいる。一つ目が，建機の自動運転システムはない。そのため，事前に全ての開発要件を定めの設計に共通的に用いられるアーキテクチャの考ウォーターフォール開発をすることは難しい。建案及び導入であり，二つ目が，システム統合テス

機の運転には，安全も関わるため，細かな検証もトのシミュレータを用いた自動化である。これら必要である。の二つの内容を紹介する。

しかしながら，単に，ボトムアップ的に細かく

図− 1 に当社における建機の自動運転システム追加機能の開発をすればよいというわけでもなの開発プロセスを示す。システム開発に際し，開い。建機の自動運転システムは複雑なシステムで発すべき要素は多岐にわたるが，当社では主にソあり，システム内でのあるモジュールの追加や変フトウェア開発を行っている。具体的には，認更がシステムの他の部分に影響する可能性があ

識，判断，制御等の機能モジュール，それらのシ共通SW

Gazebo図− 1

DeepX における建機自動運転システムの開発プロセス
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ステム基盤である OS（ROS ベース），シミュレ

なぜなら，ここでの設計が適切でなかった場合，ータ（Gazebo ベース）等の開発を担う。その他

繰り返される追加機能の開発の過程において，アのハードウェアの手配や開発等は連携企業が行うーキテクチャに沿わない機能要求が生じた段階こととなっており，ここには記載していない。開で，場当たり的な開発となり，いずれかのタイミ発プロセスについては次のとおりである。

ングで開発が破綻してしまうからである。

①

まず，現場調査及び要件定義を実施する。特開発プロセス④について，当社では，この統合に，環境，対象機械，作業内容，対象物等につテストを現場試験と同様の内容の試験をシミュレいて理解を深め，開発すべき建機の自動運転シータをとおして自動で行えるようにしている。理ステムを具体化する。

論的には，この統合テストは実機を用いて行うこ②

次に，システム設計及びテスト設計を行う。とは可能である。しかし，実機を用いた試験は準

ここでは，当社の過去の知見やノウハウから設備や実施するのに時間的にも経済的にもコストが計された「共通 SW アーキテクチャ」をもと大きくなる。にシステム設計を行う。同様にテスト設計でそのため，しばしば頻度を下げたり，あるいはは，当社が有する「共通シミュレータ基盤」を検証項目の一部を省略してテストが行われたりすもとに設計する。これらの特徴については後述

る。実機で統合テストを行うからといってテストする。の頻度を下げた場合，システムモジュール間の不③

その後，機能開発及び機能テストを行う。こ

適合の発見が遅れ手戻りが生じるリスクが上がる。

れらは，基本的には，開発要素ごとに独立してあるいは，検証項目の一部を省略した場合，アー行われる。そのため，当該テスト時点では，建キテクチャに沿わない部分や不適合の有無が確認

機の自動運転システム全体に統合した後の要素されていない部分が蓄積されていき，結果的にシ間の干渉や不適合の検証は必ずしも行われていステム全体の破綻や安全リスクの増大につながっない。てしまう。

④

各要素の開発及び機能テスト後に，それらを建機の自動運転システムの複雑性に起因して求建機の自動運転システムに統合し，システム全められる高い頻度と細かい粒度での統合テスト

体の検証である統合テストを行う。この統合テを，実機操作の時間的・経済的コストが高い建機ストをとおして，追加，変更したシステムモジで行うためには，シミュレータを活用した統合テ

ュールの影響や全体として目的の作業が実現さストが有用である。

れるか等を評価，検証する。統合テストの課題

まとめると，当社では，シミュレータで建機のと当社における打ち手については後述する。

自動運転システム全体の統合テストを行う前提で⑤

統合テスト後，現場や試験場で試験を実施する。

⑥

事前に「共通 SW アーキテクチャ」及び「共通シミュレータ基盤」を設計及び開発している点，最後に，現場試験での結果を検証，開発要件

また，統合テストをシミュレータをとおして行うを修正あるいは追加し，機能開発を行う。そのことで，高い頻度で項目を減らすことなく検証で後は，機能開発から現場検証までの一連の流れきる点，それらによって，安定して拡張性を維持を繰り返す。

した複雑なシステム開発を実現できている点が特

特に，開発プロセス②について，この共通 SW徴である。

アーキテクチャは，後続する一連の開発ステップ（機能開発，現場試験及びその検証）の繰り返しをとおした継続的な追加機能の開発及び機能修正に耐えられるように設計されている必要がある。

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安全を担保するハードルが低く，かつ，自動で動

4.

建機自動運転の事例

く産業用機械の作業半径に人が立ち入ってはならないとする労働安全衛生法の影響も少ない点である。

以上の開発プロセスに沿って開発を行った事例

三つ目は，作業内容において，地山の掘削と運を紹介する。当社は，さまざまな建機の自動運転

搬，排土の繰り返しが多く，自動化時の経済的なに取り組んでいるが，ここでは，ニューマチックメリットが大きい点である。換言すると，「1. はじケーソン工法で用いられる建機「ケーソンショベめに」で先述した課題 A や課題 B の影響が小さル」の自動運転を題材として紹介する。

い工法であり，自動運転を実証し，実用化を進めニューマチックケーソン工法は，橋梁や建造物ていく上では，望ましい条件が整った工法であるの基礎として，また，下水ポンプ場，地下調整ため，他の工法に先駆けて開発を推進している。

池，シールドトンネルの立坑，地下鉄や道路トン

シミュレータを用いた統合テストの様子をネルの本体構造物として幅広く活用される工法で

図− 2 に示す。左が物理演算を含むシミュレータある。地上で鉄筋コンクリート製の函（躯体）をの様子で，右が当該シミュレータをとおして統合構築し，躯体下部に作業空間を設け，ケーソンシテストを実施している自動運転システムの「GUI」

ョベルや排土するためのアースバケットを設置が表示する可視化の画面である。高い頻度でシスし，掘削と排土及び躯体の沈下を繰り返すことテム全体の検証ができることで，実機検証時の不で，縦に掘り進める。

具合が生じる頻度が低下し，開発及び検証全体のこのニューマチックケーソン工法は，次の 3 点
より建機の自動運転の適用に適していると考えられる。

効率化が確認されている。
次に，開発した自動運転システムの GUI 及び自動運転による掘削や排土の様子をそれぞれ一つ目は，作業空間の気圧が高く多くの場合に図− 3，4 に示す。

遠隔施工が標準で，センサーやアクチュエータのユーザは，リアルタイムに地山や建機を可視化

デジタル化が進んでおり，自動化に向けた素地がする本システムの GUI（図− 3 ①）上で，ショある点である。

ベルごとに掘削エリア及び排土エリアを指定（図二つ目が，作業空間内には原則として人が立ち− 3 ②）し，自動運転開始ボタンをクリックす入らないため，一般土工と比較し，自動運転時にる。その後，まずシステムが機械を動かす軌道を

図− 2

シミュレータを活用した統合テストのイメージ
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地山の形状などを考慮し自動で算出し（図− 3

ユーザは領域を指定した後は建機の挙動の監視③），次に算出された軌道に従って建機が自動にだけをすればよいため，図− 4 のように複数台の動き（図− 3 ④），そして一連の動作として指定建機を 1 人で動かすこともできる。また，夜間でされた領域で掘削及び排土を自動で連続して行うの連続作業によって，工期全体を短くできる可能ことができるようになっている。

性もあるとして期待されている。

5.

おわりに

本稿では，建機の自動運転システムを開発する上で課題となる拡張性を維持した開発の難しさについて説明した。その後，当社で取り組む打ち手として，共通アーキテクチャの導入及び開発，または修正したシステムモジュールの統合テス
トをシミュレータによる自動化及びその有用性について説明した。建機の自動運
転システム開発はいまだにその手法が確立した段階ではなく，本稿で紹介した内容も，今後の開発や検証をとおして改善していくことになると考えられる。
DeepX は，今後も建機の自動運転システムの開発や実証を事業として推進し，中長期的な観点での建設産業全体の生産性や安全性の向上に貢献していきたい。

図− 3

自動運転システムの GUI 及び自動運転の様子

図− 4

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1 人が 2 台のケーソンショベルを自動運転させる様子

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