先端技術を活用したこれからの建設工事の展望 特集

道路建設工事における情報化施工
鹿島道路株式会社機械部
やまぐち

たつ や山口達也

機能を紹介するとともに米国での３D―MC 事情

１． はじめに

近年の道路建設工事は，公共工事の品確法の施を併せて報告するものである。

２． 情報化施工の道路建設機械への適用

行に伴う総合評価方式の適用に代表されるように，より高い技術力が企業に求められるようにな!ってきている。このような社会情勢の変動に伴国土交通省「情報化施工のビジョン―２１世紀のい，要求される品質を確保すると共に施工を合理建設現場を支える情報化施工」（２００１年３月）に化するための新技術，新工法の開発に施工会社，

おいて情報化施工とは「情報技術を建設施工に適メーカー共にこれまで以上の努力を重ねている状用して，多様な情報の活用を図ることにより，施況である。新技術のなかでもコンピュータあるい工の合理化をはかる生産システムである。
」と定は通信技術など情報化技術の分野の発展は目覚し義されている。

情報化施工における自動化の範囲

く，各分野に大きな影響を与えているが，道路建広い意味を持つ情報化施工ではあるが，ここで設分野においても例外ではない。これらの技術をは道路建設機械の自動制御化といった視点で検討応用することにより，現場作業の合理化を図る情したい。現場作業においては作業条件が常に変化報化施工が可能となり，測量データと CAD デー

し一定ではないため，建設機械の作業装置は人的タの連携，ローラ転圧時の回数および温度管理，操作に委ねる割合が多く，製造業における生産ラトラックの運行管理，また舗装の平坦性向上シス

インの工作機械のようにすべてを自動化することテムなど，多岐に渡り積極的に取り入れられていは作業環境の安全性の面からも困難である。従っる。特に設計データを用いて直接，施工機械を制て人的操作では困難な作業のみを支援させるシス御することが可能な建設機械の３次元マシンコンテムとして実用性を検討すべきであろう。これら

トロールシステム（以下３D―MC：３Dimensionalのシステムを導入する目的は，操作員の技量に左Machine Control System）は 最 先 端 の 情 報 化 施

右されることなく，高い施工品質と施工出来高を工技術として知られるようになってきた。

安定的に確保することにある。

本報は道路建設工事における情報化施工の一例
として，建設機械の３D―MC を取り上げ，その建設マネジメント技術

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特集 先端技術を活用したこれからの建設工事の展望

図―１

従来の施工手順と３D―MC の作業プロセス" ３D―MC の概要の が 自 動 追 尾 ト ー タ ル ス テ ー シ ョ ン（以 下，３D―MC は施工エリアの３次元設計データを「TS」という）である。この TS の機能を利用し元に作成された制御データにより，建設機械の作て建設機械の自動制御を行うシステムは LPS（Lo-業装置を制御するシステムである。このシステム

cal Positioning System）方式とも呼ばれる。TSは施工エリアの設計上の座標情報と建設機械の作による制御は，TS が測定した建設機械の位置情業装置が位置する実際の位置情報とを照合するこ報を無線により建設機械のコントローラに送信とにより，自動的にその差異を補正し，要求されし，その送られてきた位置情報を建設機械のコンる設計座標に沿った施工面を再現することができトローラに収められた制御データと照合することる機能を備えている。この機能により施工が完了により作業装置を制御するタイプと，TS から照した面と設計データとの差を自動計算させること射するレーザビームが直接，建設機械の作業装置ができ，データの一元管理が可能となる。また施を制御するタイプのものがある。現在，日本国内

工時のオペレータの負担は大幅に軽減されるととで最も普及しているシステムは後者のタイプであ

もに，施工基準として必要とされる測量用丁張りる。

杭の設置手間が大幅に削減される。
３D―MC は位置情報の入手方法として，測位"TS によるマシンコントロールのプロセス

衛星からのデータを利用した GPS 方式と自動追ここでは日本国内で最も普及している，TS が尾トータルステーションを利用した方式に大別さ建設機械の作業装置を直接制御するシステムの制れる。以下それぞれの方式の簡単な説明を行う。

御手順をモータグレーダ（以下，「グレーダ」という）を例に説明する。

３． トータルステーションを利用した
３D―MC

３D―MC グレーダは図―２に示すとおり，ブレードに設置された受光センサのターゲットプリズムを TS が自動追尾を行い，リアルタイムに座! 自動追尾トータルステーション

標計測を行う。計測した位置情報（X，Y）を TS

トータルステーションは距離と角度を同時に測に接続されている制御用 PC 内の設計データと照定できるほか，その結果が自動記録できるなど，合し，その座標における設計高さ（Z）を TS がグ

従来のトランシットと光波測距儀の機能にマイクレーダの受光センサに向けてレーザビームを照射

ロコンピュータを備えた測量器である。これに外する。レーザビームには光通信信号が含まれてお部コンピュータやプロッタなどを組み合わせてシり横断勾配データを送信する。この TS からの指ステム化することで，観測から計算，帳票作成ま示によりグレーダのブレードの高さおよび横断勾でが効率よく行われ，測量の大幅な省力化を図る配が自動制御される。この光通信信号にはステアことができる。これに自動追尾機能を備えることリング情報も含まれており，運転席に備えられたにより，ワンマン測量作業ができるようにしたもコントローラに進路を表示させることもできる。

１２ 建設マネジメント技術

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図―２

TS 方式３D―MC グレーダのシステム構成

この構成図から分かるように TS と建設機械はメリットがある。

１対１の関係になるので，現場において複数の建建設機械制御のための測位に用いられる GPS設機械を TS より３D―MC 制御する場合は，建設は RTK―GPS（Real Time Kinematic―GPS）と 呼機械の台数分の TS が必要になる。気象条件にもばれる干渉測位方式である。一般的には現場に基よるがレーザビームによる有効制御半径は約３００

地局と呼ばれる固定 GPS アンテナを設置し，１m である。

点観測法では避けられない衛星の軌道誤差や時計の誤差を除去するため，建設機械に装備された

４． GPS を利用した３D―MC

GPS アンテナとともに複数の点で同時観測を行うことにより，相対的な位置精度を向上させるシステムである。この方式により，移動体である建! 道路建設に用いる GPS設機械の位置情報をリアルタイムに数 cm の精度GPS（Global Positioning System）は ア メ リ カで測位することができる。

国防省が管理する軍事衛星を利用した汎地球測位システムのことで，もともとは船舶や航空機など"が自分自身の位置を把握するための航法システム

GPS―３D―MC は RTK―GPS によりグレーダのであった。現在ではカーナビ等で普及し，一般に位置情報（Xa，Ya，Za）を取得し，その位置情もその名称は知られてきている。測量分野におい報をグレーダに備えられているコントローラに入ては既知点を参照せずに任意のポイントを測量で力された施工エリアの 設 計 デ ー タ（X，Y，Z）

きるという優位性を備える。最近では GPS と共と比較して，その場所での高さ方向の差（Z−に，ロシアの測位衛星であるグローナスも合わせZa）を補正することにより作業装置を自動制御た統合的な衛星ナビゲーションを行うことができするシステムである。このとき高さ情報だけではるシステムも増えてきている。このシステムはなく，グレーダが作業をしているそのエリアの横GPS のみの場合に比べて，利用可能な衛星の個断勾配情報に基づき作業装置（ブレード）の勾配数が増えるので，これまで受信状況が悪かった場も自動制御する。

所においても安定した測位精度が得られるという一般的な GPS―３D―MC の構成

GPS―３D―MC は現場内に基地局が備えられて建設マネジメント技術

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特集 先端技術を活用したこれからの建設工事の展望ルブにより操作を行う の で LPS，GPSのタイプを問わず３D―MC を装備する
場合は自動制御に対応させるために電磁バルブを追加装備する必要がある。
!

高精度 GPS：ミリメータ GPS

道路建設において GPS の導入をためらう要因となっているのが前述の垂直方向精度であるが，これを向上させたシス
テ ム が ト プ コ ン 社 製 の，高 精 度 GPS（ミリメータ GPS）で あ る。前 述 の TS
図―３GPS 方式３D―MC の制御イメージと同程度の垂直精度±１０mm を得ることができるものであり，道路建設に必要ないれば複数台の建設機械を同時に制御するととも精度を満足するものである。基本的なコンポーネに測量作業も実施することができる合理的なシス

ントは RTK―GPS と同じであるが，最大の特徴テムである。しかし精度的には許容できる作業はは作業エリア内にゾーンレーザ発光器という垂直限られる。マシンコントロール時は測量作業とは精度を補正する装置を設置することである。

異なり，制御不感帯の設定や，建設機械固有の装ゾーンレーザ発光器はその名称どおり発光中心置接合部の影響も受けるため，水平方向で±２０から上下各５m の幅（ゾーン）を持った回転レmm，垂直方向では±４０mm 程度になる。数 cmーザ発光器で，GPS 受信機とゾーンレーザ受光〜数十 cm もあるロック材を扱うような土工事でセンサを備えた建設機械あるいは測量器がこの帯はこの精度で全く問題ないが，特に垂直方向の仕域の範囲内にあれば，高い精度で垂直方向の座標上り（出来形）が mm オーダで要求される道路を認識することができる。このときゾーンレーザ建設においては許容できる精度ではない。

内の受光センサの台数に制限は無い。ゾーンレー

なお通常のグレーダの作業装置は手動の油圧バ

図―４１４ 建設マネジメント技術

ザ発光器単体がカバーできる範囲は半径約３００m

高精度 GPS 方式の３D―MC システム構成

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であるが，制御上発光器は最大４台まで連続して並べることができ，有効半径にとらわれない連続施工環境を構築することができる。なお，レーザ
ゾーン発光器による精度補正は垂直方向に対してのみ行われるので，水平方向の精度は従来のシステムと変わらない。

５． 実施工での３D―MC 効果の確認

従来の建設機械のオペレータは，数字によって

写真―１

アスファルトフィニッシャへの応用指示された設計値を参照し，盛りあるいは削りの差を目視と経験に基づいた勘を頼りに，移動する仕上げることができる。

建設機械上で機械操作を行わなければならず高い$

人員の省力化・安全性の向上技能を必要とした。特に今回実施例としてあげた検測作業を大幅に省略できるので検測員を削減

グレーダは他の建設機械に比べて高い仕上り精度することができる。また，検測作業が省略化されが要求されるため，より高い技能が求められる。

るため現場内でグレーダとの近接作業が低減されこれらの点を踏まえ，TS―３D―MC および高精度て接触事故が防止でき，安全性を向上させること

GPS―３D―MC を導入した現場で確認された効果ができる。

を以下に示す。なお高精度 GPS と TS は全く別%なシステムであるが，３D―MC グレーダとして同一データによる複数機械の制御建設機械がブルドーザであれ，グレーダであ得られた結果は概ね同じである。

れ，また舗装を行うアスファルトフィニッシャ

!

（写真―１）であっても作業装置のバルブが電磁日当たり施工量の向上
材料搬入などの条件にもよるが従来の手動作業化されている機種であれば，同一制御データを使と比較して１．
５倍程度の施工量が得られる。

用して３D―MC として作業することができる。

"

それぞれの機械が仕上げるべき高さの，設計面か仕上り精度の向上
従来の施工の場合，検測位置（丁張杭の位置）らのオフセット量を変更するだけである。TS，では仕上げ高さを許容値に入るように管理できる

高精度 GPS ともに出来形測量も実施できるのでが，検測位置と検測位置の間ではオペレータの腕測量データと設計データとをソフトウェア上で照と勘に頼ることになり，実際の精度は不明であ合・自動計算させることにより，出来形管理を省る。３D―MC では検測位置において確認された力化することができる。

仕上り高さを連続的に再現できるため，きわめて精度が高くかつ平坦性の良い仕上り面が得られる。施工条件によるがこれまでの現場で確認され６． 米国での３D―MC による施工事情

た垂直方向精度は検測個所の８０％以上が±１０mm以内に収まっている。
# 仕上げ微調整量の適正化

米国における３D―MC の応用は建設機械の分野に止まらず，農業機械など多岐にわたり実用化

グレーダによる敷均しの後，転圧ローラによっがなされている。またその普及具合も日本とは比て路盤を締固めるが，このときの転圧減を事前にべものにならないほどである。タイプ別で言えば確認しておき，敷均し時にその沈下分を見込んで道路建設工事も含め GPS 方式による制御が一般

建設マネジメント技術

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特集 先端技術を活用したこれからの建設工事の展望れ，非常に高い仕上がり精度が要求される施工分
野では TS 方式が採用されている。
それぞれの工事の内容によるが，現場の工期を短縮すればボーナスが与えられる仕組みが出来上がっており（工期割れしたときのペナルティもきついが），それが合理的な新しい機械，あるいは新しいシステム導入の動機付けにつながり，工期短縮によるメリットが発注者，施工者ともに得ることができる社会になっているのがいかにも米国らしい。
写真―２

３D―MC による大規模ゴルフ場造成工事的で，３D―MC 全体の９０％以上を占めているよ７． おわりにうである。理屈上は日本でも米国でも GPS の精度は変わらないのだが，米国で GPS 方式が大きな地位を占めている理由は，GPS が自国の衛星本報により，道路建設における最先端技術であゆえに，日本に比べ衛星の配置が良いので作業をる３D―MC を建設機械に応用することにより，実施している終日，衛星配置による精度のムラがコスト縮減と施工品質の向上が図られるととも生じないため，安定した信頼性が得られるというに，建設機械周辺の安全性が改善されたことなど事情がある。さらにオープンスペースという作業がご理解いただけたと思う。この技術は国土交通条件が多く，衛星が遮られるような環境下での作省が推進する国土交通分野のイノベーションにお業は稀であると推測される。もう一つ日本と大きける「施工の効率化，高度化」に対してきわめてく違う要因は無線の出力にある。大規模工事は別効果的なメリットをもたらすものとなるであろにして，日本で一般的に使用されている小エリアう。

簡易無線の出力は１W に制限されているため，文中で述べたとおり，単位時間当たりの施工量

GPS 基地局からの無線信号到達半径が２km 程度が向上することはコスト縮減効果のみならず，施と言われている。一方，高出力の無線を使用でき工終了までに現場で建設機械稼動に伴う二酸化炭

る米国では５km は安定して届くということであ素の排出量も削減できることも示唆している。まるから，一つの基地局がカバーする面積は６倍以た業界として，３D―MC の活用による，マシン上になる。例えば高速道路の発注単位が２０〜４０km

オペレータの技能補助や施工時の負担を軽減させといわれる米国ではこのような出力のものでないる利点もあり，近年深刻化しつつある熟練オペレと使い勝手が極端に悪くなり敬遠されてしまうこータ不足問題の解決策の一つとして期待されていとが伺える。GPS に比較して縦方向の精度が優る点も追記しておきたい。しかしながら欧米と比れているにもかかわらず TS 方式があまり受け入較して未だ普及途上と言わざるをえないのが現状れられていない理由の一つは，レーザビームの有である。今後は施工業者としては３D―MC のみ

効射程距離が３００m 程度なので，作業半径が限らならず情報化施工に応用可能な技術力の取得向上れることにより自由度が制限されることがある。に努め，またメーカーには機器の一層のコストダ

また建設機械と TS とが１対１対応であるので建ウンを望みたいものである。

設機械制御と測量作業を並行して行えない点も挙げられる。ただし，コンクリート舗装用のスリップフォームペーバなど，一日の施工延長が限ら

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