第64回(2020年度)

北海道開発技術研究発表会論文

山岳トンネル工事におけるホイールローダ
遠隔操作システムの活用について― 新稲穂トンネルR側（仁木工区）工事の事例―
小樽開発建設部 小樽道路事務所 第３工務課
小樽開発建設部 小樽道路事務所 第３工務課
西松建設株式会社 技術研究所○佐藤 和輝前田 公治
山下 雅之

我が国において高齢化に伴う建設業就業者の減少は今後も着実に進むものと予測されている。
そのような状況の中、山岳トンネル工事では、特殊技能を要する作業が多く、技能労働者の確保が喫緊の課題となっている。このような課題に対して、トンネル掘削の無人化・自動化施工技術の導入が望まれている中で、試行現場として新稲穂トンネルで取り組んでいるホイールローダの遠隔操作について報告を行う。
キーワード：山岳トンネル、生産性向上、無人化施工、遠隔操作、ホイールローダ

1. はじめに
山岳トンネル工事における労働環境の大幅な改善や労働生産性の向上を進める方策の１つとして、トンネル掘削の無人化（遠隔操作）・自動化施工技術の導入が挙げられる。しかしながら、山岳トンネルの施工では狭隘な坑内において多種にわたる特殊機械を使用する作業が必要とされており、自動化・無人化技術の導入が進んでいないのが現状である。そのような状況の中で今回、トンネル掘削時の施工サイクルの約30%を占めるずり出し作業に使用されるホイールローダの遠隔操作システムの現場試行を行った。
なお、本試行は「2019年度 建設現場の生産性を飛躍的に向上させるための革新的技術の導入・活用プロジェクト」の追加公募（第5世代通信システム等活用して土木又は建築工事における施工の労働生産性の向上を図る技術）として採択されたものである。
本稿では、採択技術であるホイールローダ遠隔操作システムの概要を述べるとともに、5G通信の導入に先立ち実施した小電力無線を用いたシステムの現場試行状況について報告する。

図-1 試行現場（新稲穂トンネル）

向上、災害時・緊急時の迅速な救援・避難、高次医療施設への搬送時間短縮を目的とした延長27.6kmの事業である。本工事は「倶知安余市道路」のうち、仁木町銀山地区と共和町国富地区を結び、稲穂峠の山道を回避する新稲穂トンネルを施工する。新稲穂トンネルは、上下線セパレート方式のNATMで両側から掘削する。このうち、試行現場はR側の仁木工区を施工するものである（図-1参照）。
【工事概要】
・工事場所：北海道余市郡仁木町外・掘 削 工： L=1,677.6ｍ（発破・機械掘削）・覆工： L=1,684.2ｍ

2. 試行現場の工事概要
倶知安余市道路（共和～余市）は、共和町から余市町を結ぶ一般国道の自動車専用道路であり、平成28年度に事業化された（倶知安～共和）と一体となって、余市市街地等における交通混雑の緩和や交通事故低減による安全性の向上、新千歳空港とニセコ羊蹄エリア間の速達性

3. ホイールローダ遠隔操作システム
ホイールローダ遠隔操作システムの概要図を図-2に示す。本システムは、切羽近傍におけるずり運搬作業に使SATOU Kazuki, MAEDA Kouji, YAMASHITA Masayuki－ 807 －遠隔操作室

有線通信

坑内固定ユニット

WL搭載ユニット

50~100m

無線通信（制御信号・映像伝送）
連続ベルコン（ずり搬出）

テールピース台⾞（ずり受入れ）自走式クラッシャー
ホイールローダ
無⼈⾛⾏・バケット操作（遠隔操作）（ずり破砕）（ずり運搬）

切⽻■システム構成①遠隔操作システム

ホイールローダー②映像・制御信号通信システム③安全走行管理システム

クラッシャーへのずり投入

発破／掘削ずり

ホイールローダー

図-2 システムの概要

用されるホイールローダの運転操作を遠隔で行うものであり、『遠隔操作システム』、『映像・操作信号通信システム』および『安全走行システム』で構成される。
(1) 遠隔操作システム
本システムは運転操作に必要な遠隔操作装置で構成される。ホイールローダには、ステアリングやペダル操作等を無線受信により機械的に作動させる遠隔運転制御装置が取り付けられている（図-3）。ステアリング操作については、ステアリングホイールに円形ガイドギアを固定し、このギアを電動モータで駆動させてステアリングの操作を図った。ブレーキやアクセル等のペダル操作については、ペダル背面から電動モータでチェーンを介してペダル操作する手法等を導入した。アーム・バケット
操作は、レバーに操作ロッドを設置し、その操作ロッドを電動モータにより往復運動させてレバーの操作を行った。また、これらの装置を設置した状態で通常の有人運転も可能な構造としており、有人運転および無人（遠隔）運転の切り替えを容易に行うことができる。
遠隔操作室内には、実機と同じ仕様の操作コクピットおよび9画面モニタが設置されており、このモニタに表示される映像や走行データを見ながら操作コクピットにおいて走行・バケット操作を遠隔で行う（図-4）。さらに、運転時の実機振動や作動音をコクピットに伝える装置も備えており、実機運転とほぼ同じ環境下での遠隔運転が可能となっている。
(2) 映像・操作信号通信システム
ホイールローダには、7 台の FHD カメラおよび 5 台の送受信機が「WL（ホイールローダ）搭載ユニット」として設置されている（図-5）。また、切羽後方約 50～100mに配置された連続ベルトコンベア先端設備（テールピース台車）およびその周辺には、3 台の固定送受信機、複数の固定カメラおよび通信ケーブル変換装置等で構成される「坑内固定ユニット」が設置されている（図-6）。
車載カメラの映像データは、WL 搭載ユニットの送受信機から無線で坑内固定ユニットの送受信装置へ伝送され、そこから光ファイバケーブルを介して遠隔操作室へ有線伝送される。同時に、走行速度や走行経路、バケッ●バケット操作機構

WL運転席

レバー操作
ロッド

アーム・バケット操作レバー●ハンドル操作機構●ペダル操作機構

円形ガイドギア

電動モータ・チェーン

電動モータ

図-3 遠隔運転制御装置

遠隔操作室

遠隔操作コクピット

図-4 遠隔操作室および運転コクピット
送受信機

⾞載カメラ

図-5 映像・制御信号通信システム（WL搭載ユニット）

坑内固定送受信機

図-6 映像・制御信号通信システム（坑内固定ユニット）

SATOU Kazuki, MAEDA Kouji, YAMASHITA Masayuki－ 808 －

ト稼働圧等の運転データも遠隔操作室に伝送され、OCR(光学的文字認識)変換を行い、専用 PC に蓄積されるとともに、その情報の一部はコクピットモニタに表示される（図-7）。一方、操作信号は同様の通信設備を使用して遠隔操作室からホイールローダに伝送される。
(3) 安全走行システム
無人運転時の安全を確保するため、ホイールローダの運転操作を自動的に緊急停止（ブレーキ作動・エンジン停止）させるシステムを備えている。これらの緊急停止は、図-8に示すようにホイールローダに人の接近をAIが認識した場合や無線通信にトラブルが発生した際に自動的に作動するが、コクピットや携帯式のスイッチボックスからも強制的に作動させることができる。また、ホイールローダ周辺の安全状況や坑内設備との接近については、ホイールローダに設置された全周囲カメラ等による合成映像を遠隔操作室の操作コクピットにおいて確認することができる。

4. 試行状況図-7 走行データ表示例

AI 接触防止ｼｽﾃﾑ

今回の試行では図-2で示したような配置で坑内にシステムを設置し、切羽から約200m後方に配置した遠隔操作室において切羽～クラッシャ間のホイールローダによるずり運搬作業の遠隔操作を実施した。
(1) 基本動作の確認
現在は、システムの調整・改良を続けながら図-9に示すようなホイールローダの坑内無人走行やずり投入時のバケット操作といった基本動作試験を実施しているところであるが、この実験により狭隘な坑内においても基本的な遠隔運転動作に問題がないことが確認された。

図-8

AI接触防止システム

⾛⾏（ずり運搬）(2) 映像伝送遅延の測定
映像伝送遅延については、1/1,000秒単位まで表示されているインターネット時計を使用して以下のような手順で測定した。
手順1：ホイールローダの車載カメラの前にスマートフ
ォン①に表示させたインターネット時計を配置
手順2：遠隔操作室において、①の時計が映されたモニタ横にインターネット時計を表示させた別のスマートフォン②を配置する
手順3：遠隔操作室において①と②に表示されたインターネット時計を同時に撮影する
手順4：撮影画像から①と②の表示時刻の差を遅延時間として読み取る
上記手法で測定した結果、コーデック機能付き小電力無線機を用いた高精細映像（FHD）伝送の遅延は約110ms
SATOU Kazuki, MAEDA Kouji, YAMASHITA Masayuki－ 809 －バケット操作（ずり投入）

図-9 遠隔操作による基本動作確認状況

程度であった。なお、映像遅延についてオペレータから意見聴取したが、この程度の遅延なら高速走行時においても違和感なく遠隔操作できるとの感想を得ている。測定イメージおよび映像遅延測定状況をを図-10、図-11にそれぞれ示す。
(3) 生産性向上の評価
生産性向上の評価については、作業効率という指標を用いて生産性向上を評価した。ここで言う「ホイールローダの作業効率」とは、ずり運搬作業1サイクル（クラッシャ～切羽間の往復走行、ずり積み込み、クラッシャーへのずり投入）に要する時間を往復走行距離で除して得られる値であり、この値が小さいほど作業効率が良いと評価することができる。
本システム導入初期段階の運転実験においては、表-1に示すように遠隔操作によるずり運搬作業の効率は実施工時（有人運転）の60～70%程度であった。これについては、遠隔操作に合わせた運転方法（走行経路など）の確立や運転オペレータの経験の蓄積、さらなる操作システムの改良等を継続的に行うことで、遠隔操作による作業効率の更なる改善が可能であると考えている。
なお、将来的に遠隔操作の導入によって2現場のずり運搬作業の一元管理が可能となれば、表-1に示した遠隔操作の作業効率であっても有人運転の1.3倍程度の生産性向上が期待できる。

図-10 映像遅延測定イメージ

図-11 映像遅延測定状況

表-1 導入初期段階における運転効率の比較結果

5. おわりにトンネル掘削サイクルの多くを占めるずり出し作業の無人化を目指して、ホイールローダ遠隔操作システムをは現在も継続しており、本システムの映像・操作信号の新稲穂トンネルR側（仁木工区）工事において試行した。
伝送に5G通信技術を導入する国内初の試みを進めている
その結果、狭隘な坑内での高速移動や複雑なバケット操ところである。
作が必要なホイールローダによるずり運搬作業の無人化
これら遠隔操作技術の早期確立を目指すとともに他作が実現可能であることを確認することができた。本試行
業で使用する建設機械への展開も図ることで、山岳トンネル施工の労働生産性向上に大きく貢献できるものと考えている。

SATOU Kazuki, MAEDA Kouji, YAMASHITA Masayuki－ 810 －