大規模土工の近未来風景

建設の機械化ʻ03.1原稿

大規模土工の近未来風景−

高度情報化施工への夢−
岡本直樹

専 門 工 事 業 者 と し て 大 規 模 土 工 を 直 接 指 揮 し 、さ ま ざ ま な 工 事 の 施 工 計 画 立 案 に携わってきた。また、情報化や自動化の研究にも取り組む機会を得た。これらの経験 を 踏 ま え 、土 工 機 械 の エ ン ド ユ ー ザ と し て の 永 年 の 夢 や 願 望 を 近 未 来 の 風 景 と して描いた。そして、この描写の背景として情報化・自動化の技術水準の現状を海外の事例も含めて紹介する。

キーワード：機械土工,情報化施工，無人化施工,自動化,群制御,遠隔施工,IT動態（マヌーバ）が点滅表示している。各土工機
械は自律機能をもった無人機械で、無線LANによ１．はじめにるデータリンクで情報を共有し、管制コンピュー
建設機械の発達史を俯瞰すると、牛馬や道具のタとマルチエージェントシステムを構成している。

類を利用していたに過ぎない古代以来の建設作業

1種情報化施工技士の資格持つ群管理者が、意志に 、漸 く 1 9 世 紀 に な っ て ス チ ー ム エ ン ジ ン を 搭 載決定支援システムの分析を参考に全体最適化を監したトラクターが出現した。そして、内燃機関の視し、指令を発している。

発明と共に建設機械の躍進が始まり、トルクコンバータ・油圧機器等の進歩と共に目覚ましい発展を遂げてきた。
我が国における建設機械の導入は、明治3年安治川の河川改修工事を嚆矢とする。以降、淀川・利根川・信濃川等の全国の河川改修に浚渫船・ラダ ー エ キ ス カ ベ ー タ・機 関 車・ト ロ 等 が 輸 入 さ れ 、機械化を推進したが、その後の大恐慌による失業対策から機械化は中断された。
第二次大戦後、進駐軍と伴にブルドーザやスクレーパがやって来た。それは、戦後復興に伴う御母衣・九頭竜ダム等の電源開発や名神高速道路から始まる高速道路時代の到来と共に、機械化の新しい曙となり、高度成長と共に飛躍的に普及・発展 し て 今 日 に 至 っ て い る 。そ の 間 、機 械 は 大 型 化 ・
油 圧 化 ・ タ イ ヤ 化 を 進 め 、8 0 年 代 か ら は エ レ ク ト
ロニクス技術を融合したメカトロニクス化が進行

図-1

建設機械の進化

1

し、自動化・情報化を推進する新しい技術革新が始まった。（図-1）

土取場、盛場等の要所には群を監視するフォアマン（2種情報化施工技士）が配置されている。

２．近未来の風景

土工事は繰り返し作業が中心で自動化に適している面もあるが、完全自動化には至っていなく、マ

ここはロックフィルダム工事現場の管制室であンマシンシステムとして人間の判断に頼る部分はる。プロッティングボードの地形図上に重機群のまだ多い。
1

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建設の機械化ʻ03.1原稿

原石山のベンチフロアを歩いている時、ヘルメ

締固め度は、地盤反力センサでもチェックしていット内蔵ホーンの接近警報でふり返ると100ｔ無る。

人ダンプが静かに目の前を通り過ぎた。燃料電池

フィルタ材は、トレーラ式の2両連結ボトムダ

車 な の で 、排 気 ガ ス の な い 静 粛 な 無 公 害 車 で あ る 。

ン プ が 2 0 k m 先 の 採 取 場 か ら 運 搬 し て く る 。コ ン ボ

原石山の作業でも、一人のフォアマンが監視しイ運転を行い、先頭車両は有人運転で、後続車はている。土工機械は、ある程度の判断機能を持っ自動追従運転を行う。途中の地域高規格道路はスた自律機械である。しかし、難しい状況の変化に

マ ー ト ロ ー ド 化 さ れ AHS （ Advanced Cruise-

はフォアマンが対処する。場合によっては自ら操Assist Highway System）による自動運転モー作して作業やティーチングを行う。

ドで走行する。

フォアマンのヘルメットにはディスプレイや無線 L A N が 内 蔵（ ウ ェ ア ラ ブ ル コ ン ピ ュ ー タ ）さ れ 、必 要 な 情 報（ 図 面 , デ ー タ , 映 像 等 ）は 、デ ー タ リ
ンクにより管制センターや各機械から取得できる。
ヘルメット内蔵のバイザーを降ろすとバイザーディスプレイに情報が表示される。現場の要所や各機械搭載カメラの映像や稼働データも瞬時に参照でき、ズーム・パン等の遠隔操作も自在である。
積込場では無人ローディングショベルがダンプに積込みを行っている。画像認識によりダンプと材料の状態を識別して積込んでいる。

この時代、パソコンはない。というより、何も発破はコンピュータが指示する発破パターンにかもがコンピュータである。あらゆる機器にマイ基づいて、レーザ穿孔を行う。融解速度から岩層コンが内蔵（Ipv6）され、UWB（超広帯域無線）を 解 析 し て 、装 薬 時 の デ ッ キ チ ャ ー ジ に 反 映 す る 。

接続のユビキタスネットワーク社会となっている。

爆薬はエマルジョンを専用ミキサー車で混合し、オフィス環境でも、形が変形していて、コンピュ装填する。発破粒度を調整するためのデッキチャータをあまり意識させない。机は卓全面がディスージを自動的に行い、エアーバックも併用していプレイになっている。ノートや手帳はハイパーメる 。点 火 は I C 雷 管 を 使 用 し て 、低 振 動・低 騒 音 のディアとなり、めくれる柔らかいシートディスプ

アクティブ制御発破2

レイを何枚も綴じれる。

を行う。付近に民家はないが、自然生態系に配慮した静かな発破である。発支店の事務所では、特殊情報化施工技士の工務

破粒度・振動・騒音等の計測データは、次回の発主任が、大規模土工の施工計画に取りかかってい破設計に自動的にフィードバックされる。

る。机全面に原地形図を表示し、ボーリングや弾性波、リモセン情報等から地層を解析してソリッ洪水吐では、プラズマリッパを装着した2台のドモデルを作る。そして、計画図のレイヤーを重D11がリッピング掘削を行っている。

ねて土量計算を行い、土質別の土量分布を３次元堤体のコア部は、ストックパイルから運ばれて柱状図として表示して立体的に把握する。

きたコア材をブルで敷均し、3両連結の無人ロー

次に、運土手順と土質を考慮した４次元運土計

ラが1往復で、規定の６回転圧をクリアーする。

画を行って一般最適解を求める。それから条件設

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定や工程を調整し、実施運土計画を立案する。こ土 工 機 械 で は 、7 0 年 代 に 電 磁 誘 導 ケ ー ブ ル 方 式のシステムは、運土矢線と工程表のアクティビテに よ る 無 人 ダ ン プ ト ラ ッ ク が 開 発 さ れ 、8 0 年 代 末ィを連動させ、割付けた土工機械の山積・山崩し期にマイコン制御による無人ダンプトラックが出の自動平準化機能をもつが、工程スライダ 3によ現した。

りマニュアル操作で運土手順を容易に変更できる。
(1)自動化次に、切羽展開シミュレーションを参考に搬土走 路 の 道 路 線 形 を 決 め る 。始 点・終 点 と 縦 断 勾 配 、土工機械の自動化を大きく２つに分類すると標準横断図（テンプレート）、必要に応じて経由走行系と作業装置系に分けられる。作業装置系の点をセットすると数案のルートが自動表示される。

ブレード操作は熟その中から最適なルートを選択、若しくは小修正

練 を 要 す る た め 、早を加 えて ル ート を決 定 する と 3D 道 路図 面が で き

くから自動化の研

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機能で視距、離究が進められてい合間隔、走行速度、ブレーキ制動等のドライバビた 。回 転 レ ー ザ を 利リティとサイクルタイムをチェックする。自動運用した整地作業の転を行う場合は、ドライバビリティをあまり気にイ ン ジ ケ ー タ は 、7 0する必要はない。組み合わせは、後で待ち行列シ

年代に米国でミュレーションによりチェックする。

実用化し、圃あがる。走行シミュレーション計画ができあがると遠隔地の数名とインターネ場の拡大に威ットで施工検討会（電子会議）を開く。まず、彼力を発揮した。

が施工計画の概要プレゼンテーションを行い、そ日本でも今日、の後で、参加者はメガネ型立体視ディスプレイを圃場整備では掛け、地形ソリッドモデルによるサイバースペー一般的な装備ス（仮想空間）に入り込む、４次元運土計画をヴとなっている。

ァーチャルリアリティで視覚化し、重機が稼働す

写真-3 ｸﾞﾚｰﾄﾞｺﾝﾄﾛｰﾙ機器と画面6る施工シミュレーション 5で仮想体験をしながら議論をする。参考になる意見を採り入れて、再シそして、最近は自動追尾TS（ﾄｰﾀﾙｽﾃｰｼｮﾝ）やミュレーションを行い議論を収斂していく。

GPSを利用したブレードコントローラ

7が多い。

これらのブレード自動制御も古くから研究されて３．自動化・情報化技術

いるが、軽負荷の仕上げ制御用で、掘削作業（バカ押し）には向かない。負荷制御の研究も古くか

建設機械の自動化への取り組みは比較的古くら行われているが、非線形制御要素が多く実用化

6 0 年 代 に 始 ま っ て い る 。そ し て 、8 0 年 代 に な る とに は 至 っ て い な い 。こ ん な 中 、9 4 年 に コ マ ツ が 姿「建設ロボット」という呼称とともに自動化が推

勢制御を重視したブレード自動制御を発表し、マ進された。背景として、ロボット導入による製造ルチオペレーションの提案と共に注目される。

業の生産性向上が刺激としてあり、マイクロプロセッサの登場による技術革新と爆発的普及が機械の知能化への可能性を示唆したことにあった。制御法もアナログ制御からデジタル制御に移行し、メカトロ化を推進した。一方、高齢化・熟練労働者の不足・生産性向上等の面からも建設機械の自動化・ロボット化が要請され、建設ロボットブーム が 到 来 し た 。初 期 に 開 発 さ れ た 建 設 ロ ボ ッ ト は 、位置計測が容易な左官ロボット・清掃ロボット・壁面ロボット等の構造化された環境下での平面移動型の建築系ロボットであった。
図-2

3

無人ﾌﾞﾙのﾏﾙﾁｵﾍﾟﾚｰｼｮﾝ

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バケット制御については、マイクロプロセッサの登場と共に法面等の仕上げ制御が試みられ、回転レーザの利用や、最近は自動追尾TSやGPSを利用したものが多い。
また、バケット操作のイージオペレーションを狙 っ た １ 本 レ バ ー 操 作 の 研 究 事 例 も あ る 。こ れ は 、ヒューマノイド型のような２本アームの操縦に威力を発揮しそうである。
積込作業については、単純なルーズ土の積込はティーチングプレイバックも考えられるが、積込対象材の位置や形状の認識が進まないと難しい。
研究事例としては、浚渫作業の全自動油圧ショベ ル が 8 6 年 に 発 表 さ れ て い る 。近 年 は 、画 像 処 理等を用いたローダ積込の研究が始まり、成果の発展を期待している。
自 動 走 行 の 誘 導 制 御 法 は 、ガ イ ド レ ス 方 式 で は 、車輪エンコーダとジャイロによるデッドレコニン
グ（dead reconing）が基本で、スリップ等の累積誤差の補正用にコーナキューブやGPSが利用されている。 8図-4

ﾐﾘ波による遠隔監視制御ｼｽﾃﾑ

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センシング技術と知能化が進展すれば、個別の自律機能を高めると共に協調制御へと進む。
まず、自動走行においては、単なる車両誘導制
図-3

無人ダンプトラック

御から閉塞制御による車間維持、衝突・追突防止9の保安制御が必要となる。次に、交差点制御、合建 設 機 械 の ラ ジ オ コ ン ト ロ ー ル は 、6 0 年 代 後 半流部の織り込み、障害物回避等のアルゴリズムをから利用されていたが、雲仙普賢岳の災害復旧工付加した交通管制や積込との協調制御等の群制御

事では、多数の建設機械群を中距離以上で遠隔操の段階に発展する。

12作するために様々な問題が生じた。特に遠隔操作

図-4はミリ波電波灯台方式による無人走行シに必要な映像情報の移動体伝送用（無指向性）のステムで、障害物検知とデータ通信にもミリ波を電波が電波法上使えないことから、自動追尾法等利用して、交通管制等の群管制を行った。
(2)情報化さまざまな方法が検討された。
遠隔操作では、極限ロボット等で研究されたテ土工事への情報化の取り組みは、メインフレー

レイグジスタンス技術の活用が将来は望まれる。

ム時代に日報管理、機械管理、原価管理等をバッ

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建設の機械化ʻ03.1原稿

チ処理していたものが、ＰＣの登場によりタイム

テ ム の G P S と M a s t e r L i n k で 、写 真 - 6 は 2 . 4 G H z 帯リーに活用できるようになった。また、積算は勿SS無線LANの移動式中継器である。

論 、施 工 計 画 等 の 技 術 計 算 へ の 利 用 も 容 易 に な り 、大型工事ではCADやシミュレーションの利用が一
般 化 し て い る 。今 後 は 、C A L S / E C の 推 進 に よ っ て 、設計CADデータが入手でき再入力の手間が省けて、運土計画や走路設計・切羽展開図の作成や各種シミュレーションが容易に行えるようになる。

パソコンの利用例
地形処理システム：土量計算、土量配分計画
CAD：地形モデリング、走路設計、土量計算
走行ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ：搬土機械のｻｲｸﾙﾀｲﾑ

写真-4 CAT CAESbasic

待ち行列ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ：必要ﾀﾞﾝﾌﾟ台数
地形ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ：ﾌﾟﾚｾﾞﾝﾃｰｼｮﾝ
工程管理ソフト：PERT、山積・山崩し
表計算ソフト：作業能力算定、積算

一方、大手ゼネコンでは、空港等の大型工事に統合土工管理システムを導入している。GPSと運土計画を組み合わせたものが多い。また、GPSを利用した締固め管理が道路公団等の工事で一般化しつつある。近年、国内で情報化施工として導入

写真-5 GPSとMasterLink

さ れ て い る 3 D - M C（ T O P C O N ）は 、C A D 情 報 と 自 動
追尾TSやGPSによる３次元位置情報を照合して機械制御を行える。
自動化・省人化を進めていくと中央官制センタ
ーでの情報処理も、瞬時に状況把握が行えるMMI（ﾏﾝﾏｼﾝｲﾝﾀﾌｪｰｽ）や迅速な意志決定支援のために意志決定理論や最適化理論の導入が重要となってくる。この方面では、リアルタイムリアクションを求められる軍事面での技術が参考になる。戦
闘 機 の H U D（ ﾍ ｯ ﾄ ﾞ ｱｯ ﾌ ﾟ ﾃ ﾞ ｨ ｽ ﾌ ﾟ ﾚ ｲ）や グ ラ ス コ ク
ピット、またCIC（戦闘情報指揮所）の戦術情報の集中表示法やデータリンクによる最新のC4ISR

写真-6 MasterLink ﾘﾋﾟｰﾀのシステム設計には参考になる点が多い。
鉱 山 機 械 統 合 管 理 シ ス テ ム に は 、 MineStar(3)海外の状況( C A T ) や I n t e l l i M i n e ( M O D U L A R ) が あ り 、い ず れ

海外の動向では、建機搭載型のGPS製品が測量も高精度GPS搭載のブルドーザやショベルが地層メーカだけではなく、建機メーカのオプションと情報を参照（写真-7）しながら掘削し、穿孔機はして急速に普及し始めている。これらは無線LAN

ピ ン ポ イ ン ト 穿 孔 を 行 う 。各 重 機 は 無 線 L A N で 結 ばでネットワークを構成するのが特徴である。キャれ 、稼 働 デ ー タ を 自 動 記 録 し 、施 工 に フ ィ ー ド バ ッ

タ ピ ラ 社 の C A E S の 基 本 構 成 は 、G P S ｱ ﾝ ﾃ ﾅ・受 信 機 、ク す る 。管 制 セ ン タ ー で は 、稼 働 モ ニ タ リ ン グ に よｺ ﾝ ﾋ ﾟ ｭ ｰ ﾀ 、無 線 L A N で あ る（ 写 真 - 4 ）。写 真 - 5 は 、り 重 機 の 最 適 配 置 を 行 っ て い る 。ま た 、機 械 の 健 康

コマツのブルドーザに搭載されている同様のシス状 態 か ら メ ン テ ナ ン ス・定 期 修 理 等 を 含 め た 統 合 管理を行う。

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大規模土工の近未来風景

建設の機械化ʻ03.1原稿① ｵﾍﾟ選定材

これに伴うように自動積込の研究も盛んになっ② ﾎﾟﾘｺﾞﾝ名た 。図 - 5 は カ ー ネ ギ メ ロ ン 大 学 ロ ボ ッ ト 研 究 所 の③ 材料ﾎﾟﾘｺﾞﾝ色

実機システムである。バックホウに２基のレーザ④ HP-GPS選定材レンジセンサを搭載し、掘削材とダンプの形状を⑤ 積載量と車番認識して自動積込を行っている。

⑥ ｼｮﾍﾞﾙｱｲｺﾝ

４．おわりに⑦ 予定高⑧ 方位
情報化施工の言葉は、当初、土質の計測管理の写真−7分野で使われ、その狭い意味の定義に不満を抱い

掘削機の周辺状況て い た が 、近 年 、C A L S / E C や I T の 推 進 を 背 景 に 情
この辺は、実際に機械を保有して運用する米国報化施工が本来の意味を持ってきた。そして、情のシステムと機械を持たない日本のゼネコンが作報化施工への成熟と同時に、自動化への黎明期をる統合土工管理システムの運用思想に違いが出ても迎えつつある。その背景には、一向に衰えないくる。

コンピュータ技術の進歩に加え、センシング等の近年、土工操作系のヒューマンインタフェース要素技術が揃ってきたことがあげられる。無人ダは、電子化に伴いローダのジョイステック採用やンプトラックの実用化を目前に、自動積込の研究

ドーザブレードのフィンガーコントローラ等画期も活発化している。これらの研究を見守り、自動的な改善がみられる。そして、運転席の計器類も化と高度情報化施工の早期実現を期待したい。

航空機と同様にグラスコクピイト化が始まろうとし て い る 。そ れ に 伴 い G U I（ ｸ ﾞ ﾗ ﾌ ｨ ｶ ﾙ ﾕ ｰ ｻ ﾞ ｲ ﾝ ﾀ ﾌ ｪｰ ｽ ）の 改 善 が 望 ま れ る 。例 え ば 、ブ レ ー ド コ ン ト1) 常 田・芝 崎：建 設 技 術 の 高 度 化 の 現 状 と 課 題 , 土 木 技術資料,第31巻2号,p3,1989.2

ロ ー ル 用 G U I は 、各 社 共 に 現 状 は 稚 拙 で あ る 。H U Dを採用してもっと洗練した精密仕上げに適した表2示が可能なはずだ。これはバッケトコントロール

研究会,p42-45,1998.11にも適用できる。

3) 岡本・大下：土工事のGUIによる対話型工程計画,
第 1 0 回 建 設 ﾏ ﾈ ｼ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ 問 題 に 関 す る 研 究 会・討 論 講 演 集 ,1992.124) 岡本・大下：搬土機械の走行ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝにおける走行 速 度 の 合 理 的 決 定 法 ，第 9 回 建 設 ﾏ ﾈ ｼ ﾞ ﾒ ﾝ ﾄ 問 題 に 関 する研究会・討論講演集,1991.125) 岡本・田中：重機稼働ｱﾆﾒｰｼｮﾝについて、第17回
土木情報ｼﾞﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ講演集 1992.106) Trimble, Leica, CAT, MODULAR：Technicalbulletin 他
7)岡本：土工事ﾎﾟｹｯﾄﾌﾞｯｸ,山海堂,p310-311,
2000.48) 岡 本：ﾀ ﾞ ﾝ ﾌ ﾟ ﾄ ﾗ ｯ ｸ の 自 動 化 の 趨 勢 , 第 2 回 西 日 本 資 源
開発ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ論文集, 1995.119)岡本：無人ﾀﾞﾝﾌﾟﾄﾗｯｸ,建設機械施工ﾊﾝﾄﾞﾌﾞｯｸ,建設機械化協会,p219-220, 2001.210) ﾐ ﾘ 波 を 利 用 し た 遠 隔 監 視 制 御 ｼ ｽ ﾃ ﾑ , 建 設 ﾛ ﾎ ﾞ ｯ ﾄ・自動化便覧, 先端建設技術ｾﾝﾀｰ,p66,199511)岡本：機械化土工の歴史と課題,建設作業のﾛﾎﾞｯﾄ化,工業調査会,1999.612) 岡 本 、宮 本 ： 無 人 ﾀ ﾞ ﾝ ﾌ ﾟ ﾄ ﾗ ｯ ｸ の 交 通 制 御 , 土 木 計 画
学研究・講演集No.15(1), 1992.1113)岡本：大型土工機械の動向とｺﾝﾋﾟｭｰﾀ管理,建設の機械化, p62-65, 2001.514) Stentz他:A Robotic Excavator for
Autonomous Truck Loading The Robotics
Institute, Carnegie Mellon University

GPS 自 動 走 行 に つ い て は 、 CAT が 96 年 のM i n e E x p o に お い て 、ア リ ゾ ナ か ら G P S 無 人 ダ ン プ
走 行 の 実 況 中 継 を 行 っ た 。コ マ ツ は 、豪 州 で 9 6 〜
98年にプロトタイプの開発とテスト（Pj.8001）
を行っている。その後、Modular社が加わり、新しい開発プロジェクト（2000.7〜2001.3）が進行 し た 。そ し て 、 0 1 年 後 半 に パ ー ス 近 郊 で デ モ イ
ベントが２回開催され、試験段階からまもなく商業ペースでの実用化に入ろうとしている。

図-5

自動掘削・積込) 岡 本：I C 雷 管 を 用 い た 新 発 破 技 術 報 告 書 , ｼ ﾞ ｪ ｵ ﾌ ﾛ ﾝ ﾃ

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