関東森林研究論 文69-1(2018)

未利用森林バイオマスの破砕作業の生産性を最適化する土場残材の山の大きさ
An optimum size of slash pile for the grinding of unutilized forest biomass
吉岡拓如*1・櫻井倫*2・亀山翔平*3・井上公基*1・Bruce Hartsough*4
Takuyuki YOSHIOKA*1, Rin SAKURAI*2, Shohei KAMEYAMA*3, Koki INOUE*1, Bruce HARTSOUGH*4*1 日本大学生物資源科学部*1 College of Bioresource Sciences, Nihon University, Fujisawa, Kanagawa 252-0880, Japan*2 宮崎大学農学部*2 Faculty of Agriculture, University of Miyazaki, Miyazaki 889-2192, Japan*3 日本大学大学院生物資源科学研究科*3 Graduate School of Bioresource Sciences, Nihon University, Fujisawa, Kanagawa 252-0880, Japan*4 カリフォルニア大学デイビス校生物・農業工学科*4 Department of Biological and Agricultural Engineering., University of California, Davis, Davis, CA 95616, USA
要旨：既報において筆者らは，林道端土場に集積された林地残材をグラップルローダとグラインダにより破砕する作業の時間観測を行い，大きさの異なる 3 つの土場残材の山の破砕作業の生産性を算出した。その結果，山のサイズ小(林道に対する間口 15 m×林道からの奥行 20 m×高さ 4 m)が 21.73 全乾トン/時，サイズ中(同 24 m×30 m×4m)が 30.65 全乾トン/時，サイズ大(同 30 m×35 m×4 m)が 24.49 全乾トン/時であったことから，破砕作業を想定した場合の土場残材の山には，大きすぎず小さすぎず，適切なサイズが存在することが示唆された。そこで本研究では，グラップルローダとグラインダを組み合わせた破砕作業をモデル化することにより，土場残材の山の適切なサイズを検討した。モデルより算出された生産性は，サイズ小が 21.78±0.70 全乾トン/時，サイズ中が 31.17±0.75 全乾トン/時，サイズ大が 24.27±0.38 全乾トン/時となったことから，概ね再現性のあるモデルを構築できたと考えられた。このモデルによる生産性は，土場面積 710 m2 における山の破砕作業が最も高く，31.24 全乾トン/時であった。
キーワード：土場残材，チップ化，グラップルローダ，グラインダ，シミュレーション
Abstract: The previous study by authors investigated processing the woody biomass waste piles for use as fuel instead of burningthem. At each landing slash pile location, a 132 kW grapple excavator was used to transfer the piles into a 522 kW horizontal grinder.
Three piles, i.e., ‘Small (Length: 20 m; Width: 15 m; Height: 4 m),’ ‘Medium (L: 30 m; W: 24 m; H: 4 m),’ and ‘Large (L: 35 m;
W: 30 m; H: 4 m)’ piles, were ground and the operations were time-studied. As a result, grinding the ‘Medium’ pile was found to be
the most productive, 30.65 BDT/PMH0, thereby suggesting that there might be an optimum size of slash pile for a grinding operation.
This study discussed that by modeling the excavator and grinder operations. The constructed model was considered to well replicate
the actual operations. Based on the modeling, the productivity of grinding at the landing area of 710 m2 of slash pile location was
estimated to be 31.24 BDT/PMH0, which was the most productive.
Key-word: slash pile, grinding operation, grapple excavator, horizontal grinder, simulation

Ⅰ はじめに質バイオマスエネルギー利用動向調査」によれば，2015

2012 年に運用がはじまった再生可能エネルギーによ

年には 117 万全乾トンの「間伐材・林地残材等」を原料る電力の固定価格買取制度(FIT)において，製材工場等残とした木材チップがエネルギーとして利用された(3)。

材や輸入材などの一般木材よりも高額な買取価格が設定

2017 年 2 月末時点での未利用木材によるバイオマス発されたことから，間伐材や林地残材といった未利用木材

電の FIT の認定状況は，稼働件数が 38(総発電容量 297が燃料の発電所の建設計画・稼働開始が進んでいる。
「木MW)，認定件数が 89(同 436 MW)である(6)。間伐材や－75 －(受理日 2017 年 12 月 25 日)

林地残材をエネルギー利用するためには，エネルギー変大(同 30 m×35 m×4 m，173.38 全乾トン)の 3 つのパ換の際にはチップの状態にしておく必要があり，今後，イルに対して，グラップルローダ(Link-Belt 社製 290LX，林道端土場あるいは発電所のストックヤードに間伐材やエンジン出力 132 kW)が残材をつかみ出し，グラインダ林地残材を集めて大きな「山」をつくり，チッパまたは(Bandit 社製 Beast3680，エンジン出力 522 kW)へ投入

グラインダで集中的に粉砕・破砕する事例は確実に増えする作業の時間観測を行った(8)。要素作業は，「把持・旋ていくであろう。

回」，「解放・空旋回」，「移動しながら把持・旋回」，「移一般論として，1 箇所の土場に集められた残材の量が動しながら解放・空旋回」，つかんだ材の投入を容易にす多いほど「規模の経済」が作用して，システムとしてのるための「ふるい落とし」，グラインダが材を呑み込むま粉砕・破砕作業の効率が高くなることが期待できる。一での「待機」，枝張り等の原因により，グラインダが材を方，筆者らは米国において，「フューエルリダクション」

スムーズに呑み込めない場合の「押し込み」，パイルの山と呼ばれる山火事のリスクを減らすための施業の一環でが小さくなり材が散在した状態になってしまった際に，林道端土場に集積されたパイル(＝林地残材の山)を，グ材をまとめ直す「材整理」の 8 つに区分した。なお，土ラップルローダとグラインダにより破砕する作業の時間場には残材のほか機械の占有スペース等が必要となるが，観測を実施した。調査では，グラップルローダが残材をここで各パイルの土場を長方形と仮定して単位面積あた投入するためにパイルとグラインダの間を行き来する光りの残材量を求めると，小が 0.171 全乾トン/m2，中が景が散見され，このことがシステムの生産性に悪影響を0.170 全乾トン/m2，大が 0.166 全乾トン/m2 となり，パおよぼすことが懸念された。そこで大中小 3 つのパイルイル間で残材量に偏りはないものと考えられた。このこを抽出し，破砕作業の生産性を求めたところ，サイズ中とをもって，土場に集積された残材の量を土場面積で表が最も高くなったことから，破砕作業を想定した場合の現するというのが本研究の立場である。

土場残材の山には，大きすぎず小さすぎず，適切なサイズが存在すると考えられた(8)。

２．グラップルローダ作業のモデル化 作業については，要素作業の組み合わせにより表現した。観測された

本研究は，既報(8)で得られた要素作業時間の集計結果

要素作業時間の分布から理論式を求め，乱数を理論式にをもとに，グラップルローダがパイルから残材をつかみ代入することで要素作業時間を推定するものとした。な出し，グラインダのコンベヤへ投入する作業のシミュレ

お理論式は，櫻井ら(4)にならい対数正規分布にしたがうーションモデルを構築し，グラップルローダとグラインものとして近似した。またグラップルローダ作業は，要ダを組み合わせた破砕作業を再現することで，その生産素作業の流れのなかに分岐を多く含み複雑である。この性を最適化する土場残材の山の大きさを求めることを目ためシミュレーションでは，観測された作業連結強度よ的とする。
森林作業のモデル化に関する既往の研究には，り各要素作業への遷移確率を定め，これにしたがって次林業機械の要素作業ごとに近似式を求め，要素作業間のの要素作業を決定した。

遷移確率をもとにそれらを積み上げることでサイクルタイムや生産性を算出したものとして，ハーベスタに関す

Ⅲ 結果

る IWAOKA et al.の研究(1)，タワーヤーダ等に関する櫻１．破砕作業の生産性 上時間観測により得られた要井らの研究(4)がある。また，機械作業のサイクルタイム

素作業時間の集計結果から，「材整理」を除く 7 つの要素について理論式を構築し，システムダイナミクスの手法

作業は，パイル間の作業時間の平均値に有意な差は見らにもとづいてシステム全体の生産性を予測したものとしれなかった(一元配置の分散分析，有意水準 5%)。一方「材て 仁 多 見 (2) ， 杉 本 ら (5) ， YOSHIMURA and整理」は，パイルサイズが大きくなると平均時間も長くHARTSOUGH(7)の研究がある。本研究では，要素作業なった。つまり，作業が進み残材が散らかったら「材整時間の集計結果にもとづいてグラップルローダの作業モ理」により材をグラインダの近くにまとめ直すことで，デルを構築するために，IWAOKA et al.(1)，櫻井ら(4)が移動しながら行う要素作業の作業時間が土場面積の影響用いた手法にならい解析を進めるものとした。

を受けずに済むと解釈できる。面積あたりで見ても，「材整理」の時間・回数とも土場面積が大きくなると増加した(8)。これは，パイルサイズが小さいうちは旋回・空旋

Ⅱ 材料と方法
１．作業時間観測 イズ小(林道に対する間口 15 m×回主体で材整理を行えていたものが，パイルが大きくな

林道からの奥行 20 m×高さ 4 m，パイルの質量 51.41 全

るにしたがい移動しながら旋回・空旋回の頻度が高くな乾トン)，中(同 24 m×30 m×4 m，122.66 全乾トン)，り，結果的に面積あたり作業時間の掛かり増しが生じて－76 －関東森林研究しまったことに一因があると考えられる。

69-1(2018)

ルの質量を設定し，「把持・旋回」より作業を開始するも要素作業時間の合計を 1 全乾トンあたりに換算すると，のとした。
「把持・旋回」または「移動しながら把持・旋

サイズ中のパイルを破砕した際の所要時間が最も短く，回」の際にパイルから残材をつかみ出し，つかみ出した

これを単位時間あたりで見ると 30.65 全乾トン/時の生後のパイルの質量が 0 を下回ったら次の要素作業は「解産性となり，サイズ大(24.49 全乾トン/時)やサイズ小放・空旋回」，これが終わった時点で作業を終了し，材整(21.73 全乾トン/時)のパイルよりも高くなった。1 全乾

理時間を加えることにより，総所要時間を算出した。なトンあたりの材整理時間は小が 1.01 秒/全乾トン，中がお，1 把持あたり残材量は(2)式による。

8.61 秒/全乾トン，大が 39.3 秒/全乾トンであり，やはり後続要素作業

パイルサイズが大きいほど長くなった。ここで土場面積を x(m2)，1 全乾トンあたり材整理時間を y(秒/全乾トン)とすると，(1)式で表現できる(r2＝0.9992)。
y＝0.2397exp(0.004889x)(1)

パイルの質量を「把持・旋回」と「移動しながら把持・旋回」の回数の合計で除した 1 把持あたりの残材量は，把持・旋回

解放・ ふるい空旋回 落とし

待機

押し込み

移動しながら把持・旋回

移動しながら解放・空旋回

把持・旋回

0.002

0.714

0.033

0.039

0.163

0.037

0.012

解放・
空旋回

0.816

0.004

0.001

0.052

0.077

0.003

0.048

0.931

0.034

000.017

0.017

0

0.167

0.602

0

0

0.210

00.022

0.004

0.923

00.038

0.019

0.002

0.015

移動しながら把持・」旋回

0.427

0.373

00.0930.093

00.013

移動しながら解放・空旋回

0.719

0.223

0

0.008

0.017

0.033

0

先 ふるい
行 落とし
要 待機
素作
押し込み業

小が 0.138 全乾トン/回，中が 0.212 全乾トン/回，大が0.208 全乾トン/回であった。1 把持あたり残材量を z(全乾トン/回)として，z を土場面積 x(m2)に対して，z＝－2.489×10-7x2＋4.292×10-4x＋3.184×10-2 (2)で近似した(r2＝1.000)。
「材整理」をほとんど行わなかったサイズ小と比較して，中と大の数値が高くなったことから，土場面積が大きいほど「材整理」を数多く行うこ

図－1 要素作業の遷移確率行列
Fig. 1 Transition probability matrix of element operations of
the grapple excavatorとでまとまった量の残材をつかむ頻度が高くなり，結果的に 1 把持あたりの残材量が多くなったと解釈でき，生産性を高めることに寄与すると考えられた。一方，「材整理」は作業が進み材が散らかってしまった際に 1 箇所に

表－1 各要素作業時間の予測式集め直す作業を意味するため，パイルが大きすぎると材Table 1 Theoretical formula of the element operations time

整理に時間がかかりすぎてしまい，全体の作業能率の低下につながる，すなわちサイズ小とサイズ大の間に最適要素作業
把持・旋回

予測式
e N (2.140, 0.485)な大きさのパイルが存在することが推察された。

解放・空旋回e N (2.023, 0.370)

ふるい落としe N (1.825, 0.383)

待機
押し込み

e N (2.625, 0.800)
e N (1.819, 0.539)

移動しながら把持・旋回

e N (1.987, 0.363)

イルで観測されたものを集約するとともに，ある要素作移動しながら解放・空旋回

e N (2.153, 0.530)

業から次の要素作業へ移行する確率を意味する遷移確率

ただし， N (m , σ )は，平均m ，標準偏差σ の正規乱数を与える演算子

２. シミュレーションモデルの構築

上述のとおり「材整理」以外の 7 つの要素作業は，その平均時間がパイルの大きさに影響されなかったことから，3 箇所のパを求めた(図－1)。
また各要素作業の観測時間の分布を対数正規分布にあてはめ，適合度のカイ二乗検定を行った

IV 考察

ところ，いずれも 5％有意で適合性が棄却されなかった

１．モデルの再現性の検証 はじめに作業時間観測よため，これらを要素作業時間の予測式とした(表－1)。

り得られた生産性と，モデルによる計算値とを比較する

一方「材整理」は，観測回数が少なく，また前後の要ことにより，構築したモデルの再現性を検証することを素作業との明確な関係性は見出されなかった。しかし，目的として，パイル小，中，大それぞれに対して 1,000作業の流れのなかで確実に行われる要素作業であるため，その合計時間を予測式をもとに推定するものとした。土
場面積と１全乾トンあたり材整理時間の関係を示した(1)式に，土場残材量を乗じたものが合計時間となる。

回ずつくり返し計算を行った(表－2)。観測値と，計算値の平均値を比較すると，最大で 1.7%過大(サイズ中)となった。また，計算値の平均値に対する標準偏差の割合を見ると，最も高い値でもサイズ小の 3.2%(＝0.70÷21.78

モデルにおいてはシミュレーション開始時点でのパイ－77 －×100)であった。以上より，概ね再現性のあるモデルを構築できたと考えられた。

V おわりに本研究において，グラップルローダとグラインダを組

２．土場残材の山の最適な大きさ 破砕作業の生産性み合わせた破砕作業を再現したシミュレーションモデル

を最適化する土場残材の山の大きさをシミュレーションを構築することにより，その生産性を最適化する土場残モデルより求めるために，ここでは土場面積に着目した。

材の山の大きさを，土場面積で表現することができた。

サイズ小とサイズ大の間に最適な大きさのパイルが存在

ただし，モデルの汎用性ということになると，たとえばすると考えられたため，土場面積を 300 m2 から 1,050

土場の形状(林道に対する間口と林道からの奥行との比m2 まで 10 m2 ずつ増やしながら，各面積において 1,000率)は考慮していない点，1 全乾トンあたり材整理時間と回ずつくり返し計算を行い全体の作業時間を求め，その1 把持あたり残材量の理論式はともに 3 つのサンプルか平均値より生産性を算出した。作業時間観測においてパら近似している点，破砕作業に適した大きさの土場残材イル間で残材量に偏りがなかったことから，ここでは 3の山といっても，使用機械によってケースバイケースで箇所のパイルの加重平均値である 0.168 全乾トン/m2 をあり状況は異なる点などについて検証を行い，モデルの土場面積に乗じ，これを各面積における残材量とした。

精度を高めることが求められよう。

シミュレーション結果を示した図－2 において，土場面積 710 m2 の場合の生産性が最も高く，31.24 全乾トン

謝辞 本研究は著者の 1 人の吉岡が，平成 24 年度日本/時となった。しかしながら 690 m2(31.21 全乾トン/時)大学海外派遣研究員(長期)によりカリフォルニア大学デから 730 m2(31.20 全乾トン/時)までの間は，その差はイビス校生物・農業工学科に在籍した際に調査を行い，わずかであり，また各面積における計算結果にも幅があ著者間の議論により結果を取りまとめたものである。まることから，あくまで 1,000 回のくり返し計算の平均値

たその取りまとめにあたっては，JSPS 科研費(課題番号:を比較したものである点に留意する必要がある。

24580213，15H04508)の支援を受けた。

表－2 観測値と計算値の比較
Table 2 Comparison between the monitored and estimatedproductivities

引用文献

パイル

(2) 仁多見俊夫 (2006) システムダイナミックスによる

小中
大パイル

小中
大

観測値
土場面積 残材量2（全乾トン）（m ）300
7201050

生産性（全乾トン／時）
51.41
21.73
122.6630.65
173.7824.49(1) IWAOKA, M. et al. (1999) Performance of small harvester
head in a thinning operation. J. For. Res. 4: 195-200.
素材生産作業システムのモデル化とシステム功程表. 森利誌 20: 281-284.
(3) 林野庁編 (2017) 平成 29 年版森林・林業白書. 林野

計算値
計算回数 平均値±標準偏差 観測値に対する（回）（全乾トン／時）
平均値の割合（%）
1000
21.78±0.70
100.2
1000
31.17±0.75
101.7
1000
24.27±0.38
99.10

庁, 東京: 236 pp.
(4) 櫻井倫ら (1999) タワーヤーダ・プロセッサ・フォワ
ーダ形集運材作業システムのシミュレーションによる検討. 東大演報 102: 113-132.
(5) 杉本和也ら (2010) システムダイナミクスによる連35

生産性（全乾トン／時）

携集材作業の検討. 森利誌 25: 5-14.
(6) 泊みゆき編 (2017) バイオマス白書 2017. バイオマ
30

ス産業社会ネットワーク, 柏: 28 pp.
(7) YOSHIMURA, T., HARTSOUGH, B. (2007) Conceptual
evaluation of harvesting systems for fuel reduction and biomass

25collection on steep terrain using system dynamics. Proc. ofInternational Mountain Logging and 13th Pacific Northwest

20300

400500600

7008009001000

Skyline Symposium, 94-102.

土場面積（m2）

図－2 土場面積と破砕作業の生産性の関係
Fig. 2 Relationship between the area of landing slash pile
location and the estimated productivity of grinding(8) 吉岡拓如ら(2017) カリフォルニア州における未利用森林バイオマスの破砕作業に関する一考察－土場残材の大きさとグラインダの生産性の関係－. 森利誌 32:143-148.

－78 －