舗装工事における情報化施工技術の適用検証と出来形管理手法の提案㈱NIPPO コーポレーション

技術開発部

近藤 裕章

（同）

技術開発部

勝 敏行

（同）

生産技術機械部

梶原 覚

１．はじめに

２． TS を用いた情報化施工システムの概要

情報化施工技術とは、調査、計画、設計、施工、維持

2-1 TS

管理において ICT（情報通信技術）を活用して、様々なTS は水平、鉛直方向の角度と距離を同時に測定し、情報を効率的に利用することで施工全体の合理化を行う

３次元位置情報を出力する光学測量機器であり、対象物技術である。この技術は大規模工事を中心に 10 年以上を自動で追尾する機能と測定データを無線で外部記憶装前より活用されているが、機器類の高性能化・低廉化に置へ出力する機能を搭載している。人による視準、操作伴い、中小規模工事へも適用されるようになってきていは不要であるため、遠隔操作による一人での出来形検測る。また、平成 20 年 7 月には、公共事業において情報作業や 3D-MC が可能になる。また、夜間やトンネル内化施工の普及促進を図るべく、国土交通省が「情報化施等、通常の測量機器では測定が難しい場合でも、自動追工推進戦略」を策定しており、今後益々広がりをみせる尾機能により正確な視準、測定を行うことができる。

技術と期待されている。

2-2 検測装置

舗装工事において情報化施工技術が適用できる分野

検測装置は、出来形検測や測定データの記録を行うもとしては、測量機器を用いた施工機械の３次元マシンコのであり、プリズム、ポール、データコレクタで構成さントロールシステム（以下、3D-MC）や出来形管理、締れる（写真-１）。データコレクタに３次元設計データや固め管理が考えられる。これらのうち、自動追尾トータ

管理点座標値を登録し、管理点や任意点での出来形検測ルステーション（以下、TS）を用いたモータグレーダやを行う。これによって、設計高との差や位置の確認がでブルドーザの 3D-MC は、近年、積極的な導入が試みらきるため、丁張りの無い施工が可能になる。

れているものの「施工」のみが先行している状態であっプリズムて、定量的な適用検証例の公表は極めて少ない。また、
出来形管理にも一部利用されているものの、従来の施工方法を前提とした従前の管理方法の準用であって、情報化施工技術の利点を活かしたものとはなっていないのがデータコレクタ

現状である。
このような状況を鑑みて、筆者らは舗装工事に TS を適用するに当たり、機器の測定精度や制御精度についての検証を行うと共に、情報化施工技術を活かした新しい

写真-１ 出来形検測状況

出来形管理方法について検討したので以下に報告する。

1

2-3 3D-MC システム

タは運転作業に気を配ることができる。

TS を用いた 3D-MC は、施工機械内のコンピュータに入力した３次元設計データと、TS により取得される施

３．実用化の検証

工機械の３次元位置情報、センサによる施工機械の姿勢

舗装工事における TS を用いた 3D-MC や出来形検測情報から、任意の位置での高さの差を算出し、ブルドーでの実用化に向けて、機器の測定精度や施工機械の制御

ザやモータグレーダの排土板の高さと横断勾配を自動制精度を把握し、舗装工事での要求水準を満足することの御するシステムである。人工衛星電波を利用した測位シ確認を目的として、機器の基本的な性能の確認試験を行ステム（GNSS）の 3D-MC のように、電波取得のためった。に上空視界を確保する必要はないので、高層ビル群の街

3-1 ３次元測位精度

路やトンネル内にも適用することができる。TS を基準

TS の３次元測位精度は、測定距離や気象条件に影響点上、もしくは後方交会法により未知点に設置して稼働されることが予測できるため、各種条件の下、既知点をさせる。施工機械には３次元設計データ等を入力したコ測定して測定値のばらつきを確認した。測定には、トプントロールボックス、プリズム、無線受信機、センサをコン社製の TS を使用し、検測装置により測定操作と３取り付ける。

次元位置情報の記録を行った。
(1)高さ測定精度
測定精度に及ぼす影響が大きいと考えられる気象条

無線送信
プリズム

x，y，z

件のひとつに「かげろう」が考えられる。その影響を確

3 次元設計データ認するため、かげろうの有り／無しの条件の下、20m ごとに既知点を各 100 回測定した。その結果を図-１に示す。

TS

これより、かげろうの有無にかかわらず、高さ測定値の距離、角度ばらつきと測定距離には強い相関があり、測定距離が長くなるほど、ばらつきが大きくなっていることがわかる。
かげろうが発生している状況下では、無い場合と比較す
写真-２ ３Ｄ－ＭＣのイメージ

ると、100ｍを超えたあたりから測定値のばらつきの差

TS を用いた 3D-MC の導入による主なメリットは、次が大きくなっている。また、検測装置が静止状態であっのとおりである。ても TS の視準にはプリズムを中心とした揺れがあり、(1)品質の向上

距離が離れるに従って追尾不能状態が発生した。標準偏差は測定距離が 140ｍで最大となり、σ=1.8mm であっ従来の施工では丁張位置のみの高さ管理であったが、３次元設計データを用いた面での高さ管理により、面全た。

体の仕上がり精度が向上する。

このように、かげろうにより追尾不能となることは問(2)施工の省熟練化

題であるが、100m 以内での誤差は２～３mm であるた

従来は丁張りを高さの目安とし、オペレータが施工機め、舗装工事での利用には問題ないといえる。

械を操作していたため、仕上がり精度はオペレータの技2.0

量に左右されていたが、敷きならし操作の自動化により標準偏差(mm)オペレータの技量に左右されず、精度を確保できる。
(3)作業の効率化
従来施工に比べ少ない回数で仕上がるため、条件にも

天候：晴れ
気温：19℃
かげろう有り1.5
1.0

各点 n=1000.5

よるが、1 日当たりの施工量が 20％程度向上する 1)。また、丁張り設置作業の大幅な削減や１人での検測作業が

天候：曇り
気温：11℃
かげろう無し0.00可能になる。
(4)安全性の向上

204060 80 100 120 140
ＴＳからの距離(ｍ)

図-１ かげろう発生時の測定距離と高さ精度(2)平面測定精度

施工機械まわりの検測作業者が減り、接触事故が低減される。また、敷きならし操作の自動化によりオペレーかげろうが高さ測定精度に影響を及ぼすことから、高2さ測定と同時に取得した平面座標値（x,y）より、角度測

3-2 TS を用いた 3D-MC の検証定精度と距離測定精度に分割し、平面位置の測定精度の(1)施工機械の準備作業確認を行った。

精度を確保するには、施工機械のセンサのキャリブレかげろうが無い場合では、角度測定精度と距離測定精ーションおよび油圧制御パラメータの設定を行わなけれ度共に、測定距離との相関は見られなかった。しかし、ばならない。これらを実施しないと排土板の異常動作のかげろうが発生している状況下では、測定距離が長くな原因となり、敷きならし面に段差や不陸等が発生するこるにつれて角度測定精度のばらつきが大きくなり、強いとがある（写真-３）。油圧制御パラメータは、排土板の相関が見られた（図-２）。ばらつきは最大で、角度測定動作の速さ（ゲイン）、遊び（バルブオフセット）、不方向 σ=2.6mm（140ｍ）、距離測定方向 σ=0.8mm（100感帯域（デッドバンド）等、多岐にわたる。また、施工ｍ）であった。平面誤差により計画高の算出に誤差が発機械が同一機種でも個体差があるため、排土板の動きを生し、路面の勾配が急なほど誤差が大きくなるが、一般見ながら調整しなければならず、メーカや経験者の指導的な道路勾配での利用ならば、その誤差は１mm 程度でが必要である。

あるため、実用上問題無い。
3.0
角度
2.5標準偏差(mm)

距離
2.0

天候：晴れ
気温：19℃
かげろう有り
各点n=1001.51.0

写真-３ 異常動作による敷きならし面の不陸0.5(2)TS の設置位置の検討

0.00204060
80 100 120
ＴＳからの距離(ｍ)140

TS と施工機械との間が遮蔽された場合、または近接により施工機械の速度が TS の最大追尾速度を上回った

図-２ かげろう発生時の測定距離と平面精度(3)その他の天候による影響

場合、TS は施工機械を見失い、その間は自動制御が停

降雨が TS の高さ測定精度に及ぼす影響について、TS止してしまう。作業中断防止のため、事前に設置場所をから 100m の位置の測定を行った。降水量 1mm 以下の検討する必要がある。

弱雨の場合は問題なく測定でき、誤差もほとんど見られ(3)油圧制御の精度なかった。強雨の場合はかげろう発生時と同様に追尾不3D-MC の油圧による自動制御の精度を確認すること能となる現象が生じ、測定値のばらつきが多少大きくなを目的として、停止状態での排土板高さを測定した。ブったが、その誤差は２～3mm であった（図-３）。このこルドーザの場合、排土板の中央部は TS の高さ情報によとから、TS 本体の対物レンズやプリズム等の水膜による制御、両端部は勾配センサ情報による制御が行われる。ってレーザ反射光が屈折、吸収されるため、追尾機能やモータグレーダの場合、プリズム側は高さ情報による制測定精度に影響を及ぼすと考えられる。

御、反対側は勾配センサ情報による制御である。

霧が発生している場合、目視できる程度でもレーザ反射光が TS まで戻ってこないことがあり、計測距離が大きく制限される。
天候：弱雨
気温：17℃
n =81x =±0.0mm
s =0.36mm

天候：強雨
気温：17℃
n =29x =-0.1mm
s =1.00mm

写真-４3D-MC 用ブルドーザとモータグレーダ自動制御の状態で停止させ、排土板の両端部をレベル+5以上+4～+5+3～+4+2～+3+1～+2±0～+1-1～±0-2～-1-3～-2-4～-3-5～-4-5以下+5以上+4～+5+3～+4+2～+3+1～+2±0～+1-1～±0-2～-1-3～-2-4～-3-5～-4-5以下
既知点との差(mm)で測定し、設計高との差を確認した。測定位置のずれによる計画高の誤差をなくすため、縦横断勾配が無い３次既知点との差(mm)元設計データを用いた。制御距離は 40～120ｍとし、距

図-３ 雨天時の高さ測定精度

3離による精度への影響を確認するため、かげろうの発生モータグレーダでの敷きならし精度の測定結果を表-していない状態で試験を実施した。

３に示す。σ=1.9～4.7mm で、ブルドーザと比較すると測定結果を表-１に示す。制御距離の違いでは精度に差精度の変化が大きい結果となった。今回は制御距離や設は無く、ブルドーザは σ=2.7mm、モータグレーダは計形状に違いによっても違いが見られ、停止状態での精σ=1.9mm であった。両者とも TS の高さ測定精度より度と比較すると、標準偏差が最大で３mm 増加している。

もばらつきが大きくなっている。油圧制御の精度を良くモータグレーダはブルドーザに比べて排土板の幅が広い

するには、センサのキャリブレーションを正確に行う必ため、油圧制御パラメータの設定が適切でない場合、設要がある。

計形状等により敷きならし精度の変化が大きくなると考えられる。安定した精度を得るためには、適切な油圧制

表-１ 排土板高さ測定結果
制御距離御パラメータの設定が重要であると思われる。

項目

ブルドーザ

グレーダ

σmm

2.71.9範囲mm

128平均mm+2.6+2.5

1σmm

2.71.92範囲mm

1083平均mm+0.4-0.3

4

表-３ モータグレーダの敷きならし精度

TS から横断形状

40～80ｍ

TS から80～120ｍ(4)敷きならし精度

5TS を用いた 3D-MC によるブルドーザとモータグレ

距離(ｍ)

範囲(mm)

平均(mm)

σ(mm)

40～80

6+1.2

1.980～120

12+6.42.840～80

12-2.42.680～120

23-1.14.740～80

14-1.43.680～120

17+6.04.3

LEVEL

3%両勾配

5%→-3%ひねり

6ーダの砕石の敷きならし精度の確認を行った。横断形状を３パターン（LEVEL、両勾配、ひねり）、制御距離を以上の検証結果から、3D-MC での最終的な仕上がり40～80ｍ、80～120ｍに設定し、延長 40ｍ、幅員６ｍの精度は、TS の測定精度による影響はわずかであり、油３次元設計データを６種類作成した。敷きならし後は転圧制御の精度や敷きならし精度による影響が大きいこと

圧を行わず、敷きならし面をレベルで 30 点ずつ測定し、がわかった。油圧制御の精度については、油圧バルブの計画高との差を確認した。砕石は RC-40 を使用し、施工性能に依る割合が大きいと思われるが、センサキャリブ速度は１速とした。敷きならし時、かげろうが発生してレーションを正確に実施することが重要である。敷きないないことを確認して試験を実施した。

らし精度については、油圧制御パラメータの適切な設定

ブルドーザでの敷きならし精度の測定結果を表-２にや設計形状に応じた施工速度の調整等の工夫が必要であ示す。σ=3.9～5.2mm で、設計形状を問わず安定した結ると考える。

果が得られた。測定距離による敷きならし精度には、明(5)実路工事への適用確な違いは見られなかった。停止状態での精度と比較す

精度試験結果から実施工でも適用可能であると判断

ると、標準偏差が１～３mm 増加しており、走行や振動し、実路での工事において TS を用いた 3D-MC を試行によりばらつきが増大したと思われる。しかしながら、して、要求水準を満足することを確認している 2)。

土工事だけでなく舗装工事での仕上げ作業にも十分対応できると考える。

４．出来形管理手法の提案
4-1 これまでの出来形管理

表-２ ブルドーザの敷きならし精度
横断形状
1LEVEL

233%両勾配4565%→-3%ひねり

距離(ｍ)

範囲(mm)

平均(mm)

σ(mm)

舗装工事での出来形管理は、高さ、厚さ、幅員、平た

40～80

19-1.34.6

ん性があり、それぞれ異なった方法で管理が行われてい80～12018-0.35.2る。高さ管理は丁張りを利用するため、丁張りの設置さ40～80

17-1.24.1

れている場所でしか測定することができない。また、厚80～120

17-5.53.9

さ管理は仕上がったものを掘り起こしたり、コア抜きを40～80

19-4.14.3

行う必要があり、品質にも影響を及ぼすため、多くのデ80～12018-8.3

4.5ータの取得は望ましくない。このため、少ないデータで4高さや厚さの判定を行っており、面として評価している

4-4 新たな出来形管理手法とはいえない。

実際の舗装工事で取得した上層路盤、下層路盤の高さ4-2 任意点での管理データから、前述の統計的手法で上層路盤の厚さを推定

TS を用いた出来形管理では、定点を探して高さ測定した。

を行うのは効率が悪いが、任意の位置での測定は瞬時に

上層路盤の高さの分布
0.10.1下層路盤の高さの分布行え、多くの点を効率的に測定することができ、出来形

μ 1=-5.1mm

μ 2 =+2.5mmを面的に取得することができる。また、各層の高さの差
σ 1 =5.3mmを厚さの確認に利用すれば、仕上がったものを壊さず面的に厚さを把握することができる。

0.0-35 -25 -15 -551525

σ 2 =9.5mm

350.0-35 -25 -15 -55152535

図-６ 厚さの算定例

図-６に示すように、上層路盤の高さが平均値-5.1mm、標準偏差 5.3mm、下層路盤の高さが平均値+2.5mm，標準偏差 9.5mm の場合の上層路盤の厚さを区間推定し、上層の高さずれを許容－合否判定する。

＝上層の厚さ上層路盤の厚さは正規分布の加法性から、平均値は下層の高さ-5.1-2.5=-7.6mm、標準偏差は√(5.32+9.52)=10.9mm のNO.5+10付近正規分布に従う。
厚さの信頼区間は以下の式で表される。
NO.5付近t=(μ1－μ2)±k・√(σ12+σ22)
t ：厚さ(mm)

図-４ 任意点での測定

4-3 統計的手法を用いた厚さの推定

μ：平均値(mm)

任意点での高さ管理を行う場合は、平面位置が一致しσ：標準偏差(mm)ないため、高さの差から直接的に厚さを算出することはk ：合格判定係数できない。しかし、統計的手法を用いれば、高さデータ

ここでは k=1.48（路盤工における望ましいロットの不から厚さの推定を行うことができる。測定結果が正規分

良率 7％）、規格値は-25mm とする。上式から上層路盤布に従うと仮定し、正規分布の加法性を利用して厚さのの厚さの信頼区間は-7.5±16.1mm となり、信頼区間の下分布を推定し、合否判断に利用する方法を用いる。正規限値は-23.6mm であるため、厚さの出来形が規格値を満分布の加法性は、２つの正規分布の集団からランダムに足すると判定できる（表-４）。

１つずつ値を取り出し、その和または差を要素とする新表-４ 厚さの算定結果

しい集団は正規分布に従うという性質のことである（図基準高(mm)-５）。

工厚さ(mm)種

信頼区間の平均値

標準偏差

規格値

判定
下限値

0.1
上層の高さの分布0.1
下層の高さの分布

平均値μ1

平均値μ2

標準偏差σ1上層路盤-5.15.3

下層路盤

2.5

9.5-25-24○

標準偏差σ2

このように、統計的手法を用いることで任意点での厚0.0-35 -25 -15 -5515250.0-35 -25 -15 -535

51525

さを推定することができるため、TS を用いた出来形管35

理のメリットを最大限に活かし、高さと厚さの管理を TS

0.1

上層の厚さの分布での測定に一本化することが可能と考える。また、高さ平均値μ1－μ2

測定データを正規分布として扱うには、データ数を 30標準偏差
σ1 2+σ220.0-35 -25 -15 -551525点以上確保すれば十分と思われるので、ロットごとに合否判定を行うことができる。ただし、面的な把握を目的35としているため、片寄りのない測定が必要である。

図-５ 正規分布の加法性を用いた厚さ分布

5施工延長L=265m
50ｍ

50ｍ

50ｍ

６．おわりに50ｍ65ｍ

実用化の検証を終え、情報化施工の認知度も高まってきたことから、現在では多くの現場で TS を用いた

ロット①n=30

ロット②n=30

ロット③n=30

ロット④n=30

ロット⑤n=42

OKNGOKOKOK

3D-MC が導入されている。今後は現場での精度や施工性、トラブルとその対処方法等を調査し、精度の向上や施工性の改善を図っていきたい。情報化施工技術のさらなる進展のためには、3D-MC だけでなく、TS の利点を最大限に活用した出来形管理方法など各プロセスへの積手直し極的な活用、さらには３次元データなどの情報を設計から維持管理まで一連で利用できるようなシステムの確立

図-７ ロットでの管理のイメージが望まれる。
５．今後の課題
5-1 出来形精度の向上［参考文献］

実際の施工では、敷きならし精度のほかに材料の種類

1)勝、片岡、梶原：舗装工の情報化施工、建設の施工企や施工厚、前層の凹凸による転圧後の不等沈下、路床の画、No.680、pp.24～28(2006.10)

支持力等の様々な条件により、出来形精度は変化する

2)近藤、立花、若本：舗装工事における三次元マシンコ（図－８）。さらに、従来施工に比べて少ない回数で仕上ントロールシステムの現状と TS-MC による安定処理路がることが仇となり、敷きならし機械自体での締固め効盤の施工事例、舗装、Vol.43、pp.13～17(2008.8)

果が減るため、従来施工よりも締固め機械での転圧を充分に行わないと、満足する出来形精度は得られない。また、システムを運営する技術者が精度向上のためのノウハウを持ち、的確に指導する必要がある。

現場A

平均 標準偏差(mm)
(mm)
A-5.1
5.3
B-7.3
7.4
C+4.78.1
D-1.1
9.0
E+2.59.5
基準(±40mm) ±0.020.4
現場

現場B

現場C

現場D
現場E

基準

-40-30-20-1001020
設計高との差(mm)3040

図-８ モータグレーダでの出来形例

5-2 技術者の育成
3D-MC システムを運営するには、設計や施工などの土木分野、測量分野、機械分野、コンピュータ等、広い範囲の知識が必要になる。現状では、知識や経験を備えた技術者が不足傾向にある。
システムのトラブルに対処するには、知識と経験を備えた技術者の指導が不可欠となり、即時対処できないと結果的に日施工量が低下してしまい、メリットを活かすことができない。これらのことから、3D-MC の導入には技術者の育成が必要となっている。

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