建設の施工企画 ’09. 3特集＞＞＞

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土工デジタル アースムービング
─土工計画の情報化：Digital Earthmoving ─岡本直樹

近年，GPS 等を利用した情報化施工が注目されているが，土工計画においても早くから情報処理技術を利用してきた。本稿では機械土工専門工事業者が，土工計画プロセスでデジタル技術をどのように活用してきたかを紹介する。まず，土工計画作成プロセスを概説し，地形情報処理として DTM・土量計算法・土量配分法等について，機械計画では走行シミュレーション・待ち行列シミュレーション・機械の山積み／山崩し等について述べ，最後に施工シミュレーションの課題等についても付記する。
キーワード：土工計画，機械土工，情報化施工，地形情報処理，シミュレーション，DTM，3D − CAD

1．はじめに真─ 1）の研究開発（1988 〜 1993 年）に携わったこともある。

近年，国内でも 3D−CAD や GIS 技術と GPS・自70 年代の電子計算機（メインフレーム）はバッチ

動追尾 TS 等のポジショニング技術を利用した情報化処理が殆どで自由に使うことができなかった。しかし，施工が注目され，締固め管理や整形に利用されてい1979 年に手頃で実用に耐える 8bit パソコン（当時はる。海外の露天掘鉱山では早くから全車に GPS を装マイコン）が登場したので，いち早く利用を始めた。

備した統合生産システムが導入 1）2）3）され，デジタル

ここでは，機械土工の専門工事業者として土工計技術のアースムービングへの利用が進んでいる。また，

画にどのように情報化を取入れてきたか，主に DTM

2001 年には Digital Earthmoving の国際シンポジウム 4）（Digital Terrain Model）の利用と機械のシミュレーがスイスで開かれ，機械土工に関する GIS，DTM，ションを中心に紹介する。

3D−CAD，GPS 等のデジタル技術をテーマとした。
土工計画においても古くから情報処理が利用されて2．土工計画のプロセスきた。著者等も専門工事業者として数多くの大規模土工の施工計画に携わってきて，省力化，合理的計画作

土工計画作成プロセスを簡単に説明する。図面・仕成のため実践的な情報化を進めてきた。RTK−GPS

様書等の設計図書から工事概要を把握した後，概ね，が実用化される前に，ミリ波電波灯台方式の位置認識

図─ 2 のような流れで土工計画の作成を進めていく。

システムを利用した自動運行システム 5）（図─ 1，写まず，原地形図と造成計画図から土量計算を行い，土量分布を把握し，最適な土量配分を行う。次に搬土経路を設定して，距離別搬土量を求める。これらに組合せ機械セットを選定し，それぞれの機械能力計算を図─ 1

自動運行システム写真─ 1

管制車内のコンソール 1992

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建設の施工企画図─ 3’09. 3

DTM の概念図

た。TIN（Triangulated Irregular Network：不整三角網）モデルは 89 年に Intergraph のシステムを導入して利用可能となった。国産のソフトウェアはまだTIN 対応ができていなかった。TIN モデルで地形情報の利用が飛躍的に向上し，3D−CAD で道路設計が容易となり，レイトレーシング等のレンダリング機能
図─ 2土工計画のプロセスやウォークスルー機能でプレゼンテーション力が各段に増した。その後グラフィック専用ワークステーショ行い，必要延台数を求める。更に工種別工程に機械をン Silicon Graphics を導入し，グラフィック表示の高割付けて山積み／山崩しを行い，機械投入計画を作成速化を図った。近年では，パソコンの能力が向上し，する。最後に機械経費等を積算し，見積や実行予算書

TIN モデルを組込んだ地形処理用 3D−CAD が安価を仕上げる。に利用できるようになった。

土工形態
土工事は運土形態から線土工，面土工，塊土工に分（1）DTM類できる。道路・鉄道・堤防工事のような線状の運土地形図を数値化するための一次地形情報には，等高工は線土工，宅地造成や敷地造成の多くは面状の運土線，断面図，格子点標高，ランダム点標高があり，数工となるので面土工である。また，フィルダム工事の値標高モデル（DEM：Digital Elevation Model）には

原石山・コア山・ダム堤体のように塊状の分布となる図─ 4 のようなものがある。初期のパソコン時代は，運土形態を塊土工（マッシブな土工）という。それぞ一次曲線，一次曲面モデルであったが，近年ではパソれの運土形態には，各々適した土量計算法と土量配分

コンでも TIN モデルが可能となった。

法があり，基本的な方法は図─ 2 に示している。
（2）土量計算法

3．地形情報処理

土量計算と土量配分は前述のように土工形態に適した方法を選ぶ。土量計算には線土工では線状の土量をまず，地形図は情報処理に適した DTM（DigitalTerrain Model）として数値化する（図─ 3）。
80 年頃は土量計算とマスカーブ，線形計画法（LP）による最適土量配分計画にパソコンを利用した。当時捉え易い平均断面法，面土工では面状の土量把握に便利なメッシュ法（柱状法），塊土工では採石計画や堤体盛立計画のように施工進行に合わせた高さ毎の土量把握に適した等高線法が適している。の演算速度では，LP 計算は切土と盛土ブロックを山谷毎に集約する必要があった。

（3）土量配分法

パソコンが 16bit 化されてから地形情報処理シス

線土工ではマスカーブ（土積図）を利用すると簡単テムを開発した。地形モデルは，まず断面表示（一に土量配分が行える。近頃は Excel を用い土量・土積次曲線），グリッド表示（双一次曲面）モデルであっ計算を行い，グラフ表示機能でマスカーブを自動表示

建設の施工企画 ’09. 3

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は少ないが，ダンプトラックの運搬で本格的な工事用道路を造成する場合は，工事用道路設計 8）を行う。
（5）工事用道路設計
工事用道路の設計においては，道路設計用の 3D−
CAD を用いて設計を行う。縦断勾配の設定では，後述する使用搬土機械のリンプル（牽引力）とブレーキ性能から検討する。急勾配が長い場合は緊急用の待避線も検討する。また，道路設計用の 3D−CAD は，パイロッ
ト道の取付け検討にも利用できる。図─ 5 は 3 次元コンターに工事用道路を表示している。背景の山は TIN表示である。図─ 6 はグリッド表示の地形に工事用道路（TIN）のみレンダリングを掛けた例である。

図─ 4

各種の DEM6）している。平衡線の設定はマニュアルで行い，土配を図─ 5

3D コンターと TIN 表示決定する。
面土工の土量配分は，輸送問題として線形計画法で最適化できる 7）。即ち，総仕事量 Wd（m3・m）の最小化を図る。
Wd = min ∑i =1m

∑
j=1n

࡮D ij

（ｍ3・ｍ）

Vij：各ブロックの土量，Dij：各ブロック間距離

線形計画法による土量配分計画では，一次解として図─ 6

グリッド表現

最短直線距離による最適土量配分を求め，これを基に地形や勾配・障害を考慮した搬土経路を設定して，再（6）距離別搬土量度，線形計画法による最適土量配分を行う。これらの搬土経路を設定後，経路を土量配分計画にフィード手法に対応すべく，各種のシステムを開発したが，最バックして実施土量配分計画とし，その結果から距離近は市販のものを利用している。

別搬土量を求め，この一覧から次の機械計画を行う。

塊土工の代表であるフィルダム工事等では，ロック材・フィルタ材・コア材など材料別に配分するので堤体（7）流域粒線図

盛立ゾーン別の材料の流れを材料フロー図として表す。

その他にも地形情報処理として，流域流線図を作成

この場合も Excel の計算機能と作図機能を利用できる。

して施工中の排水計画が立案できる。また，降雨データと組合せて調整池の設計にも応用できる。

（4）搬土経路の設定
土量配分計画では搬土経路を設定する。経路の線形

4．機械計画は，土取場と盛場の空間的位置関係と地形，機械性能等を考慮して決定する。特に縦断線形では，牽引力（図（1）機種選定

─ 7）とブレーキ性能に配慮する。スクレーパ工法で機種選定においては，次のような施工性を検討し，は経路設定のみで特段に工事用道路設計を行う必要性

搬土機械については経済的搬土距離を考慮して，使用24

建設の施工企画する機種を決定する。

’09. 3（4）待ち行列型シミュレーションⅰ）掘削性

搬土機械は，積込場やホッパ等のダンプアップ箇所ⅱ）積込性でしばしば待ち行列が発生する。このような機械土工ⅲ）走行性の基本的な待ち行列は，循環待ち行列で図─ 9 のよⅳ）締固め性

うに表せる。
また，運行経路上でも交差点や離合箇所で待ち行列（2）機械能力算定が発生する。このような場合のサイクルタイムの遅れ

次に作業能力の算定を行い，工種毎の必要延台数をの評価や投入台数の決定に利用する。

求める。機械能力計算では，専用の積算システムを開待ち行列型のシミュレーションのプログラミングに発して使用したこともあるが，自由フォーマットのは各種のシミュレーション言語があり，88 年から著

Excel を利用した方が便利である。

者等は SLAM Ⅱを用いてモデリング 10）を行った。また，ビジュアル化に同系統の TESS を利用した。近（3）走行シミュレーション

年では，パソコン用の安価な SIMUL8 を利用できる。

搬土機械の作業能力は，平均走行速度から求める方
9）

製造業向けで機械土工への利用には工夫が必要であるを利が，ビジュアルなアイコンを繋ぐだけで極めて容易に用すると，リンプル（牽引力曲線：図─７）とブレーモデリングが可能で，複雑なことは Excel のマクロやキ性能から走行速度を合理的に決定し，サイクルタイビジュアルベーシックを組込むことができる。

法が一般的であるが，走行シミュレーションムを求めることができる。アップダウン等の変化に富む走路の場合に特に有効な方法である。また，これは（5）機械投入計画設計した工事用道路の評価にも利用できる。

機械能力を計算し，必要延台数が求まると投入機械

更に 3D 地形図と走行シミュレーションを組合せ台数を決定する。そのためには，工種別工程に機械をて，地形サーフェス上での走行シミュレーション表示

割付け，山積み・山崩しを行い機械投入の平準化を図も可能である。
（図─ 8）る。PERT 系の工程計画ソフトウェアに山積み／山崩し機能があるが，大規模土工では投入機種が多いので，自動的に平準化を図ることは困難で，マニュアル操作に頼ることになる。結局，Excel の集計機能を利用し図─ 9図─ 7図─ 82 ステージ循環待ち行列モデル

牽引力曲線

3D 地形図上の走行シミュレーション

図─ 10SIMUL8 によるモデリング

建設の施工企画 ’09. 325て，工程全体を睨みながら平準化を図っている。

（1）地形シミュレーション

運土矢線と工程アクティビティを連動させ，GUI

3D−CAD で作成した鳥瞰図や完成パースは，自由（Graphical User Interface）のスライダー機能を利用な視点で表示でき，ウォークスルー機能で自由に動きして山積み／山崩しを行える対話型システムを試作し回ることができる。また，航空写真や地図等をテクスたこともある（図─ 11）。

チャマッピングで張付けたり，レイトレーシング等の稼働可能日数の算定

高描写画像はコマ落しによりアニメーション化が図れ

稼働可能日数の算定には，降雨日数と降雨量のデーる。ウォークスルー機能も時間軸の一種であるが，工タが必要であるが，近頃はインターネットから降雨程を加えた 4D 化が行えると理想的である。

データを容易に得ることができる。稼働可能日数の算

土工計画では図─ 12 のような施工段階図を作成し，定は Excel を利用して機械的に行えるが，確率的に稼切羽展開や取付道の検討を行うが，この作業は地形働可能日数を予測する場合は降雨シミュレーションを3D − CAD を利用しても力仕事となる。効率化を図行う。

りたいが，自動化が難しいプロセスである。
粗造成設計の自動化技術に水柱法（図─ 13）や5．施工シミュレーション

Elastic Surface Model（図─ 14）がある。これらを利用すると連続的な切盛変化の表示が行える。水柱法

デジタルアースムービングといえば，ビジュアルなでは制水弁を制御して地形シミュレーションへの応用施工シミュレーションをイメージしてしまう。究極的にを研究したことがある。水柱法は，図─ 13 のようなは，VR（Virtual Reality）の仮想空間に入り込み，仮想格子状の水柱モデルで地形を表現し，各格子間を制水体験的に施工検討を行えることであろう。施工法の検討

弁の開閉で通水制御し，切盛バランスをさせながら地や施工の進捗をビジュアルに表現するには，地形のシ形を変化させるものである。

ミュレーションと機械稼働状況の表示が必要となる。

図─ 12

施工段階図



図─ 11

GUI による対話型工程計画 11）

図─ 13

水柱法

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建設の施工企画

図─ 18
図─ 14

’09. 3CG 建機 2008

Elastic Surface Model6）

6．おわりに（2）重機稼働アニメーション
建設機械のアニメーション 12） は，作業装置等の関アースムービングの専門工事業者としていかに情報節を図─ 15 のように動かせるようにした 3D モデル化に取組んできたか，主に土工計画での DTM の利用を作成し，コマ落としで作成できる。図─ 15 〜 17 は，と機械計画でのデジタル化の取組みを述べてきた。今90 年頃に作成したものである。近年では容易に，より後は，施工シミュレーションや施工段階のベンチ展開精巧な 3D モデルリングが可能となった（図─ 18）。

等の作図の合理化が研究課題であるが，ベンダによる工程進捗を表現できる４D−地形 CAD の開発にも期待したい。

図─ 15

積込機のアニメーション 1990

図─ 16

原石山の機械配置 CG 1989

《参 考 文 献》
1）岡 本： 大 型 土 工 機 械 の 動 向 と コ ン ピ ュ ー タ 管 理， 建 設 の 機 械 化，JCMA，2001.5
2）岡本：大規模土工の近未来風景，建設の機械化，JCMA，2003.1
3）岡本：MINExpo2004 見聞記 , 建設機械，日本工業出版，2005.4
4）C.Y.Westort（Ed.）：Digital Earth Moving，2001.95）ミリ波を利用した遠隔監視制御システム，建設ロボット・自動化便覧，
先端建設技術センター，p66,1995
6）村井俊治：空間情報工学，日本測量協会，2002.8
7）岡本：土量配分計画，環境土構造工学（1），電気書院，2006.4
8）岡本：工事用道路の設計と安全，建設の施工企画，JCMA，2008.7
9）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 回建設マネジメント問題に関する研究会・討論講演集，1991.12
10）岡本・大下：施工シミュレーションの研究とその開発，第 8 回シミュ
レーションテクノロジーコンファレンス発表論文集，1989.6
11）岡本・大下：土工事の GUI による対話型工程計画，第 10 回建設マネ
ジメント問題に関する研究会・討論講演集，1992.12
12）岡本・田中：重機稼働アニメーションについて，第 17 回土木情報シンポジウム講演集 1992.10［筆者紹介］
岡本 直樹（おかもと なおき）
山﨑建設㈱
技術部長

図─ 17

土取場機械配置 CG 1993