JP5565964B2

JP5565964B2 - 水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法とその施工管理装置

Info

Publication number: JP5565964B2
Application number: JP2011004801A
Authority: JP
Inventors: 匠眞鍋
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2031-01-13
Also published as: JP2012144924A

Description

本発明は、３次元ソナー（３Ｄソナーともいう、以下、同じ）による水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法とその方法に使用する施工管理装置に関するものである。

従来、水中掘削・均し作業機である、例えば、水中バックホウを用いて掘削作業や捨石均し作業を行う場合には、潜水士が水中バックホウに搭乗して操作する方法、若しくは水中カメラ等で水底地盤状況を視認しながら支援台船上から水中バックホウを遠隔操作する方法がとられていた。当該作業の出来形確認は、作業を中断して水中バックホウを移動させた後や、１日の作業の終わりや翌日の作業の最初に深浅測量を行い、測量データを処理して水底形状を確認し、以降の作業へと反映していた。また、マルチビーム等の超音波計測機器による計測方法が知られていて（特許文献１参照）、この方法によると水底地盤形状の定量的なデータが得られる方法である。

特開２０００−６４３４０号公報

しかし、従来の水中掘削・均し作業機等による掘削・均しの方法では、例えば、水中バックホウによる掘削作業や均し作業中および作業後しばらくの間は、水中に濁りが生じるため、水中カメラによる視認が困難であること、カメラ映像だけでは定量的な現況把握ができないため、水中バックホウの操作を適切に行えない等の課題がある。また、マルチビーム等の超音波計測機器を使用した場合では、マルチビームソナーを首振り駆動させて計測を行わなければならないため、首振り計測が一巡するまでの間は、水底地盤形状を把握することができない。

即ち、マルチビームによって得られたデータは計測時差を含むため、水中バックホウ等における水中掘削・均し作業機のオペレーターが水底地盤形状をリアルタイムに把握し、水中掘削・均し作業機の操作に反映させることが困難である。よって、水中掘削・均し作業の出来形精度や作業効率は、オペレーターの経験や技量に左右されるところが大きいと言う課題がある。本発明に係る水中バックホウによる掘削・均しの方法と装置は、このような課題を解決するために提案されたものである。

本発明に係る水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、水中掘削・均し作業機に備えられて超音波によりある範囲の水中の３次元形状を一送波で即時的に計測して位置データを持った立体映像として可視化できる３次元ソナーと、前記水中掘削・均し作業機を遠隔操作する遠隔操作装置を有する支援台船に、ジャイロスコープ又は慣性航法装置と、全地球測位システム装置と、音速度計装置と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューターとを備え、前記水中掘削・均し作業機と前記支援台船とに前記水中掘削・均し作業機の位置を測定するＳＳＢＬ測位システムを備えてなる施工管理装置を構成し、前記３次元ソナーのデータを前記支援台船における３次元解析用パーソナルコンピューターに送信して作業対象の地盤の出来形をリアルタイムで視覚的に確認しながら前記水中掘削・均し作業機を遠隔操作装置で操作して水中掘削・均し作業を行うことである。

本発明に係る水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、超音波によりある範囲の水中の３次元形状を一送波で即時的に計測して位置データを持った立体映像として可視化できる３次元ソナーと、ジャイロスコープ又は慣性航法装置と、全地球測位システム装置と、音速度計装置と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューターとを支援台船に装備し、前記支援台船と水中掘削・均し作業機とを遠隔操作装置で接続してなる施工管理装置を構成し、前記３次元ソナーのデータを前記支援台船における３次元解析用パーソナルコンピューターに送信して作業対象地盤の出来形と水中掘削・均し作業機の位置をリアルタイムで視覚的に確認しながら前記遠隔操作装置で前記水中掘削・均し作業機を操作して水中掘削・均し作業を行うことである。

更に、予め設計形状をデータ入力して記憶装置に登録しておいて３次元解析用パーソナルコンピューターによってモニタに設計と３次元ソナーによる実測の形状を重ね合わせてリアルタイムに３次元表示させ、作業中において、前記モニタの３次元映像を視覚的に確認しながら作業できるようにしたことを含むものである。

本発明に係る水中掘削・均し作業機用の施工管理装置の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、水中掘削・均し作業機に備えられて超音波によりある範囲の水中の３次元形状を一送波で即時的に計測して位置データを持った立体映像として可視化できる３次元ソナーと、前記水中掘削・均し作業機を支援台船から遠隔操作する遠隔操作装置と、前記支援台船にそれぞれ備えられるジャイロスコープ又は慣性航法装置と、全地球測位システム装置と、音速度計装置と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューターと、前記水中掘削・均し作業機と前記支援台船とに設けられ当該支援台船に対する前記水中掘削・均し作業機の位置を測定するＳＳＢＬ測位システムとを装備してなることである。

本発明に係る水中掘削・均し作業機用の施工管理装置の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、超音波によりある範囲の水中の３次元形状を一送波で即時的に計測して位置データを持った立体映像として可視化できる３次元ソナーと、ジャイロスコープ又は慣性航法装置と、全地球測位システム装置と、音速度計装置と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューターとのそれぞれを支援台船に装備し、水中掘削・均し作業機を前記支援台船から遠隔操作する遠隔操作装置とを装備してなることである。

本発明の水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法とその施工管理装置によれば、水中掘削・均し作業機による水底地形の出来形をリアルタイムに把握することができるようになり、効率よく水中掘削・均し作業機の操作を行うことができる。
また、予め水底の設計形状を３次元形状にして登録し、３Ｄソナーによる実測値とでリアルタイムに断面形状を表示することで、精度の高い水中作業や水中均し作業を行うことができる。こうして、水中掘削・均し作業機による水中作業が、オペレーターによる経験や技量に左右されることなく行われ、掘削作業・均し作業の出来形精度や効率を高めることができる、と言う優れた効果を奏するものである。

本発明の第１実施例に係る水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法を示す説明図である。本発明の第２実施例に係る水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法を示す説明図である。本発明の第３実施例に係る掘削・均しの方法を示す説明図である。同本発明の第１実施例に係る掘削作業の場合の、水中掘削・均し作業機７による施工管理装置１の構成を示す説明図である。同施工管理装置１ｄの構成を示す説明図である。本発明の第３実施例に係る水中掘削・均し作業機７による施工管理方法の実施例を示す斜視図（Ａ）と、３次元ソナー２を支援台船９に取り付けて行う計測状態を示す斜視図（Ｂ）である。同本発明の第３実施例に係る施工管理装置１ｅの構成を示す説明図（Ｂ）である。本発明の第４実施例に係る水中掘削・均し作業機７による掘削・均しの方法を示す説明図である。同本発明の第４実施例に係る水中掘削・均し作業機７による施工管理装置１ｆの構成を示す説明図である。３次元ソナー２による断面形状を求める手順を示す説明図である。同３次元ソナー２による断面形状を求める手順を示す説明図である。本発明に係る実施例１における設計と実測を重ね合わせること示す説明図である。本発明に係る実施例１，２における設計と実測を重ね合わせて、水中捨石均し作業の場合に、出来形の許容範囲外の均し箇所や余剰箇所を確認しながら均しを行う様子を示す説明図である。本発明に係る実施例１，２における水中捨石の設計形状と計測断面を重ね合わせた断面形状を示す説明図である。

本発明に係る水中掘削・均し作業機による水底の掘削若しくは捨石等に対する均しの作業を、図１に示すように、３次元ソナーを使用してリアルタイムに掘削や捨石などの均し作業の出来形を確認しながら行うものである。なお、本発明において、水中掘削・均し作業機７は、水中バックホウ，水中ブルトーザ，水中捨石均しロボットを含むものである。

本発明の第１実施例に係る水中掘削・均し作業機（水中バックホウを代表例として説明する）用の施工管理装置１は、図１−Ａと図２−Ａとに示すように、水中掘削・均し作業機７の運転室前方等に取り付けられる３次元ソナー２と、ジャイロスコープ又は慣性航法装置（ＩＮＳ：ＩｎｅｒｔｉａｌＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ以下同じ）３（以下、計測部１ａ）とがある。また、ジャイロスコープ又は慣性航法装置３と、全地球測位システム装置（Global Positioning System：ＧＰＳ以下同じ）４と、音速度計装置５と、これらの各装置（以下、計測部１ａ）をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置６ａにデータ収録させ及びモニタ６ｂに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューター（以下、パソコン）６（以下、処理・表示部１ｂ）と、前記水中掘削・均し作業機７の位置を測定するＳＳＢＬ（Ｓuper Ｓhort Ｂase Ｌine）測位システム８と、遠隔操作装置を支援台船９に備えて構成されている。

前記３次元ソナー２は、超音波により、ある範囲を即時的に計測し、位置データを持った立体映像として可視化できる装置である。図２−Ｃ（Ａ）に示すように、水中の３次元形状を１送波で計測する。また、図２−Ｃ（Ｂ）に示すように、３次元ソナー２をパン・チルト構造を有する取付架台で支持させることもできる。稼働範囲はパンが±１８０゜、チルトが±９０゜として、これらを稼働させ計測範囲を拡大させながら計測することができる。そして、一例として、５０゜×５０゜の範囲を計測してそれぞれ座標を持った立体映像として可視化することができる。

前記ジャイロスコープ又は慣性航法装置（ＩＮＳ）３は、計測点としての水中掘削・均し作業機７の位置および支援台船９の現在位置（停止している場合は不要）と、方位，ロール，ピッチ，ヒーブ等を求めるものである。これは、支援台船９の姿勢が波や潮位で変化した場合、それぞれの相対位置座標と角度が変化するため、支援台船９の姿勢（ロール、ピッチ、ヒーブ、方位）を計測し、３次元ソナー２による位置データを補正するものである。前記計測点は、例えば、水中掘削・均し作業機７，支援台船や測量船のほかに岸壁や防波堤，ケーソン，浮体構造物等における計測点を含むものである。

また、前記ＧＰＳ４は、支援台船９の位置を正確に求めるものである。前記音速度計５は、水中の音速を計測して、超音波による距離測定の補正をするために計測するものである。具体的には、水中音速度は1500m/s程度であるが、水温、圧力、塩分濃度などにより変化する。よって、音速度の補正をしなければ、正確な計測がなされないため、一般的に音速度計測、および音速度補正を実施する。例えば、海水中の音速（m/s）の式、Ｖ＝１４４９．１４＋△ＶＰ＋△ＶＳ＋△ＶＴ＋△ＶＳＴＰ（Ｐ：圧力ｋｇ／ｃｍ２の補正項、Ｓ：塩分０／００の補正項、Ｔ：温度℃の補正項、ＳＴＰ：圧力，塩分，温度の補正項）である。

前記パソコン６は、そのＣＰＵ（中央演算処理装置）に、３次元表示用のプログラムに、ＯpｅｎＧＬ（Graphics Library）、ＯpｅｎＣＬ（Computing Language）、ＤｉｒｅｃｔＸなどの公知の３次元グラフィックスＡＰＩ（ＡpｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍＩｎｔｅｒｆａｃｅ）が組み込まれるものである。更に、前記ＳＳＢＬ測位システム８における信号処理部，方位演算処理部が設けられている。

図２−Ａに示すように、前記パソコン６で所望位置の断面図をデータ処理する。前記パソコン６で、断面図をＴＩＮ（ＴｒｉａｎｇｕｌａｔｅｄＩｒｒｅｇｕｌａｒＮｅｔｗｏｒｋ、以下同じ）法によって作成するには、図３−Ａに示すように、予め指定した２点の平面座標Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）、Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）から、予め指定した範囲１０で、計測した点群データＡを記憶装置６ａから抽出する。そして、前記点群データＡの任意の１点Ｔ１を中心とし、予め直径を指定した円１１の範囲に含まれる点群Ｂを抽出する。

１）前記点群Ｂの中からＴ１に平面距離が近い２点Ｔ２，Ｔ３を検索し、抽出する。
２）このとき、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が一直線上にあれば、前記１）のＴ２，Ｔ３の抽出に戻って、Ｔ３の次にＴ１に平面距離が近いＴ４を抽出する。
３）こうして抽出されたＴ１，Ｔ２，Ｔ３が一直線上にない時は、この３点を結んでできる三角形の外接円１２を作り、その円内に他の点が含まれない場合には、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で構成される三角形を面として確定する。
この円内に他の点が含まれている場合には、前記１）に戻って点群Ｂの中から新たなＴ２，Ｔ３を見つけて三角形を確定する。
４）前記Ｔ１，Ｔ２で２分割される平面のうち、Ｔ３を含まないエリア内で直線Ｔ１，Ｔ２にもっとも距離の近い点Ｔｘを検索する。
５）上記３）からの処理を繰り返す。図３−Ａに示すように、Ａのエリアを複数の三角形で構成される面に分割する。
（各三角形の１辺の長さは、点群Ｂの円１１の直径を越えることはない）
６）上記５）で作成した各三角面と前記Ｐ１，Ｐ２を含む面との交線を求める。
以上のようにして、断面図を作成するものである。

また、水中掘削・均し作業機７による掘削工事における出来形確認を行う場合には、上記施工管理装置１を使用して、図１−Ａに示すように、本装置を水中掘削・均し作業機７に設置することにより、水底の掘削状況を３次元映像として表示する。これにより水中掘削・均し作業機７のクレーンオペレーターは映像を確認しながら効率よく浚渫することが可能となる。なお、リアルタイム３Dソナーで取得したデータを使用してコンピューター６上に３次元表示するには、例えばOpen GL、Open CL、またはDirectXなどの３DグラフィックスAPIを表示用プログラムに組み込む方法がある。

また、水中掘削・均し作業機７の位置は、ＳＳＢＬ測位システム８におけるトランスポンダ８ａからの超音波信号と、支援台船９側の受波部８ｂで前記超音波信号を受け取り、それを前記コンピュータ６でＳＳＢＬ（Ｓuper Ｓhort Ｂase Ｌine）演算処理を行って、それをモニタ６ｂに表示する。

更に、図１−Ａに示すように、作業台船９によって、前記水中掘削・均し作業機７を操作するには、支援台船９の遠隔操作室に水中掘削・均し作業機７用の遠隔操作装置９ｂがあり、この遠隔操作装置９ｂと水中掘削・均し作業機７とが遠隔操作用のケーブル９ａで接続され、水中掘削・均し作業機７側に、駆動装置が設けられていて、遠隔操作が行われるものである。

また、図４−Ａと図４−Ｂとに示すように、あらかじめ設計形状を3次元座標で登録しておくことにより、設計と３次元ソナーによる実測を重ね合わせてリアルタイムに掘削した水底地形の３次元表示や２次元表示を行う。これにより掘削作業の状況や捨石作業の均し状況を視覚的に、かつ座標値で確認しながら作業を行うことができる。

捨石等の均し作業においては、同様に、リアルタイムに３Ｄソナー２の計測値から複数断面の実測値を抽出し、リアルタイムな断面表示ができる。図５に示すように、計測断面に重ねて、設計の天端高、法面、天端幅、および延長などを表示できるため、リアルタイムに断面管理が行え、精度の高い捨石均しができる。

本発明の第２実施例に係る水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法は、図１−Ｂに示すように、３次元ソナー２と、ジャイロスコープ又は慣性航法装置３と、全地球測位システム装置４と、音速度計装置５と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューター６とを支援台船９に装備し、前記支援台船９と水中掘削・均し作業機７とを遠隔操作装置９ｂで接続して施工管理装置１ｄを構成する。これは、３Ｄソナー２によって水中掘削・均し作業機７の位置もリアルタイムに知ることができるので、前記第１実施例におけるＳＳＢＬ測位システム８を省いた方法である。この施工管理装置の構成を図２−Ｂに示す。

よって、前記３次元ソナー２のデータを前記支援台船９における３次元解析用パーソナルコンピューター６に送信して作業対象地盤の出来形と水中掘削・均し作業機７の位置を同時に、リアルタイムで確認しながら、前記遠隔装置９ｂで前記水中掘削・均し作業機７を操作して水中掘削・均し作業を行うものである。

本発明の第３実施例に係る水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法は、図１−Ｃに示すように、水中掘削・均し作業機７の運転席に潜水士１３がオペレーターとして搭乗して操作し、前記実施例２と同様に作業を行うものである。運転席には、３次元映像表示用の水中表示器１ｃが配設されている。また、支援台船９側にも３次元映像を表示するモニタ６ｂがある。この施工管理装置１ｅの構成は、図２−Ｄに示す。

また、本発明の第４実施例に係る水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法は、前記実施例１の場合において、水中掘削・均し作業機７の運転席に潜水夫１３がオペレーターとして搭乗して操作することであり、図２−Ｅにその様子を示すとともに、図２−Ｆに施工管理装置１ｆの構成を示す。前記実施例３，４におけるオペレーターの潜水士１３は、３次元映像を確認しながら効率よく水中掘削・均し作業機７の操作をすることができる。

本発明に係る水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法とその施工管理装置は、水底の掘削作業，捨石均し作業に広く適用できるものである。

１施工管理装置、１ａ計測部、
１ｂ処理・表示部１ｃ水中表示部、
１ｄ第２実施例の施工管理装置、
１ｅ第３実施例の施工管理装置、
１ｆ第４実施例の施工管理装置、
２３次元ソナー（３Ｄソナー）、
３ジャイロスコープ又は慣性航法装置（ＩＮＳ）、
４全地球測位システム装置（ＧＰＳ）、
５音速度計装置、
６３次元解析用パーソナルコンピューター（パソコン）、
６ａ記憶装置、６ｂモニタ、
７水中掘削・均し作業機、７ａバケット、
８ＳＳＢＬ測位システム、８ａトランスポンダ、
８ｂ受波部、
９支援台船、９ａケーブル、
９ｂ遠隔操作装置、
１０予め指定した範囲、
１１予め直径を指定した円、
１２外接円、
１３潜水夫、
１４均し面、１４ａ不足箇所、
１４ｂ余剰箇所。

Claims

水中掘削・均し作業機に備えられて超音波によりある範囲の水中の３次元形状を一送波で即時的に計測して位置データを持った立体映像として可視化できる３次元ソナーと、前記水中掘削・均し作業機を遠隔操作する遠隔操作装置を有する支援台船に、ジャイロスコープ又は慣性航法装置と、全地球測位システム装置と、音速度計装置と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューターとを備え、前記水中掘削・均し作業機と前記支援台船とに前記水中掘削・均し作業機の位置を測定するＳＳＢＬ測位システムを備えてなる施工管理装置を構成し、
前記３次元ソナーのデータを前記支援台船における３次元解析用パーソナルコンピューターに送信して作業対象の地盤の出来形をリアルタイムで視覚的に確認しながら前記水中掘削・均し作業機を遠隔操作装置で操作して水中掘削・均し作業を行うこと、
を特徴とする水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法。
超音波によりある範囲の水中の３次元形状を一送波で即時的に計測して位置データを持った立体映像として可視化できる３次元ソナーと、ジャイロスコープ又は慣性航法装置と、全地球測位システム装置と、音速度計装置と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューターとを支援台船に装備し、前記支援台船と水中掘削・均し作業機とを遠隔操作装置で接続してなる施工管理装置を構成し、
前記３次元ソナーのデータを前記支援台船における３次元解析用パーソナルコンピューターに送信して作業対象地盤の出来形と水中掘削・均し作業機の位置をリアルタイムで視覚的に確認しながら前記遠隔操作装置で前記水中掘削・均し作業機を操作して水中掘削・均し作業を行うこと、
を特徴とする水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法。
予め設計形状をデータ入力して記憶装置に登録しておいて３次元解析用パーソナルコンピューターによってモニタに設計と３次元ソナーによる実測の形状を重ね合わせてリアルタイムに３次元表示させ、作業中において、前記モニタの３次元映像を視覚的に確認しながら作業できるようにしたこと、
を特徴とする請求項１または２に記載の水中掘削・均し作業機による掘削・均しの方法。
水中掘削・均し作業機に備えられて超音波によりある範囲の水中の３次元形状を一送波で即時的に計測して位置データを持った立体映像として可視化できる３次元ソナーと、
前記水中掘削・均し作業機を支援台船から遠隔操作する遠隔操作装置と、
前記支援台船にそれぞれ備えられるジャイロスコープ又は慣性航法装置と、全地球測位システム装置と、音速度計装置と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューターと、
前記水中掘削・均し作業機と前記支援台船とに設けられ当該支援台船に対する前記水中掘削・均し作業機の位置を測定するＳＳＢＬ測位システムとを装備してなること、
を特徴とする水中掘削・均し作業機用の施工管理装置。
超音波によりある範囲の水中の３次元形状を一送波で即時的に計測して位置データを持った立体映像として可視化できる３次元ソナーと、ジャイロスコープ又は慣性航法装置と、全地球測位システム装置と、音速度計装置と、これらの各装置をそれぞれ有線若しくは無線で接続され各データを入力して記憶装置にデータ収録させ及びモニタに３次元表示させる３次元解析用パーソナルコンピューターとのそれぞれを支援台船に装備し、
水中掘削・均し作業機を前記支援台船から遠隔操作する遠隔操作装置とを装備してなること、
を特徴とする水中掘削・均し作業機用の施工管理装置。