JP2829671B2 - 掘進機等の自動方向制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、下水道用その他の用途をもつ中小口径管
の埋設工事に多く利用される推進工法の推進機、又はト
ンネル掘進工事に採用されるシールド工法のシールド機
の方向修正などに適用される自動方向制御方法に関す
る。

従来の技術 従来、シールド機や推進機など（以下、掘進機等と総
称する）の方向修正をコンピュターを利用して自動的に
行なう自動方向制御方法は、既に広く知られ実施もされ
ている（例えば特開昭63−280195号公報記載の方向制御
方法を参照）。

本発明が解決しようとする課題 従来のコンピュターを利用して行なう掘進機等の自動
方向制御方法は、シールド機や推進機の現在位置や姿勢
の測定値を基に、そのまま掘進した場合の位置、姿勢の
予測を行なうと共に、掘進中及び掘進前後の変化率等を
コンピュターで演算して方向制御を行なうことを内容と
している。しかも前記の演算は数値演算であり、様々な
数式を用いて行なっている。しかし、こうした数値演算
は必ずしも全ての掘進機等、及び推進土質に適合すると
はかぎらない。また、演算方式を変更する場合の数式の
変更は非常に煩雑になると云う問題がある。

さらに、従来の自動方向制御方法は、推進機等の現在
位置と計画線との差（離れ量）に関しては、第10図に例
示したように、離れ量の大小如何にかかわらず、修正目
標を常に計画線に対して絶対値を±0mmとする方向制御
を実行するため、急激な変化によって推進軌跡に蛇行や
湾曲が生じやすい欠点があった。

従って、本発明の目的は、第１に、数値演算を用いず
に方向制御を行なう自動制御方法を提供することであ
る。さらに云えば、方向制御のプログラム言語として推
論のプログラム言語を用い、パターンマッチングを主体
として方向制御を行なう自動方向制御方法を提供するこ
とにある。

本発明の第２の目的は、推進機の方向制御に影響する
要因を、掘進軌跡、姿勢角、計画線との離れ
（差）、過去の制御効果、の四つに大別し、それぞれ
の影響を加味して方向制御を行なう自動方向制御方法を
提供することにある。特に、計画線との離れの修正に関
しては、離れ量の大きさに応じて第７図のように複数の
エリアを設け、各エリアにおける個別の修正目標を設け
てそれなりの修正を少しずつゆるやかに行い、もって掘
進軌道に大きな変化が起こるのを防止し、云わば人のコ
ントロールに似せてジワーとスムーズになだらかに変化
させる方向制御を行なう自動方向制御方法を提供するこ
とになる。

課題を解決するための手段 上記従来技術の課題を解決するための手段として、こ
の発明に係る掘進機等の自動方向制御方法は、図面の第
１図〜第９図に実施例を示したとおり、 掘進機２等のの現在位置、姿勢角を計測し演算、記録
する自動測量システム１と、前記自動測量システム１か
ら送られたデータと内部に記憶された知識データとに基
いて論理的な推論を行ない、掘進機２等の修正方向と修
正量を演算する方向制御演算部７と、前記方向制御演算
部７の指示通りに該当する方向修正ジャッキ11を選定し
ストローク量を調整して掘進機２等をコントロールする
ジャッキ制御演算部９とによる掘進機等の自動方向制御
方法において、 イ） 自動測量システム１によって得られた掘進機２等
の現在位置から所定の距離まで遡った過去の数点の位置
データ｛第４図中の〜又は第５図中の（イ）〜
（ニ）｝を第６図の基本パターンに当てはめ、基本パタ
ーンの組合せとして掘進機２等の軌跡をパターン化し、
データベースに記憶させてある多くの軌跡パターンデー
タの中から前記軌跡パターンと一致するものを選択して
制御方向と制御量を決定する段階と、 ロ） 自動測量システム１によって得られた掘進機２等
の姿勢角を、同掘進機２等の現在位置（例えば第８図の
距離10mの位置）から所定の距離まで遡った点（例えば
第８図の距離8mの位置）の姿勢角データとその変化量に
よってパターン化し、データベースに記憶させてある多
くの姿勢角パターンデータの中から前記姿勢角パターン
と一致するものを選択して制御方向と制御量を決定する
段階と、 ハ） 掘進機２等のの現在位置と計画線との離れ量をい
くつかのエリアに分け、各エリアにおける個別の修正目
標を設定して修正量を決定する段階（第７図）と、 より成ることを特徴とする。

本発明の自動方向制御方法はまた、掘進機２等の方向
制御を行なった結果が、予測したとおりの位置及び姿勢
角になったか否かを自動測量システム１により測量して
比較判断を行い、次回の制御量の変更に反映させる段階
を含むことも特徴とする。

作 用 掘進機２等のの現在位置から例えば9m後方ぐらいまで
遡った過去の位置データ（第２図、第３図）の中から等
間隔に例えば４点の位置データを取り出し、第６図に示
した基本パターンの組合せとして掘進軌跡をパターン化
すると、この軌跡パターンをもとに方向制御の必要性の
有無が判定される。

方向制御が必要と判定された場合、今度は現在位置か
ら3m後方ぐらいまで遡った過去の位置データの中から等
間隔に例えば４点ぐらいの位置データを取り出し（第５
図）、軌跡をパターン化する。即ち、予めデータベース
に記憶させてある多くの基本パターン（第６図）の中か
ら一致するものを選択する（パターンマッチング）。か
くして選択された基本パターンの組合せとして軌跡パタ
ーンを作成し、この軌跡パターンに基づいて今後の掘進
機２等の挙動を予測することで基本となる修正方向と修
正量を決定できる。こうしたパターンマッチングによる
修正方向と修正量の決定操作は、方向制御演算部７にお
いて行なわれる。

掘進機２等のの姿勢角（ピッチング角、ヨーイング
角）についても、前記掘進軌跡の場合と全く同様な測量
データのパターン化とパターンマッチングの手法によ
り、修正方向と修正量が決定される（第８図）。

掘進機２等の現在位置と計画線との離れ（差）につい
ては、離れ量に応じて複数のエリアを設け、各エリアに
おいて個別の修正目標を設け、ゆるやかな修正を行なう
ことのできる修正量を決定する（第７図）ので、掘進軌
跡に大きな変化の生ずることは防止される。以上の姿勢
角の修正方向と修正量の決定操作及び離れ量に応じた個
別の修正目標の設定も、方向制御演算部７において行な
われる。

掘進機２等の制御を行なった結果が、予測したとおり
の位置及び姿勢角になったか否かは自動測量システム１
の測量結果に基づいて判定する。その判定結果を必要に
応じて次回の制御に反映することによって学習機能が働
き、データの蓄積と共に制御の結果、精度がどんどん高
められ、より良い結果が得られることになる。

実 施 例 次に、図示した本発明の実施例を説明する。

第１図は、推進工法の施工管理において、この発明の
自動方向制御方法が実施される推進機２の自動方向制御
システム全体の概要を示している。図中１は自動測量シ
ステムで、これは推進機２内に設置されたターゲット３
を視準するトータルステーション４、及び地上の監視室
に設置されたパーソナルコンピュター５、ビデオトラッ
カー６等の計測演算装置とで構成されている。この自動
測量システム１は、推進機２の現在位置、姿勢角をリア
ルタイムに計測し、その計測データを次の方向制御演算
部７へ送る。

方向制御演算部７は、前記自動測量システム１から送
られてきたデータを受信し、推論演算を行なうパーソナ
ルコンピュター８で構成され、推進機２の計画線からの
離れ（上下、左右の偏位量及び姿勢角の偏位量）をもと
に、論理的な推論（パターンマッチング）を行なう。前
記推論演算により推進機２の制御の必要性が判定される
と、次の処理で修正方向と推進量を決定し、次のジャッ
キ制御演算部９へ制御指示を転送する。この方向制御演
算部７はまた、制御結果の判定を行い、その制御が有効
と判断された場合には、その推論結果を記憶して次回の
制御に反映させる。

ジャッキ制御演算部９はジャッキコントローラ10から
成る。ジャッキコントローラ10は、前記方向制御演算部
７から送られてきた制御指示に基いて、現時点の方向修
正ジャッキ11のストロークをストローク計12でモニター
しながらジャッキ油圧回路の電磁弁の制御を行なうもの
である。方向修正ジャッキ11の制御終了は、現時点のス
トローク差が制御指示量と一致した段階とし、制御終了
の信号を前記方向制御演算部７へ返送する。また、一定
時間制御を継続しても制御不完全の場合は、その旨の信
号と、推進機２の方向修正ジャッキ11のストローク量と
を方向修正演算部７へ返す。さらに停電などによる制御
データの消失を防ぐため、ジャッキコントローラ10は設
定ストロークなどのイニシャルデータ（初期値）をメモ
リーに記憶する機能を具備している。

次に、上述した自動方向制御システムによる推進機２
の自動方向制御方向について説明する。

推進工法の施工管理として、推進機２の軌跡は最も重
要である。自動測量システム１によって得られる測量デ
ータに基き、推進中の推進機２の位置と推進方向、姿勢
角（ピッチング角及びヨーイング角）を常にリアルタイ
ムで把握し記録する。推進機２の過去の軌跡の管理手法
としては、蓄積データから推進機２に対する方向修正の
必要性の判定及び修正方向、修正量の決定の２段階に分
けて行なう。例えば推進機２が1m進む毎に１回の割合で
方向修正の必要があるか否かの演算を行なう。方向修正
の必要があると判定された場合は、１回の制御の最長継
続時間を20秒とし、この最長継続時間を超えた場合に
は、同じ制御を計３回（合計60秒）連続して行い、３回
とも制御不完全の場合には制御を打ち切る。

ところで、推進工法等の施工者によれば、後方のヒュ
ーム管が推進機２の方向制御に影響を与える範囲は５〜
10m（ヒューム管２〜４本分）ぐらいということであ
る。そこで自動測量システム１から送られてきた推進機
２の現在位置から9mまで過去に遡った範囲内の位置デー
タ（第２図）に基いて推進機２の軌跡をパターン化（第
３図）する。即ち、前記位置データの中から等間隔に４
点（例えば第４図中の〜）の位置データを取出し、
推進軌跡をパターン化する（第４図）。そして、この軌
跡パターンと計画線からの偏位量（離れ量）をもとに方
向制御の必要性の有無を判定する。

前記の過程で推進機２の方向制御が必要と判定された
場合には、前記した等間隔に４点（第４図の〜）の
位置データの中から、さらに現在位置に直近の−の
範囲（3m前）までの位置データを選択し、この位置デー
タの中から等間隔に４点｛第５図の（イ）〜（ニ）｝を
取り出し、軌跡の詳細をパターン化する。この軌跡パタ
ーンから今後の推進機２の挙動を予測して、基本となる
修正方法、修正量を決定する。

そのやり方としては、方向制御演算部７のデータベー
スに第６図のような基本パターンのモデルNo.1〜No.8を
予め記憶させておく。そして、第５図の〜間の軌跡
パターン（イ）→（ロ）→（ハ）→（ニ）について、例
えば現在位置の（イ）点から遡って（ロ）点までの軌
跡（イ）→（ロ）に一致する基本パターンをNo.1と選択
する。次に（ロ）→（ハ）点の軌跡に一致する基本パタ
ーンを第６図から同じくNo.1と選択する。さらに（ハ）
→（ニ）点のまでの軌跡に一致する基本パターンをNo.5
と選択する。

かくして選択し決定された推進機２の軌跡パターン
は、基本パターンのNo.として後方から現在位置に向か
って順に、No.5、No.1、No.1と求め、このようにして求
めた軌跡パターンにより、現在位置より先の推進機２の
挙動を予測して方向制御を行なうための制御方向（修正
方向）と基本制御量（修正量）とが決定される。

但し、このときの修正量の最終決定については、計画
線に対して絶対値が±0mmとなるような修正を行なうの
ではない。たとえば第７図のように±0mmの計画線から
の偏位量（離れ量）について、±0mm→±20mmまでを第
１エリアとし、±20mm→±50mmまでを第２エリアとし、
±50mm以上を第３エリアと設定する。このように±0mm
の計画線からの離れ量に応じた三つ（又は複数）のエリ
アを設定した上で、各々のエリア内における個別の修正
目標を設け、これまでの軌跡パターンに対して各エリア
で最適と考えられる修正目標に対する制御量を選択す
る。

例えば第７図の右半分に図示したように、現在位置の
推進機２が第３エリアに位置するときは、とりあえず第
２エリア内の第１エリア寄りの位置に修正目標を置く。
また、第７図の左半分に図示したように、推進機２の現
在位置が第１エリア内に属するときは、およそそのまま
の位置を保つように修正目標を設定する。要するに、推
進機２の軌道に急激な、又は大きな変化が起こるのはで
きるだけ回避するのである。

次に、自動測量システム１は、推進機２の姿勢角、即
ちピッチング角とヨーイング角も測量する。ピッチング
角は、推進機２の垂直、水平方向の動き（変化）に対応
しており、第８図に示した通り、推進機２の姿勢角は計
画線からの偏位量（位置データ）に先だって変化する。
本発明の制御方法としては、現在の姿勢角、及び現在位
置から1mまで遡った姿勢角との変化量をパターン化し、
やはりデータベースに記憶させてある姿勢角の基本パタ
ーンとのパターンマッチングの操作を行い、推進機２の
これからの挙動を予測する。そして、上述の推進軌跡か
ら求めた制御量を総合的に判定して制御方向と制御量を
決定する。

以上の演算は方向制御演算部７で行なわれ、決定され
た修正方向と修正量はジャッキ制御演算部９のジャッキ
コントローラ10へ送る。ジャッキコントローラ10は、方
向制御演算部７から指示された修正方向と修正量のとお
りに該当する方向修正ジャッキ11を選択し、そのストロ
ーク量を調整する。

こうして推進機２の方向修正が実行されると、その結
果は自動測量システム１がリアルタイムで自動測量し、
その測量データは再び方向制御演算部７に送られて制御
結果の判定が行なわれ、必要があれば次回の制御量の変
更に反映される。これが所謂学習機能の働きである。

以上述べたように自動方向制御方法をトータルのブロ
ック図にして示したのが第９図である。

本発明が奏する効果 本発明に係る掘進機等の自動方向制御方法は、推論と
バターンマッチングの演算処理を主体とした制御方法で
あるため、データベース（基本的には知識ベースとな
る）の追加、変更が簡単である。従って、シールド機で
あれ、推進機であれ、その機種の変更や掘進土質など条
件変化の対応がきわめて容易である。

また、ソフトウエアー自体でデータベースの更新も可
能であり、実績を重ねる度毎により良い条件で適正な制
御を任意のタイミングで行なうことができるので、まる
で人間（熟練オペレータ）が行なうのと同様以上に優れ
た方向制御ができ、掘進機等の施工の品質、精度の向上
に付与するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る自動方向制御方法を実施するシス
テムの概要図、第２図と第３図は推進機の現在位置から
所定の距離まで遡った位置データとそれに基づく軌跡パ
ターンの例図、第４図は方向制御の必要性の判定を行な
うための例図、第５図は制御方向と修正量の判定図、第
６図は基本パターンのモデル図、第７図は推進機の現在
位置と修正目標の説明図、第８図は位置データと姿勢角
の変化を示した例図、第９図は本発明に係る自動方向制
御方法の概要を示したブロック図、第10図は従来におけ
る推進機の現在位置と修正目標との説明である。 ２……推進機、１……自動測量システム 12……ストローク計、11……方向修正ジャッキ ７……方向制御演算部、９……ジャッキ制御演算部

フロントページの続き (72)発明者 大西 常康 東京都中央区銀座８丁目21番１号 株式 会社竹中土木内 (72)発明者 菅野 正徳 東京都中央区銀座８丁目21番１号 株式 会社竹中土木内 (56)参考文献 特開 平３−228996（ＪＰ，Ａ) 特公 平１−52560（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/06 301

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】掘進機等の現在位置、姿勢角を計測し、演
   算、記録する自動測量システムと、前記自動測量システ
   ムから送られたデータと内部に記憶された知識データと
   に基いて論理的な推論を行ない、掘進機等の修正方向と
   修正量を演算する方向制御演算部と、前記方向制御演算
   部の指示通りに該当する方向修正ジャッキを選択しスト
   ローク量を調整して掘進機等をコントロールするジャッ
   キ制御演算部とによる掘進機等の自動方向制御方法にお
   いて、 イ） 自動測量システムによって得られた掘進機等の現
   在位置から所定の距離まで遡った過去の数点の位置デー
   タを基本パターンに当てはめ、基本パターンの組合せと
   して掘進機等の軌跡をパターン化し、データベースに記
   憶させてある多くの軌跡パターンデータの中から前記軌
   跡パターンと一致するものを選択して制御方向と制御量
   を決定する段階と、 ロ） 自動測量システムによって得られた掘進機等の姿
   勢角を、掘進機等の現在位置から所定の距離まで遡った
   点の姿勢角データとその変化量によってパターン化し、
   予めデータベースに記憶させてある多くの姿勢角パター
   ンデータの中から前記姿勢角パターンと一致するものを
   選択して制御方向と制御量を決定する段階と、 ハ） 掘進機等の現在位置と計画線との離れ量をいくつ
   かのエリアに分け、各エリアにおける個別の修正目標を
   設定して修正量を決定する段階と、 より成ることを特徴とする掘進機等の自動方向制御方
   法。
2. 【請求項２】掘進機等の方向制御を行なった結果が、予
   測した通りの位置及び姿勢角になったか否かを測量して
   比較判断を行ない、次回の制御量の変更に反映させる段
   階を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   した掘進機等の自動方向制御方法。