JP7316952B2 - Sediment fluidity determination method - Google Patents
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Description
本発明は、シールド掘進機から排出された土砂の流動性を判定する土砂流動性判定方法に関する。 The present invention relates to a sediment fluidity determination method for determining the fluidity of sediment discharged from a shield machine.
シールド掘進機を用いてトンネルを構築するシールド工法として、泥土圧シールド工法が採用される場合がある。この工法に用いられるシールド掘進機は、カッタヘッドと、カッタヘッドにより掘削された土砂が取り込まれるチャンバと、チャンバ内の土砂を後方に排出するスクリューコンベアとを有している。また、シールド掘進機の後方に、スクリューコンベアから排出された土砂を後方に搬送するベルトコンベアが設けられる方式がある。この方式では、カッタヘッドで掘削した土砂をチャンバ内に取り込んで充満させ、このチャンバ内の土圧により切羽の安定を図りながら、スクリューコンベアを介してコンベアへの排土が行われている。したがって、泥土圧シールド工法において切羽の安定を図るためには、チャンバ内の土砂は適当な塑性流動性を保っていることが重要である。このため、泥土圧シールド工法において、土砂の流動性を判定(評価)することは、泥土圧シールド工法を用いたトンネルの施工管理上において重要である。 As a shield construction method for constructing a tunnel using a shield machine, a mud pressure shield construction method may be employed. A shield machine used in this construction method has a cutter head, a chamber into which the earth and sand excavated by the cutter head is taken in, and a screw conveyor for discharging the earth and sand in the chamber backward. In addition, there is a method in which a belt conveyor is provided behind the shield machine for conveying the earth and sand discharged from the screw conveyor to the rear. In this method, the earth excavated by the cutter head is taken into the chamber and filled with it, and the earth is discharged to the conveyor via the screw conveyor while stabilizing the face by the earth pressure inside the chamber. Therefore, in order to stabilize the face in the mud pressure shield construction method, it is important that the earth and sand in the chamber maintain appropriate plastic fluidity. Therefore, in the earth pressure shield construction method, it is important to determine (evaluate) the fluidity of earth and sand in terms of construction management of a tunnel using the earth pressure shield construction method.
土砂の流動性を判定する方法の一例として、特許文献1等に開示されたチャンバ内掘削土の性状測定評価方法が知られている。この方法は、チャンバ内の各部に作用する圧力及びせん断力を土圧計及びせん断力計により計測し、その計測値に基づいてチャンバ内の土砂(泥土)の性状を評価するものである。 As an example of a method for determining the fluidity of earth and sand, a method for measuring and evaluating properties of excavated soil in a chamber disclosed in Patent Document 1 and the like is known. This method measures the pressure and shear force acting on each part in the chamber with a soil pressure gauge and a shear force gauge, and evaluates the properties of the earth and sand (mud) in the chamber based on the measured values.
しかしながら、特許文献1に開示された方法では、シールド掘進機における土圧の作用するチャンバ内に特殊な構造の計測器を設置する必要があり、その工夫が求められている。なお、スクリューコンベアからベルトコンベア上に排出された土砂を作業者が採取し、この採取土砂の性状を例えば作業者の手の感覚で評価することもあるが、この場合、シールド掘進機による掘削開始から掘削完了までの間において、ベルトコンベアから土砂を常に採取する必要があり、作業の安全性を向上させる余地がある。 However, in the method disclosed in Patent Document 1, it is necessary to install a measuring instrument with a special structure in the chamber on which the earth pressure acts in the shield machine, and a device for this is required. In some cases, an operator collects the earth and sand discharged from the screw conveyor onto the belt conveyor, and the properties of the collected earth and sand are evaluated, for example, by the operator's sense of touch. It is necessary to constantly collect the earth and sand from the belt conveyor from the time of excavation to the completion of excavation, and there is room for improving work safety.
本発明は、このような実状に着目してなされたものであり、特殊な構造の計測器を用いることなく、且つ、作業の安全性の向上を図ることが可能な土砂流動性判定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made with a focus on such actual circumstances, and provides a sediment fluidity determination method capable of improving work safety without using a measuring instrument with a special structure. intended to
本発明の一側面によると、シールド掘進機から排出された土砂の流動性を判定する土砂流動性判定方法が提供される。この土砂流動性判定方法は、前記シールド掘進機から排出された前記土砂を搬送するコンベアにおける搬送方向の所定領域を撮像して得た土砂画像のデータと、前記土砂画像に対応する前記土砂の塑性流動性の測定結果のデータとからなる教師データセットを複数取得する工程と、新たな前記土砂画像に対応する前記土砂である対象土砂の塑性流動性を、前記複数の前記教師データセットに基づいて予め学習された機械学習アルゴリズムを用いて推定し、当該推定結果に基づいて前記対象土砂の流動性を判定する工程と、を含む。 According to one aspect of the present invention, there is provided an earth and sand fluidity determination method for determining the fluidity of earth and sand discharged from a shield machine. This sediment fluidity determination method includes sediment image data obtained by imaging a predetermined area in the conveying direction of a conveyor that conveys the sediment discharged from the shield machine, and plasticity of the sediment corresponding to the sediment image. obtaining a plurality of teacher data sets consisting of data of measurement results of fluidity; and plastic fluidity of the target sediment corresponding to the new sediment image based on the plurality of teacher data sets. estimating using a pre-learned machine learning algorithm, and determining the fluidity of the target sediment based on the estimation result.
本発明の一側面に係る土砂流動性判定方法は、対象土砂の塑性流動性を、複数の教師データセットに基づいて予め学習された機械学習アルゴリズムを用いて推定し、当該推定結果に基づいて対象土砂の流動性を判定する構成である。したがって、対象土砂の流動性を特殊な構造の計測器を用いることなく判定することができる。また、一旦、教師データセットを複数取得した後は、コンベア上で土砂を採取することなく、単に対象土砂の土砂画像を得るだけで、対象土砂の塑性流動性を機械学習アルゴリズムによって推定し、その推定結果に基づいて対象土砂の流動性を判定することができる。その結果、コンベア上から土砂を常時採取することなく、土砂の流動性の判定を安全に行うことができる。 A sediment fluidity determination method according to one aspect of the present invention estimates the plastic fluidity of target sediment using a machine learning algorithm learned in advance based on a plurality of teacher data sets, and based on the estimation results, the target It is the structure which determines the fluidity|liquidity of earth and sand. Therefore, the fluidity of the target earth and sand can be determined without using a measuring instrument with a special structure. In addition, once we have acquired multiple training data sets, we simply obtain a sediment image of the target sediment without collecting the sediment on the conveyor. The fluidity of the target earth and sand can be determined based on the estimation result. As a result, it is possible to safely determine the fluidity of the earth and sand without constantly collecting the earth and sand from the conveyor.
このようにして、特殊な構造の計測器を用いることなく、且つ、作業の安全性の向上を図ることが可能な土砂流動性判定方法を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a sediment fluidity determination method capable of improving work safety without using a measuring instrument having a special structure.
以下、添付図面参照して、本発明に係る土砂流動性判定方法の実施形態について説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereafter, with reference to an accompanying drawing, embodiment of the sediment fluidity determination method which concerns on this invention is described.
図1及び図2は、本発明の一実施形態に係る土砂流動性判定方法を説明するための概念図である。土砂流動性判定方法は、シールド掘進機1から排出された土砂の流動性を判定する方法であり、図1にはシールド掘進機1の概略の構造が示され、図2にはシールド掘進機1の後方に設置されるベルトコンベアCを含む部分拡大概念図が示されている。なお、図1において、左側がトンネル掘進方向の前側(切羽側)であり、右側がトンネル掘進方向の後側(坑口側)である。また、本実施形態において、シールド掘進機1はいわゆる泥土圧式のシールド掘進機(つまり泥土圧シールド工法に用いられるシールド掘進機)を一例にして説明する。 FIG.1 and FIG.2 is a conceptual diagram for demonstrating the sediment fluidity determination method which concerns on one Embodiment of this invention. The sediment fluidity determination method is a method for determining the fluidity of the sediment discharged from the shield machine 1. FIG. 1 shows a schematic structure of the shield machine 1, and FIG. A partially enlarged conceptual diagram including a belt conveyor C installed behind is shown. In FIG. 1, the left side is the front side (face side) in the direction of tunnel excavation, and the right side is the rear side (pithead side) in the direction of tunnel excavation. In this embodiment, the shield machine 1 will be described as an example of a so-called earth pressure type shield machine (that is, a shield machine used in a mud pressure shield construction method).
まず、シールド掘進機1の概略の構造等について説明する。 First, the general structure and the like of the shield machine 1 will be described.
シールド掘進機1は、図1に示すように、円筒状のスキンプレート2と、地盤掘削用のカッタヘッド3と、隔壁4と、を含んで構成される。カッタヘッド3はスキンプレート2の前端部に配置され、隔壁4はカッタヘッド3の後方に離間してスキンプレート2の内方に配置されている。カッタヘッド3は、隔壁4に回転自在に支持されており、駆動用モータ5を駆動源として回転しながら地盤を掘削する。カッタヘッド3と隔壁4との間には、チャンバ6が区画形成されている。カッタヘッド3による掘削で生じた土砂は、カッタヘッド3のスポーク(図示省略)の隙間を介して、チャンバ6内に取り込まれる。このチャンバ6内の土砂は、後述するスクリューコンベア11によってチャンバ6から排出される。 The shield machine 1 includes a cylindrical skin plate 2, a cutter head 3 for excavating the ground, and a partition wall 4, as shown in FIG. The cutter head 3 is arranged at the front end of the skin plate 2 , and the partition wall 4 is arranged inside the skin plate 2 while being spaced behind the cutter head 3 . The cutter head 3 is rotatably supported by the partition wall 4, and excavates the ground while rotating using a drive motor 5 as a drive source. A chamber 6 is defined between the cutter head 3 and the partition wall 4 . Earth and sand generated by excavation by the cutter head 3 is taken into the chamber 6 through gaps between spokes (not shown) of the cutter head 3 . The soil in the chamber 6 is discharged from the chamber 6 by a screw conveyor 11, which will be described later.
また、シールド掘進機1は、隔壁4の後方に設けられたエレクター7によって、円弧状断面を有するセグメント8を周方向に組み立てて、円筒状のセグメントリング9をトンネル軸方向に順次構築する。このシールド掘進機1の推進力は、複数の油圧式の推進ジャッキ10により得られる。シールド掘進機1は、チャンバ6内の土砂を隔壁4の後方に搬出するスクリューコンベア11による土砂の排出量等を調節することにより、チャンバ6内を加圧状態にしてその土圧を切羽に作用させることで、切羽を安定させつつ掘進している。そして、泥土圧式のシールド掘進機1は、ベントナイトなどの所定の添加剤(加泥材)をチャンバ6内の土砂に添加可能であり、且つ、その添加量を調整可能に構成されており、添加量の調整によってチャンバ6内の土砂を施工に適した流動性などの性状を有するように調整することができる。したがって、チャンバ6内には、具体的には、カッタヘッド3による掘削で生じた土砂と添加剤との混合土砂(泥土ともいう)が充満しており、この混合土砂がスクリューコンベア11によってシールド掘進機1から排出されている。 In addition, the shield machine 1 assembles the segments 8 having arc-shaped cross sections in the circumferential direction by erectors 7 provided behind the partition wall 4 to sequentially construct cylindrical segment rings 9 in the axial direction of the tunnel. The propulsion force of this shield excavator 1 is obtained by a plurality of hydraulic propulsion jacks 10 . The shield machine 1 pressurizes the inside of the chamber 6 by adjusting the amount of earth and sand discharged by the screw conveyor 11 that carries out the earth and sand in the chamber 6 to the rear of the partition wall 4, thereby applying the earth pressure to the face. By making the face stable, the face is excavated. The mud pressure type shield machine 1 can add a predetermined additive (additive agent) such as bentonite to the earth and sand in the chamber 6, and can adjust the amount of the additive. By adjusting the amount, the soil in the chamber 6 can be adjusted to have properties such as fluidity suitable for construction. Therefore, the chamber 6 is specifically filled with mixed earth and sand (also referred to as mud) of earth and sand produced by excavation by the cutter head 3 and additives, and this mixed earth and sand is shield excavated by the screw conveyor 11. It is ejected from machine 1.
また、シールド掘進機1の後方には、スクリューコンベア11の排出口から排出された土砂(本実施形態では前述した混合土砂)を更に後方に搬送するためのベルトコンベアCが設けられている。図示を省略したが、シールド掘進機1内には、足場が後方に延在するように設けられており、例えば、この足場の上に、ベルトコンベアCが載置されている。なお、本実施形態では、ベルトコンベアCが本発明に係る「シールド掘進機から排出された土砂を搬送するコンベア」に相当する。 Further, behind the shield machine 1, a belt conveyor C is provided for conveying further rearward the earth and sand discharged from the discharge port of the screw conveyor 11 (in this embodiment, the mixed earth and sand described above). Although not shown, a scaffolding is provided in the shield machine 1 so as to extend rearward, and for example, a belt conveyor C is placed on the scaffolding. In this embodiment, the belt conveyor C corresponds to the "conveyor for transporting earth and sand discharged from the shield machine" according to the present invention.
このように構成されたシールド掘進機1によって、地盤が掘削されて、チャンバ6に取り込まれた土砂がスクリューコンベア11内を通って、隔壁4の後方へ排出される。そして、シールド掘進機1(詳しくはスクリューコンベア11)から排出された土砂の流動性が、以下に詳述する土砂流動性判定方法によって判定される。 The ground is excavated by the shield excavator 1 configured as described above, and earth and sand taken into the chamber 6 are discharged behind the bulkhead 4 through the inside of the screw conveyor 11 . Then, the fluidity of the earth and sand discharged from the shield machine 1 (specifically, the screw conveyor 11) is determined by the earth and sand fluidity determination method described in detail below.
次に、本実施形態に係る土砂流動性判定方法について詳述する。 Next, the sediment fluidity determination method according to this embodiment will be described in detail.
土砂流動性判定方法は、シールド掘進機1から排出された土砂の流動性を判定する方法であり、ベルトコンベアCにおける搬送方向の所定領域Vを撮像して得た土砂画像のデータに対して、予め学習された機械学習アルゴリズムを用いた処理によって得られる土砂の塑性流動性の推定結果に基づいて土砂の流動性を判定するように構成されている。 The earth and sand fluidity determination method is a method of determining the fluidity of earth and sand discharged from the shield machine 1. For the earth and sand image data obtained by imaging a predetermined area V in the conveying direction on the belt conveyor C, It is configured to determine the fluidity of the earth and sand based on the estimation result of the plastic fluidity of the earth and sand obtained by processing using a pre-learned machine learning algorithm.
本実施形態では、土砂流動性判定方法は、機械学習アルゴリズムの学習用の教師データセットを取得する教師データセット取得工程と、塑性流動性の程度を示す複数の区分を予め定める区分設定工程と、流動性を判定する判定工程とを含む。図3は土砂画像の一例を説明するための概念図であり、図4は教師データセット取得工程において用いる土砂の塑性流動性の測定方法の一例を説明するための概念図であり、図5は教師データセットを説明するための概念図であり、図6は区分設定工程において設定される土砂の塑性流動性の程度を示す区分を説明するための概念図である。 In this embodiment, the sediment fluidity determination method includes a teacher data set acquisition step of acquiring a teacher data set for learning a machine learning algorithm, a category setting step of predetermining a plurality of categories indicating the degree of plastic fluidity, and a determination step of determining fluidity. FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining an example of a sediment image, FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining an example of a method for measuring the plastic fluidity of sediment used in the teacher data set acquisition process, and FIG. FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining a teacher data set, and FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining classifications showing the degree of plastic fluidity of soil set in the classification setting process.
本実施形態における土砂流動性判定方法では、照明部20と撮像部30と本体部40とを有する土砂流動性判定用装置50が用いられる。本実施形態では、本体部40は、記憶部41と、処理部42と、表示部43と、を含んで構成されている。土砂流動性判定用装置50の各構成要素(20,30,40)の詳細については、以下の土砂流動性判定方法の説明においてそれぞれ詳述する。 In the sediment fluidity determination method in this embodiment, a sediment fluidity determination device 50 having an illumination unit 20, an imaging unit 30, and a main unit 40 is used. In this embodiment, the main unit 40 includes a storage unit 41 , a processing unit 42 and a display unit 43 . The details of each component (20, 30, 40) of the sediment fluidity determination device 50 will be described in detail in the following description of the sediment fluidity determination method.
教師データセット取得工程は、ベルトコンベアCにおける搬送方向の所定領域Vを撮像して得た土砂画像のデータと、この土砂画像に対応する土砂の塑性流動性の測定結果のデータとからなる教師データセットを複数取得する工程である。教師データセット取得工程は、土砂画像データ取得工程と塑性流動性測定工程と教師データセット記憶工程とを有する。 In the training data set acquisition step, training data consisting of sediment image data obtained by imaging a predetermined region V in the conveying direction of the belt conveyor C and data of the measurement result of the plastic fluidity of the sediment corresponding to this sediment image. This is the step of acquiring a plurality of sets. The teacher data set acquisition process has a sediment image data acquisition process, a plastic fluidity measurement process, and a teacher data set storage process.
具体的には、教師データセット取得工程における土砂画像取得工程は、教師データセット用の土砂画像を取得する工程である。詳しくは、この工程では、図1及び図2に示すように、照明部20によって照らされたベルトコンベアCにおける搬送方向の所定領域Vを、撮像部30によって撮像する。所定領域VはベルトコンベアCにおけるスクリューコンベア11の排出口の近傍の領域に設定されており、撮像部30はベルトコンベアCの所定領域Vにおける土砂画像を撮像可能にベルトコンベアCの上方に設置されている。土砂画像取得工程は、例えば、ベルトコンベアCを駆動させた状態で複数回行われ、所定領域Vを通過する異なる土砂の塊についての土砂画像がそれぞれ得られる。 Specifically, the sediment image acquisition process in the teacher data set acquisition process is a process of acquiring the sediment image for the teacher data set. Specifically, in this step, as shown in FIGS. 1 and 2 , the imaging unit 30 captures an image of a predetermined area V in the conveying direction of the belt conveyor C illuminated by the illumination unit 20 . The predetermined area V is set in the vicinity of the discharge port of the screw conveyor 11 on the belt conveyor C, and the imaging unit 30 is installed above the belt conveyor C so as to be able to image the soil image in the predetermined area V of the belt conveyor C. ing. The earth and sand image acquisition step is performed a plurality of times while the belt conveyor C is being driven, for example, and earth and sand images of different earth and sand masses passing through the predetermined region V are obtained respectively.
本実施形態では、撮像部30は、各土砂画像から土砂の形状、厚み(高さ)をより明確に把握できるように配置されている。具体的には、撮像部30は、所定領域VをベルトコンベアCの幅方向の一方側から見下ろして撮像できるように設置されている。つまり、本実施形態では、撮像部30における撮像によって取得された土砂画像は、所定領域VをベルトコンベアCの幅方向の一方側から見下ろすように撮像して得られた画像である。撮像部30としては、例えば、デジタルデータからなる所定の画素数(例えば数十万画素から数百万画素程度)の土砂画像のデータを取得可能な一般的な可視光カメラ(詳しくは、汎用のデジタルカメラ)が採用され得る。また、撮像部30のシャッタースピードは、撮像ぶれの無い土砂画像を取得できるように、ベルトコンベアCのベルトのスピードに応じた適切なシャッタースピードに設定されている。つまり、撮像部30は静止画像を撮像するものとして、以下説明する。 In this embodiment, the imaging unit 30 is arranged so that the shape and thickness (height) of the earth and sand can be grasped more clearly from each earth and sand image. Specifically, the imaging unit 30 is installed so that the predetermined area V can be imaged by looking down from one side of the belt conveyor C in the width direction. In other words, in the present embodiment, the sediment image acquired by the imaging unit 30 is an image obtained by imaging the predetermined area V from one side of the belt conveyor C in the width direction. As the image pickup unit 30, for example, a general visible light camera (specifically, a general-purpose digital camera) may be employed. Further, the shutter speed of the imaging unit 30 is set to an appropriate shutter speed according to the speed of the belt of the belt conveyor C so as to acquire a sediment image without image blur. In other words, the imaging unit 30 will be described below assuming that it captures a still image.
土砂画像のデータは、例えば、本体部40に入力され、本体部40の記憶部41に記憶される。ここで、図3における左側に示した土砂画像のように、撮像部30により取得された土砂画像におけるベルトコンベアCの幅方向の両側の部分(図において上側と下側の部分)には、土砂以外のもの(ベルトコンベアCのベルト自体など)が映っている。そして、土砂の特徴をより明確にするためには、教師データセット用の土砂画像としては、土砂自体の画像が多く含まれていることが好ましい。このため、本実施形態では、具体的には、撮像部30からの土砂画像の生データに対して前処理としてトリミング処理を行うことによって得られたベルトコンベアCの幅方向の中央部の領域の画像(図3の右側に示した画像を参照)のデータが、撮像部30によって取得された土砂画像のデータとして、本体部40の記憶部41に記憶されている。特に限定されるものではないが、例えば、448×448pixel程度の正方形の画素サイズに切り取られた土砂画像のデータが撮像部30によって取得された土砂画像のデータとして記憶部41に記憶される。なお、土砂画像にベルトコンベアCの幅方向の両側の部分が映らないように、所定領域Vの範囲を狭めてもよい。例えば、撮像部30のズーム機能を用いて土砂画像に映り込む撮像範囲を狭めることによって所定領域Vを狭めればよい。この場合、トリミング処理は不要である。また、撮像部30は静止画像を撮像するものとしたが、これに限らず、動画像を撮像するものとしてもよい。この場合、撮像部30によって得られた動画像に対して、上記前処理においてフレーム抽出処理を行うことによって、静止画像を土砂画像として抽出すればよい。 The data of the sediment image is input to the main unit 40 and stored in the storage unit 41 of the main unit 40, for example. Here, like the earth and sand image shown on the left side in FIG. Other objects (such as the belt itself of the belt conveyor C) are shown. In order to clarify the features of the earth and sand, it is preferable that the earth and sand image for the teacher data set includes many images of the earth and sand itself. For this reason, in the present embodiment, specifically, the area of the central portion in the width direction of the belt conveyor C obtained by performing trimming processing as preprocessing on the raw data of the earth and sand image from the imaging unit 30 is Image data (see the image shown on the right side of FIG. 3 ) is stored in the storage unit 41 of the main unit 40 as sediment image data acquired by the imaging unit 30 . Although not particularly limited, for example, sand image data cut into a square pixel size of about 448×448 pixels is stored in the storage unit 41 as sand image data acquired by the imaging unit 30 . It should be noted that the range of the predetermined area V may be narrowed so that both sides of the belt conveyor C in the width direction are not reflected in the earth and sand image. For example, the predetermined area V may be narrowed by narrowing the imaging range reflected in the earth and sand image using the zoom function of the imaging unit 30 . In this case, trimming processing is unnecessary. Further, although the imaging unit 30 has been described as capturing a still image, it is not limited to this, and may capture a moving image. In this case, a still image may be extracted as a sediment image by performing frame extraction processing in the preprocessing on the moving image obtained by the imaging unit 30 .
教師データセット取得工程における塑性流動性測定工程は、土砂画像取得工程において撮像部30によって取得された各土砂画像に対応する土砂の塑性流動性の測定を行う工程である。つまり、この工程では、土砂画像取得工程において撮像部30によって撮像された土砂と同一の土砂から採取した各サンプル土砂Gについての塑性流動性の測定を行う。作業者は、例えば、ベルトコンベアCの所定領域Vで既に撮像された土砂の一部をサンプル土砂Gとして、図2に示すように、ベルトコンベアCにおける所定領域Vよりも搬送方向の後方の領域で採取する。この土砂の採取は、ベルトコンベアCを駆動させた状態で行われてもよいが、好ましくは、土砂の採取毎にベルトコンベアCの駆動を停止させた状態で行われるとよい。 The plastic fluidity measuring step in the teacher data set acquisition step is a step of measuring the plastic fluidity of soil corresponding to each soil image acquired by the imaging unit 30 in the soil image acquisition step. That is, in this step, the plastic fluidity of each sample soil G sampled from the same soil imaged by the imaging unit 30 in the soil image acquisition step is measured. For example, a part of the earth and sand already imaged in the predetermined area V of the belt conveyor C is taken as the sample earth and sand G, and as shown in FIG. to collect. This earth and sand collection may be performed while the belt conveyor C is being driven, but is preferably performed with the belt conveyor C stopped driving each time earth and sand is collected.
具体的には、塑性流動性測定工程では、図4に示すように、塑性流動性の測定方式としてスランプ試験が採用されている。したがって、本実施形態では、塑性流動性測定工程における土砂の塑性流動性の測定結果のデータは、スランプ試験を用いて得られるスランプ値Sのデータ又はスランプフロー値SFのデータである。つまり、土砂の塑性流動性の測定として、スランプ値S又はスランプフロー値SFのいずれか一方の測定を行えばよい。 Specifically, in the plastic fluidity measuring step, as shown in FIG. 4, a slump test is adopted as a method of measuring plastic fluidity. Therefore, in the present embodiment, the data of the measurement result of the plastic fluidity of soil in the plastic fluidity measurement step is the data of the slump value S or the data of the slump flow value SF obtained using the slump test. That is, either the slump value S or the slump flow value SF may be measured as the plastic fluidity measurement of soil.
スランプ値Sのデータは、ベルトコンベアC上に排出された土砂から採取したサンプル土砂Gの高さ方向についてのデータである。スランプ値Sの測定は、例えば、JIS A 1108「コンクリートのスランプ試験方法」やJIS A 1171「ポリマーセメントモルタルの試験方法」を準用したスランプ試験を用いる。このスランプ試験では、図4(A)に示すように、テーパー筒状のスランプコーンSCをその大径部側を下にして、水平に設置された平滑な平板上に設置し、この状態で、スランプコーンSC内にサンプル土砂Gを詰める。そして、図示省略した突き棒によりスランプコーンSC内のサンプル土砂Gを突いてならすと共に、サンプル土砂Gの上面をスランプコーンSCの上端に合わせてならす。そして、図4(B)に示すように、スランプコーンSCを静かに鉛直方向に引き上げる。その後、図4(C)に示すように、水平方向に広がったサンプル土砂Gの中央部におけるスランプコーンSCの上端からの下がりをスランプ値Sとして測定する。 The data of the slump value S is data about the height direction of the sample earth and sand G sampled from the earth and sand discharged onto the belt conveyor C. As shown in FIG. For the measurement of the slump value S, for example, a slump test according to JIS A 1108 "Slump test method for concrete" or JIS A 1171 "Test method for polymer cement mortar" is used. In this slump test, as shown in FIG. 4(A), a tapered tubular slump cone SC was placed on a flat flat plate with its large diameter side facing down. A slump cone SC is filled with sample soil G. Then, the sample earth and sand G in the slump cone SC is poked and leveled by a shovel (not shown), and the upper surface of the sample earth and sand G is aligned with the upper end of the slump cone SC and leveled. Then, as shown in FIG. 4B, the slump cone SC is gently pulled up vertically. After that, as shown in FIG. 4(C), the drop from the upper end of the slump cone SC at the central portion of the horizontally spread sample soil G is measured as the slump value S.
スランプフロー値SFのデータはサンプル土砂の水平方向についての広がりを示すデータである。スランプフロー値SFの測定は、例えば、JIS A 1150「コンクリートのスランプフロー試験方法」を準用したスランプ試験を用いる。このスランプ試験においても、図4(A)及び図4(B)に示すように、サンプル土砂Gを平板上に設置されたスランプコーンSC内に詰めた後に、スランプコーンSCを引き上げる。その後、図4(C)に示すように、サンプル土砂Gの水平方向への流動(広がり)が止まったところで、サンプル土砂Gにおける径を、最大と認める方向とこれに直角な方向とで測定し、これら両直径の平均値をスランプフロー値SFとする。 The data of the slump flow value SF is data indicating the spread of the sample earth and sand in the horizontal direction. For the measurement of the slump flow value SF, for example, a slump test according to JIS A 1150 "Concrete slump flow test method" is used. Also in this slump test, as shown in FIGS. 4A and 4B, the slump cone SC placed on a flat plate is filled with the sample soil G, and then the slump cone SC is pulled up. After that, as shown in FIG. 4(C), when the horizontal flow (spreading) of the sample soil G stopped, the diameter of the sample soil G was measured in the direction considered to be the maximum and in the direction perpendicular to this. , the average value of these two diameters is defined as the slump flow value SF.
教師データセット取得工程における教師データセット記憶工程は、土砂画像のデータと塑性流動性の測定結果のデータとを対応付けて記憶させる工程である。図5に示すように、各土砂画像に対応する土砂(サンプル土砂G)についての塑性流動性の測定値(図では、スランプ値S)は異なっており、教師データセットは土砂画像のデータとこの土砂画像に対応する土砂(サンプル土砂G)の塑性流動性の測定結果(図では、スランプ値S)のデータとからなり、この教師データセットが複数セット取得されている。この教師データセットのデータは本体部40の記憶部41に記憶される。 The teacher data set storage step in the teacher data set acquisition step is a step of storing the sediment image data and the plastic fluidity measurement result data in association with each other. As shown in FIG. 5, the measured value (slump value S in the figure) of the plastic fluidity of the soil (sample soil G) corresponding to each soil image is different, and the teacher data set is the soil image data and this. A plurality of teacher data sets are acquired, which consist of data of the measurement results (slump value S in the drawing) of the plastic fluidity of the soil (sample soil G) corresponding to the soil image. The data of this teacher data set are stored in the storage unit 41 of the main unit 40 .
次に、区分設定工程は、塑性流動性の程度を示す複数の区分を予め定めると共に、複数の区分のそれぞれに対応する塑性流動性の測定結果についての範囲を予め定める工程である。 Next, the division setting step is a step of predetermining a plurality of divisions indicating the degree of plastic fluidity and predetermining a range of the plastic fluidity measurement results corresponding to each of the plurality of divisions.
具体的には、図6に示すように、塑性流動性の程度を示す複数の区分として、例えば、「硬い」、「やや硬い」、「正常」、「やや軟らかい」、「軟らかい」の区分を設定する。そして、既に取得されている各土砂画像に対応する土砂の塑性流動性の測定結果に基づいて、複数の区分のそれぞれに対応する(つまり、各区分の属する)塑性流動性の測定結果についての範囲(上下限値)を、区分毎に予め定める。各区分に属する塑性流動性の測定結果についての範囲を示すデータは、本体部40に入力されて、記憶部41に記憶される。 Specifically, as shown in FIG. 6, as a plurality of categories indicating the degree of plastic fluidity, for example, "hard", "slightly hard", "normal", "slightly soft", and "soft" categories. set. Then, based on the sediment plastic fluidity measurement results corresponding to each sediment image that has already been acquired, the range of the plastic fluidity measurement results corresponding to each of the plurality of divisions (that is, to which each division belongs) (Upper and lower limits) are determined in advance for each category. Data indicating the range of the plastic fluidity measurement results belonging to each category is input to the main unit 40 and stored in the storage unit 41 .
次に、判定工程は、新たな土砂画像に対応する土砂である対象土砂の塑性流動性を、複数の教師データセットに基づいて予め学習された機械学習アルゴリズムを用いて推定し、この推定結果に基づいて対象土砂の流動性を判定する工程である。この判定工程は、学習工程と推定工程とを有する。 Next, in the determination step, the plastic fluidity of the target sediment, which is the sediment corresponding to the new sediment image, is estimated using a machine learning algorithm learned in advance based on a plurality of teacher data sets, and the estimation result is It is a step of determining the fluidity of the target earth and sand based on. This determination step has a learning step and an estimation step.
判定工程の学習工程は、機械学習アルゴリズムに対して、教師データセット取得工程で取得された教師データセットに基づいて土砂画像とこの土砂画像に対応する土砂の塑性流動性の測定値との関係を学習させる工程である。 In the learning process of the judgment process, the relationship between the sediment image and the measured value of the plastic flow of the sediment corresponding to this sediment image is calculated based on the teacher data set acquired in the teacher data set acquisition process for the machine learning algorithm. This is the process of learning.
具体的には、学習工程は、本体部40の処理部42を用いて実行される。処理部42は、CPUとGPUとRAMなどからなり、土砂画像を用いて機械学習アルゴリズムによりこの土砂画像に対応する土砂の塑性流動性を示す値(例えば、スランプ値S)を推定する演算処理を実行する。記憶部41には、機械学習アルゴリズムについての塑性流動性推定アプリケーションプログラムを含む各種のアプリケーションプログラムが格納(記憶)されている。詳しくは、処理部42は、記憶部41に格納された塑性流動性推定アプリケーションプログラムを実行することにより学習工程を実行する。この塑性流動性推定アプリケーションプログラムは、土砂画像を用いて機械学習アルゴリズムにより、土砂画像に対応する土砂の塑性流動性の値を推定し、この推定結果に基づいて土砂の流動性を判定可能にプログラミングされたものである。このプログラムは、例えば、ニューラルネットワークを用いた機械学習により、土砂画像からこの土砂画像に対応する塑性流動性の値を推定している。このニューラルネットワークには、教師データセットが与えられる。詳しくは、教師データセットのうちの土砂画像のデータが入力データとして与えられ、教師データセットのうちの塑性流動性の測定結果のデータが教師データとして与えられる。そして、このニューラルネットワークでは、入力データに基づいて出力された塑性流動性の値(以下では推定値yという)のデータと教師データとの誤差を計算し、この誤差に基づいて後述するパラメータを更新(学習)して、塑性流動性の推定値yの精度を向上させるように構成されている。 Specifically, the learning process is executed using the processing section 42 of the main body section 40 . The processing unit 42 is composed of a CPU, a GPU, a RAM, and the like, and performs arithmetic processing for estimating a value (for example, a slump value S) indicating the plasticity of the sediment corresponding to the sediment image by a machine learning algorithm using the sediment image. Execute. The storage unit 41 stores (memorizes) various application programs including a plastic fluidity estimation application program for machine learning algorithms. Specifically, the processing unit 42 executes the learning process by executing the plastic fluidity estimation application program stored in the storage unit 41 . This plastic fluidity estimation application program uses a machine learning algorithm to estimate the value of the plastic fluidity of the soil corresponding to the image of the soil, and is programmed to determine the fluidity of the soil based on this estimation result. It is what was done. This program estimates the plastic fluidity value corresponding to the sediment image from the sediment image, for example, by machine learning using a neural network. This neural network is fed with a training data set. More specifically, the sediment image data in the teacher data set is given as input data, and the plastic fluidity measurement result data in the teacher data set is given as teacher data. Then, in this neural network, the error between the plastic fluidity value output based on the input data (hereinafter referred to as the estimated value y) and the teacher data is calculated, and the parameter described later is updated based on this error. (learning) to improve the accuracy of the plastic fluidity estimated value y.
図7は、基本的なニューラルネットワークにおけるデータ処理の概念図である。このニューラルネットワークでは、塑性流動性の推定値yは、下記の式(1)により求められている。 FIG. 7 is a conceptual diagram of data processing in a basic neural network. In this neural network, the estimated value y of plastic fluidity is obtained by the following formula (1).
ここで、式(1)において、yは土砂の塑性流動性の推定値(出力値)であり、Lは活性化関数であり、Xiは土砂画像のデータからなる入力データであり、Wiは重み付けパラメータであり、bはバイアスパラメータである。未学習の上記ニューラルネットワークでは、各パラメータは所定の数値が予め入力されている。そして、上記ニューラルネットワークにおける学習では、与えられた教師データセットの入力データ(土砂画像のデータ)から上記式(1)に基づいて求めた推定値yと、この教師データセットにおける教師データ(塑性流動性の測定結果のデータ)、つまり、実測値との誤差を計算し、この誤差が小さくなるように各パラメータ(Wi ,b)の値を更新する。学習工程は、推定値y及び上記誤差の計算と各パラメータ(Wi ,b)の更新とを含む学習を、異なる教師データセット毎に順次行うことにより、上記誤差を徐々に小さくする。詳しくは、誤差は、学習を繰り返すことによって局所的に見るとランダムに増減するが、全体的に見ると減少傾向で変化する。このため、例えば、学習の合計回数が所定の回数に達した後は、学習を予め定めた回数だけ連続して行うと共に、この連続した学習の間において、誤差の減少が見られない場合があるかないかを判定する。そして、誤差の減少が見られない場合があると判定した場合(YES判定の場合)は、学習を停止させる。この場合、例えば、連続した学習の直前の更新時における各パラメータ(Wi ,b)の値が学習済みの各パラメータ(Wi ,b)として記憶部41に記憶される。一方、誤差の減少が見られない場合がないと判定した場合(NO判定の場合)には、学習を継続すべく、次の連続した学習及び上記判定を、YES判定となるまで繰り返し行う。但し、学習の合計回数が所定の上限回数(例えば、教師データセットのうちの学習用のデータセットの数に対応する回数)に達する前にYES判定とならない場合には、学習の合計回数が上限回数に到達したところで、学習を停止させる。この場合、例えば、最後の更新時における各パラメータ(Wi ,b)の値が学習済みの各パラメータ(Wi ,b)として記憶部41に記憶される。このように塑性流動性推定アプリケーションプログラムの機械学習アルゴリズムが予め学習されると、以降は、この予め学習された機械学習アルゴリズムを用いた上記塑性流動性推定アプリケーションプログラムに、新たな土砂画像のデータを入力データとして与えるだけで、この新たな土砂画像に対応する土砂である対象土砂(塑性流動性の値が未知の土砂)の塑性流動性の推定値yが所定の確からしさで得られる。なお、上記学習が完了した後、新たな土砂画像のデータを用いて推定工程を実行する前に、推定値yの計算を試験的に行うとよい。例えば、複数の教師データセットを実際の学習用のデータセットとテスト用のデータセットとに分割し、学習用の教師データセットを用いて機械学習アルゴリズムに対する学習を完了させた後、実際の推定(新たな土砂画像のデータを用いた塑性流動性の推定)を行う前に、テスト用の教師データセットのうちの土砂画像のデータを学習済の機械学習アルゴリズム(塑性流動性アプリケーションプログラム)に入力データとして与えてテスト用の土砂の塑性流動性を試験的に推定し、得られた推定値yがテスト用の教師データセットの土砂画像のデータに対応する教師データ(塑性流動性の測定結果)に対して、どの程度の確からしさで出力されているかを実際に確認するとよい。これにより、実際の推定時における機械学習アルゴリズムを用いた塑性流動性の推定の真の実力(精度)を予め確認することができる。 Here, in equation (1), y is an estimated value (output value) of the plastic fluidity of soil, L is an activation function, Xi is input data consisting of soil image data, and W i is a weighting parameter and b is a bias parameter. In the unlearned neural network, a predetermined numerical value is input in advance for each parameter. In the learning in the neural network, the estimated value y obtained based on the above formula (1) from the input data (sediment image data) of the given teacher data set, and the teacher data (plastic flow Data of measurement results of sexuality), that is, the error from the actual measurement value is calculated, and the value of each parameter (W i ,b) is updated so that this error becomes small. The learning step gradually reduces the error by sequentially performing learning including calculation of the estimated value y and the error and updating of each parameter (W i , b) for each different teacher data set. Specifically, the error increases or decreases randomly when viewed locally as learning is repeated, but changes with a downward trend when viewed as a whole. For this reason, for example, after the total number of times of learning reaches a predetermined number, learning is continuously performed for a predetermined number of times, and there is a case where the error is not reduced during the continuous learning. determine whether or not Then, when it is determined that there is a case where the error is not reduced (in the case of YES determination), the learning is stopped. In this case, for example, the value of each parameter (W i ,b) at the time of update immediately before continuous learning is stored in the storage unit 41 as each learned parameter (W i ,b). On the other hand, when it is determined that there is no case where the error is not reduced (in the case of NO determination), the next continuous learning and the above determination are repeated until YES determination is made in order to continue learning. However, if the judgment does not become YES before the total number of times of learning reaches a predetermined upper limit (for example, the number of times corresponding to the number of data sets for learning in the teacher data set), the total number of times of learning is the upper limit. Learning is stopped when the number of times is reached. In this case, for example, the value of each parameter (W i ,b) at the time of the last update is stored in the storage unit 41 as each learned parameter (W i ,b). When the machine learning algorithm of the plastic fluidity estimation application program is learned in advance in this way, thereafter, new sediment image data is input to the plastic fluidity estimation application program using this pre-learned machine learning algorithm. By simply providing input data, an estimated plastic fluidity value y of the target soil (sediment with an unknown plastic fluidity value) corresponding to this new soil image can be obtained with a predetermined degree of certainty. In addition, after the above learning is completed, it is preferable to perform the calculation of the estimated value y on a trial basis before executing the estimation step using the new sediment image data. For example, multiple teacher datasets are divided into actual training datasets and test datasets, and after completing training for a machine learning algorithm using the training teacher datasets, actual estimation ( Before performing plastic flow estimation using new sediment image data), the sediment image data in the test teacher data set is input to the trained machine learning algorithm (plastic flow application program). , and the estimated value y obtained is used as training data (results of measurement of plastic flow) corresponding to the sediment image data in the training data set for testing. On the other hand, it is better to actually check how likely it is to be output. As a result, it is possible to confirm in advance the true ability (accuracy) of plastic flow property estimation using a machine learning algorithm at the time of actual estimation.
より具体的には、塑性流動性推定アプリケーションプログラムの上記機械学習アルゴリズムとしては、画像解析に好適な畳み込みニューラルネットワーク(CNN:Convolutional Neural Network)を採用するとよい。このアルゴリズムは、畳み込み層(Convolution Layer)とプーリング層(Pooling Layer)と判別層(Fully Connected Layer)とからなる。畳み込み層では、入力された土砂画像のデータ(入力データ)に対して畳み込み処理を行うことにより、土砂画像の情報量が圧縮される。そして、圧縮されたデータはプーリング層に入力される。プーリング層では、入力されたデータに対して学習に必要な情報を抽出するプーリング処理が行われ、土砂画像の情報量が更に圧縮される。畳み込み層とプーリング層は交互に設けられ、畳み込み層とプーリング層による情報圧縮が繰り返された後の出力は土砂画像の特徴が圧縮されたベクトルとなる。このベクトルを判別層に入力することで塑性流動性の推定値yが出力される。 More specifically, a convolutional neural network (CNN) suitable for image analysis may be employed as the machine learning algorithm for the plastic fluidity estimation application program. This algorithm consists of a Convolution Layer, a Pooling Layer and a Discrimination Layer (Fully Connected Layer). In the convolution layer, the amount of information of the earth and sand image is compressed by performing convolution processing on the input earth and sand image data (input data). The compressed data is then input to the pooling layer. In the pooling layer, pooling processing for extracting information necessary for learning is performed on the input data, and the amount of information of the sediment image is further compressed. Convolutional layers and pooling layers are alternately provided, and the output after information compression by the convolutional layers and pooling layers is repeated is a vector in which the features of the sediment image are compressed. By inputting this vector to the discriminant layer, an estimated value y of plastic fluidity is output.
判定工程の推定工程では、まず、塑性流動性の判定対象となる対象土砂の土砂画像を撮像部30によって取得する。そして、取得した土砂画像の生データに対して、土砂画像取得工程と同様に前処理(トリミング処理)が施され、この前処理後のデータが対象土砂の土砂画像のデータとして、本体部40の処理部42に入力される。これにより、この対象土砂の土砂画像のデータが上記学習工程によって予め学習された機械学習アルゴリズム(塑性流動性推定アプリケーションプログラム)に入力データとして与えられる。そして、推定工程は、対象土砂の塑性流動性を上記予め学習された機械学習アルゴリズムを用いて推定する。これにより、対象土砂の塑性流動性の推定値yが所定の確からしさで得られる。 In the estimation step of the determination step, first, the imaging unit 30 acquires a sediment image of the target sediment to be determined for plastic fluidity. Then, the raw data of the acquired sediment image is subjected to preprocessing (trimming processing) in the same manner as in the sediment image acquisition process, and the data after this preprocessing is used as the sediment image data of the target sediment in the main unit 40. It is input to the processing unit 42 . As a result, the data of the earth and sand image of the target earth and sand are given as input data to the machine learning algorithm (plastic fluidity estimation application program) previously learned in the learning process. And an estimation process estimates the plastic fluidity of object earth and sand using the machine-learning algorithm learned previously. As a result, the estimated value y of the plastic fluidity of the target earth and sand can be obtained with a predetermined degree of certainty.
また、推定工程では、推定結果(推定値y)に基づいて対象土砂の流動性を判定する。本実施形態では、推定工程は、対象土砂の流動性の判定結果として、塑性流動性の程度を示す複数の区分の中から対象土砂の塑性流動性の推定結果(推定値y)に対応する区分を、対象土砂の流動性の判定結果として出力する。つまり、本実施形態では、推定工程は、塑性流動性の程度を示す複数の区分の中から、対象土砂の塑性流動性の推定結果(推定値y)が含まれる前述した範囲(上下限値)に対応する区分を対象土砂の流動性の判定結果として決定する。推定工程による推定結果(推定値y)や判定結果(硬いなどの区分)は、本体部40のディスプレイからなる表示部43に表示されると共に、記憶部41に対応する土砂画像のデータと対応付けて記憶される。なお、対象土砂の流動性の判定結果として、推定値yをそのまま用いてもよい。 Moreover, in the estimation step, the fluidity of the target earth and sand is determined based on the estimation result (estimated value y). In the present embodiment, in the estimation step, as the determination result of the fluidity of the target soil, a category corresponding to the estimation result (estimated value y) of the plastic fluidity of the target soil from among a plurality of categories indicating the degree of plastic fluidity is output as the determination result of the fluidity of the target sediment. That is, in the present embodiment, the estimation step includes the above-described range (upper and lower limit values) that includes the estimation result (estimated value y) of plastic fluidity of the target sediment from among a plurality of categories indicating the degree of plastic fluidity The classification corresponding to is determined as the fluidity determination result of the target sediment. The estimation result (estimated value y) and the determination result (classified as hard, etc.) in the estimation process are displayed on the display unit 43 consisting of the display of the main unit 40, and are associated with the sediment image data corresponding to the storage unit 41. stored. In addition, you may use the estimated value y as it is as a determination result of the fluidity|liquidity of object earth and sand.
推定工程における塑性流動性の推定及び判定は、例えば、一秒あたり数枚程度の土砂画像に対して実行することができる。推定工程では、ベルトコンベアCを駆動させた状態で、撮像部30による撮像を上記推定及び判定の実行速度(つまり、処理部42のCPUの演算速度)に応じた時間間隔で連続的(例えば、一秒あたり数枚程度)に行うと共に、取得した土砂画像のデータをリアルタイムに機械学習アルゴリズムに入力データとして順次与える。そして、塑性流動性の推定結果及び判定結果は、対応する土砂画像と合わせてリアルタイムに表示部43に表示される。具体的には、表示部43には、横軸を時刻、縦軸を塑性流動性の推定値yとしたグラフが推定結果として描写される。このグラフは新たな推定値yが得らえると順次更新される。これにより、作業者は、シールド掘進機1の掘削開始から掘削完了までの間における土砂の塑性流動性の変化を所定の確からしさで確認(モニタリング)することができる。 The estimation and determination of plastic fluidity in the estimation step can be performed, for example, on several sediment images per second. In the estimation step, while the belt conveyor C is being driven, the imaging by the imaging unit 30 is continuously performed at time intervals (for example, Several images per second), and the data of the acquired sediment images are sequentially given as input data to the machine learning algorithm in real time. Then, the plastic fluidity estimation result and determination result are displayed on the display unit 43 in real time together with the corresponding sediment image. Specifically, on the display unit 43, a graph is drawn as the estimation result, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the estimated value y of the plastic fluidity. This graph is updated sequentially as new estimated values y are obtained. As a result, the operator can confirm (monitor) changes in the plasticity of the soil during the period from the start of excavation by the shield machine 1 to the completion of excavation with a certain degree of certainty.
また、推定工程で得られた塑性流動性の推定結果のデータや判定結果のデータは、本体部40からシールド掘進機1の図示省略した制御部に入力される。この制御部は、本体部40からの上記データに基づいて、チャンバ6内の土砂に添加する添加剤の添加量を調整する調整制御を行うように構成されている。制御部は、土砂の塑性流動性が予め定めた下限値より低い状態や土砂の塑性流動性が予め定めた上限値より高い状態を、本体部40からの上記データに基づいて検知可能に構成されている。そして、これらの状態が所定時間続いた場合には、チャンバ6内の土砂(土砂と添加剤との混合土砂)の塑性流動性も同様の状態であるとみなすことができる。そして、この場合、制御部は、チャンバ6内の土砂に添加する添加剤の添加量を調整することによって、チャンバ6内の土砂の塑性流動性を適切な状態に戻す制御を実行するように構成されている。例えば、塑性流動性が高い(つまり、軟らかい傾向)場合は添加量を減少させ、塑性流動性が低い(つまり、硬い傾向)場合は添加量を増大させる。 Further, the plastic fluidity estimation result data and determination result data obtained in the estimation step are input from the main body 40 to a control unit (not shown) of the shield machine 1 . This control unit is configured to perform adjustment control for adjusting the amount of additive added to the soil in the chamber 6 based on the data from the main unit 40 . The control unit is configured to be able to detect a state in which the plastic fluidity of soil is lower than a predetermined lower limit value or a state in which the plastic fluidity of soil is higher than a predetermined upper limit value based on the data from the main unit 40. ing. When these states continue for a predetermined period of time, it can be assumed that the plastic fluidity of the earth and sand (mixture of earth and sand and additives) in the chamber 6 is in the same state. In this case, the control unit is configured to adjust the amount of additive added to the soil in the chamber 6 to restore the plastic fluidity of the soil in the chamber 6 to an appropriate state. It is For example, if the plastic fluidity is high (that is, tends to be soft), the amount to be added is decreased, and if the plastic fluidity is low (that is, tends to be hard), the amount to be added is increased.
かかる本実施形態による土砂流動性判定方法は、対象土砂の塑性流動性を、複数の教師データセットに基づいて予め学習された機械学習アルゴリズムを用いて推定し、この推定結果に基づいて対象土砂の流動性を判定している。これにより、対象土砂の流動性を特殊な構造の計測器を用いることなく判定することができる。また、一旦、教師データセットを複数取得した後は、ベルトコンベアC上で土砂を採取することなく、単に対象土砂の土砂画像を得るだけで、対象土砂の塑性流動性を機械学習アルゴリズムによって推定し、その推定結果に基づいて対象土砂の流動性を判定することができる。その結果、ベルトコンベアC上から土砂を常時採取することなく、土砂の流動性を判定することができる。 The sediment fluidity determination method according to this embodiment estimates the plastic fluidity of the target sediment using a machine learning algorithm learned in advance based on a plurality of teacher data sets, and based on this estimation result, the target sediment. Liquidity is determined. As a result, the fluidity of the target earth and sand can be determined without using a measuring instrument with a special structure. In addition, once a plurality of training data sets are acquired, the plastic flow property of the target soil can be estimated by a machine learning algorithm simply by obtaining a soil image of the target soil without sampling the soil on the belt conveyor C. , the fluidity of the target sediment can be determined based on the estimation result. As a result, the fluidity of the earth and sand can be determined without collecting the earth and sand from the belt conveyor C all the time.
このようにして、特殊な構造の計測器を用いることなく、且つ、作業の安全性の向上を図ることが可能な土砂流動性判定方法を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a sediment fluidity determination method capable of improving work safety without using a measuring instrument having a special structure.
本実施形態では、推定工程では、「硬い」などの塑性流動性の程度を示す区分が対象土砂の流動性の判定結果として出力されるものとした。これにより、例えば、作業者が対象土砂の流動性を容易に認識することが可能となる。 In the present embodiment, in the estimation step, a classification indicating the degree of plastic fluidity such as "hard" is output as the determination result of the fluidity of the target earth and sand. Thereby, for example, the operator can easily recognize the fluidity of the target earth and sand.
本実施形態では、土砂画像は、所定領域VをベルトコンベアCの幅方向の一方側から見下ろすように撮像して得られた画像である。これにより、作業者は表示部43に映し出された各土砂画像から土砂の形状、厚み(高さ)をより明確に把握できると共に、機械学習アルゴリズムを用いた塑性流動性の推定の精度をより効率的に向上させることができる。 In the present embodiment, the earth and sand image is an image obtained by imaging the predetermined area V as viewed from one side of the belt conveyor C in the width direction. As a result, the operator can more clearly grasp the shape and thickness (height) of the soil from each soil image displayed on the display unit 43, and the accuracy of plastic flow estimation using the machine learning algorithm can be improved more efficiently. can be substantially improved.
なお、本実施形態では、塑性流動性の測定方式として、スランプ試験が採用されているが、これに限らず、テーブルフロー試験やベーンせん断試験が採用されてもよい。図8は、テーブルフロー試験を説明するための概念図であり、図9はベーンせん断試験を説明するための概念図である。 In the present embodiment, a slump test is used as a method for measuring plastic fluidity, but the present invention is not limited to this, and a table flow test or a vane shear test may be used. FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the table flow test, and FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the vane shear test.
具体的には、図8に示すように、テーブルフロー試験が採用される場合は、塑性流動性測定工程における土砂の塑性流動性の測定結果のデータは、テーブルフロー試験を用いて得られるフロー値Fのデータである。フロー値Fのデータは、サンプル土砂Gの水平方向についての広がりを示すデータである。テーブルフロー試験はスランプ試験におけるスランプフロー値SFと同様の水平方向についての広がりを示すデータを得るが、試験方向がスランプ試験と若干異なる。フロー値Fの測定は、例えば、JIS R 5201「セメント物理試験方法」の中に記載されている「フロー試験」を準用したテーブルフロー試験を用いる。このテーブルフロー試験では、図8(A)に示すように、テーパー筒状のフローコーンFCをその大径部側を下にして、水平に設置された平滑な円板状のフローテーブルFT上に設置する。この状態で、フローコーンFC内にサンプル土砂Gを詰める。そして、図示省略した突き棒によりフローコーンFC内のサンプル土砂Gを突いてならすと共に、サンプル土砂Gの上面をフローコーンFCの上端に合わせてならす。フローテーブルFTの下部にはテーブル昇降用のシャフトF1が取り付けられており、このシャフトF1は、昇降ハンドルF2の回転操作に連動して回転するカムF3を介して昇降するように構成されている。したがって、昇降ハンドルF2が作業者等によって回転操作されることによって、フローテーブルFTが上下動する。そして、図8(B)に示すように、スランプコーンSCを静かに鉛直方向に引き上げる。その後、図8(C)に示すように、作業者等によって昇降ハンドルF2が回転操作されと、サンプル土砂Gに落下運動が複数回与えられる。そして、サンプル土砂Gの水平方向への流動(広がり)が止まったところで、サンプル土砂Gにおける径を、最大と認める方向とこれに直角な方向とで測定し、これら両直径の平均値をフロー値Fとする。 Specifically, as shown in FIG. 8, when the table flow test is adopted, the data of the measurement result of the plastic flow property of the soil in the plastic flow property measurement process is the flow value obtained using the table flow test. This is F data. The data of the flow value F is data indicating the spread of the sample soil G in the horizontal direction. The table flow test obtains data showing the spread in the horizontal direction similar to the slump flow value SF in the slump test, but the test direction is slightly different from the slump test. The measurement of the flow value F uses, for example, a table flow test that mutatis mutandis applies the "flow test" described in JIS R 5201 "cement physical test method". In this table flow test, as shown in FIG. 8(A), a tapered cylindrical flow cone FC is placed on a smooth disk-shaped flow table FT horizontally installed with its large diameter side facing down. Install. In this state, the flow cone FC is filled with sample soil G. Then, the sample earth and sand G in the flow cone FC is poked and leveled with a shovel (not shown), and the upper surface of the sample earth and sand G is aligned with the upper end of the flow cone FC and leveled. A shaft F1 for raising and lowering the table is attached to the lower part of the flow table FT, and this shaft F1 is configured to be raised and lowered via a cam F3 that rotates in conjunction with the rotation operation of the raising and lowering handle F2. Therefore, the flow table FT moves up and down when the lifting handle F2 is rotated by an operator or the like. Then, as shown in FIG. 8B, the slump cone SC is gently pulled up vertically. After that, as shown in FIG. 8(C), when the lifting handle F2 is rotated by a worker or the like, the sample soil G is given a falling motion a plurality of times. Then, when the sample soil G stops flowing (spreading) in the horizontal direction, the diameter of the sample soil G is measured in the direction recognized as the maximum and in the direction perpendicular to this, and the average value of these two diameters is the flow value. Let F.
また、図9に示すように、ベーンせん断試験が採用される場合は、塑性流動性測定工程における土砂の塑性流動性の測定結果のデータは、ベーンせん断試験を用いて得られるベーンせん断強さの値Iのデータである。ベーンせん断強さの値Iのデータは、サンプル土砂Gのせん断強さを示すデータである。ベーンせん断強さの値Iの測定は、例えば、地盤工学会基準のJGS 1411「原位置ベーンせん断試験方法」を準用したベーンせん断試験を用いる。このベーンせん断試験では、図9(A)に示すように、容器B1内にサンプル土砂Gを詰める。そして、図9(B)に示すように、4枚羽を十字型に組み合わせて形成されたベーンブレードB2が先端に取り付けらえた回転ロッドB3をサンプル土砂Gに押し込む。その後、図9(C)に示すように、回転ロッドB3を所定の回転速度で回転させる。この回転に必要な最大トルクを測定する。そして、測定された最大トルクの値と、ベーンブレードB2の幅及び高さと、回転ロッドB3とサンプル土砂Gとの間の摩擦トルクとに基づいて、ベーンせん断強さの値Iが算出される。 Further, as shown in FIG. 9, when the vane shear test is adopted, the data of the measurement result of the plastic fluidity of the soil in the plastic fluidity measurement process is the vane shear strength obtained using the vane shear test. This is data of value I. The data of the vane shear strength value I is data indicating the shear strength of the sample soil G. For the measurement of the value I of the vane shear strength, for example, a vane shear test that applies mutatis mutandis JGS 1411 "In-situ vane shear test method" of the Japanese Geotechnical Society standard is used. In this vane shear test, as shown in FIG. 9(A), a container B1 is filled with sample earth and sand G. Then, as shown in FIG. 9(B), a rotating rod B3 having vane blades B2 formed by combining four blades in a cross shape attached to the tip thereof is pushed into the sample soil G. Then, as shown in FIG. Thereafter, as shown in FIG. 9(C), the rotating rod B3 is rotated at a predetermined rotational speed. Measure the maximum torque required for this rotation. Then, based on the measured maximum torque value, the width and height of the vane blade B2, and the frictional torque between the rotating rod B3 and the sample soil G, the vane shear strength value I is calculated.
また、機械学習アルゴリズムである畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の実装には、オープンソースニューラルネットワークライブラリであるKerasや、同じくオープンソースであるTensorFlowなどを用いることができる。 For implementation of a convolutional neural network (CNN), which is a machine learning algorithm, Keras, which is an open source neural network library, and TensorFlow, which is also an open source, can be used.
以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上述の実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて更なる変形や変更が可能であることはもちろんである。 As described above, the embodiments and modifications of the present invention have been described, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and further modifications and changes are possible based on the technical idea of the present invention. Of course it is.
1…シールド掘進機、C…ベルトコンベア(コンベア)、F…フロー値、G…サンプル土砂、I…ベーンせん断強さの値、S…スランプ値、SF…スランプフロー値、V…所定領域 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Shield machine, C... Belt conveyor (conveyor), F... Flow value, G... Sample earth and sand, I... Value of vane shear strength, S... Slump value, SF... Slump flow value, V... Predetermined area
Claims (6)
前記シールド掘進機のチャンバから排出された前記土砂を搬送するコンベアにおける搬送方向の所定領域を撮像して得た土砂画像のデータと、前記土砂画像に対応する前記土砂の塑性流動性の測定結果のデータとからなる教師データセットを複数取得する工程と、
新たな前記土砂画像に対応する前記土砂である対象土砂の塑性流動性を、前記複数の前記教師データセットに基づいて予め学習された機械学習アルゴリズムを用いて推定し、当該推定結果に基づいて前記対象土砂の流動性を判定する工程と、
を含む、土砂流動性判定方法。 A sediment fluidity determination method for determining the fluidity of sediment discharged from a chamber of a shield machine,
Data of an earth and sand image obtained by imaging a predetermined area in the conveying direction on a conveyor that conveys the earth and sand discharged from the chamber of the shield machine, and a measurement result of the plastic fluidity of the earth and sand corresponding to the earth and sand image. a step of obtaining a plurality of training data sets consisting of data;
estimating the plastic fluidity of the target sediment, which is the sediment corresponding to the new sediment image, using a machine learning algorithm learned in advance based on the plurality of teacher data sets, and based on the estimation result, A step of determining the fluidity of the target earth and sand;
Including, the sediment fluidity determination method.
前記対象土砂の流動性を判定する工程は、前記複数の区分の中から、前記対象土砂の塑性流動性の推定結果が含まれる前記範囲に対応する前記区分を前記対象土砂の流動性の判定結果として決定する、請求項1~4のいずれか一つに記載の土砂流動性判定方法。 Further comprising a step of predetermining a plurality of categories indicating the degree of plastic fluidity and predetermining a range of the plastic fluidity measurement results corresponding to each of the plurality of categories,
In the step of determining the fluidity of the target sediment, from among the plurality of categories, the category corresponding to the range containing the estimation result of plastic flowability of the target sediment is selected as the fluidity determination result of the target sediment. Determined as, the sediment fluidity determination method according to any one of claims 1 to 4.
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