JP7745474B2 - Curved drilling operation parameter calculation device, curved drilling operation parameter calculation method and program - Google Patents
Curved drilling operation parameter calculation device, curved drilling operation parameter calculation method and programInfo
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Description
本発明は、曲がり削孔の施工を管理するための技術に関する。 The present invention relates to technology for managing curved drilling work.
既設構造物直下の液状化対策工法として、既設構造物から離れた位置の地表から既設構造物直下に向けて削孔し、薬液注入によって地盤改良する工法（曲がり削孔による浸透固化処理工法）が知られている。この工法は、削孔開始位置である地表面から既設構造物直下までの斜線および曲線的なアプローチの削孔が必要となり、その削孔の軌跡に対して、地中埋設物の損傷リスクの回避や品質確保のために、高度な削孔軌跡管理が要求される。 One known liquefaction countermeasure method for areas directly below existing structures is to drill holes from the ground surface away from the existing structure directly below it, and then improve the ground by injecting chemicals (curved drilling infiltration solidification treatment method). This method requires drilling holes along a diagonal and curved approach from the ground surface, where drilling begins, to directly below the existing structure, and requires advanced drilling trajectory management to avoid the risk of damage to buried objects and ensure quality.
例えば特許文献１には、過去に熟練者が曲がり削孔を行った操作によって蓄積されたデータ群を機械学習し、次のステップの最適な操作パラメータを算出することで、操作者の熟練度に依存せずに高品質の削孔を行う技術が提案されている。 For example, Patent Document 1 proposes a technology that uses machine learning to analyze data accumulated from previous curved drilling operations by skilled operators, and calculates the optimal operating parameters for the next step, thereby enabling high-quality drilling without relying on the operator's level of skill.
しかしながら、過去の曲がり削孔の操作には不適切な操作が含まれることがあり、当該不適切な操作を含んだ学習モデルにおいては、常に最適な操作パラメータを算出することができない可能性がある。 However, past curved drilling operations may have included inappropriate operations, and a learning model that includes such inappropriate operations may not always be able to calculate optimal operation parameters.
本発明は、機械学習の基礎となる過去の曲がり削孔の操作に不適切な操作が含まれていたとしても、適切な操作パラメータを出力し得る仕組みを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a mechanism that can output appropriate operation parameters even if the past curved drilling operations that form the basis of machine learning contain inappropriate operations.
上記課題を解決するため、本発明は、曲がり削孔装置の削孔ビットの位置及び姿勢を示す位置姿勢パラメータと、前記曲がり削孔装置を操作するための操作パラメータとを時間経過とともに蓄積した結果を説明変数及び目的変数として機械学習した学習済アルゴリズムに対して、曲がり削孔の或るステップにおける計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータを入力し、次のステップに対する第１の目標操作パラメータを取得する取得部と、前記曲がり削孔の或るステップにおける前記計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータから物理的な計算に基づいて、次のステップに対する第２の目標操作パラメータを算出する算出部と、前記取得部によって取得された第１の目標操作パラメータと、前記算出部によって算出された第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えない場合には、前記第１の目標操作パラメータに関する情報を出力し、前記差が前記閾値を超える場合には、前記第２の目標操作パラメータに関する情報を出力する出力部とを備え、前記第１の目標操作パラメータ及び前記第２の目標操作パラメータは、曲進割合及び／又は削孔ビットの回転角に関する操作パラメータである曲がり削孔操作パラメータ算出装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a curved drilling operation parameter calculation device that includes an acquisition unit that inputs information about a planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters to a learned algorithm that has been machine-learned using the results of accumulating position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit of a curved drilling device and operation parameters for operating the curved drilling device over time as explanatory variables and target variables, and acquires a first target operation parameter for the next step; a calculation unit that calculates a second target operation parameter for the next step based on physical calculations from the information about the planned drilling line at a certain step of the curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters; and an output unit that outputs information about the first target operation parameter if the difference between the first target operation parameter acquired by the acquisition unit and the second target operation parameter calculated by the calculation unit does not exceed a threshold , and outputs information about the second target operation parameter if the difference exceeds the threshold, wherein the first target operation parameter and the second target operation parameter are operation parameters related to the curve rate and/or the rotation angle of the drilling bit .
前記算出部は、前記次のステップにおける計画削孔ラインと前記削孔ビットの位置の差が、前記或るステップにおける計画削孔ラインと前記削孔ビットの位置の差よりも小さくなるように、前記次のステップに対する削孔ビットの回転角に関する操作パラメータを算出するようにしてもよい。 The calculation unit may calculate an operating parameter related to the rotation angle of the drilling bit for the next step so that the difference between the planned drilling line and the position of the drilling bit in the next step is smaller than the difference between the planned drilling line and the position of the drilling bit in the given step.
前記算出部は、前記或るステップにおけるロッドの傾斜角、前記或るステップにおける前記削孔ビットの回転角、前記或るステップにおける曲進割合、及び、前記或るステップから前記次のステップに対する前記ロッドの修正角に基づいて、前記次のステップに対する削孔ビットの曲進割合に関する操作パラメータを算出するようにしてもよい。 The calculation unit may calculate an operation parameter related to the bending rate of the drilling bit for the next step based on the inclination angle of the rod at the certain step, the rotation angle of the drilling bit at the certain step, the bending rate at the certain step, and the correction angle of the rod from the certain step to the next step.
また、本発明は、曲がり削孔装置の削孔ビットの位置及び姿勢を示す位置姿勢パラメータと、前記曲がり削孔装置を操作するための操作パラメータとを時間経過とともに蓄積した結果を説明変数及び目的変数として機械学習した学習済アルゴリズムに対して、曲がり削孔の或るステップにおける計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータを入力し、次のステップに対する第１の目標操作パラメータを取得するステップと、前記曲がり削孔の或るステップにおける前記計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータから物理的な計算に基づいて、次のステップに対する第２の目標操作パラメータを算出するステップと、取得された前記第１の目標操作パラメータと、算出された前記第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えない場合には、前記第１の目標操作パラメータに関する情報を出力し、前記差が前記閾値を超える場合には、前記第２の目標操作パラメータに関する情報を出力するステップとを備え、記第１の目標操作パラメータ及び前記第２の目標操作パラメータは、曲進割合及び／又は削孔ビットの回転角に関する操作パラメータである曲がり削孔操作パラメータ算出方法を提供する。 The present invention also provides a curved drilling operation parameter calculation method, which includes the steps of inputting information about a planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters to a trained algorithm that has been machine-learned using the results of accumulating position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit of a curved drilling device and operation parameters for operating the curved drilling device over time as explanatory variables and target variables, and obtaining a first target operation parameter for the next step; calculating a second target operation parameter for the next step based on physical calculations from the information about the planned drilling line at a certain step of the curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters; and outputting information about the first target operation parameter if the difference between the acquired first target operation parameter and the calculated second target operation parameter does not exceed a threshold, and outputting information about the second target operation parameter if the difference exceeds the threshold, wherein the first target operation parameter and the second target operation parameter are operation parameters related to the curve rate and/or the rotation angle of the drilling bit .
また、本発明は、コンピュータに、曲がり削孔装置の削孔ビットの位置及び姿勢を示す位置姿勢パラメータと、前記曲がり削孔装置を操作するための操作パラメータとを時間経過とともに蓄積した結果を説明変数及び目的変数として機械学習した学習済アルゴリズムに対して、曲がり削孔の或るステップにおける計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータを入力し、次のステップに対する第１の目標操作パラメータを取得するステップと、前記曲がり削孔の或るステップにおける前記計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータから物理的な計算に基づいて、次のステップに対する第２の目標操作パラメータを算出するステップと、取得された前記第１の目標操作パラメータと、算出された前記第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えない場合には、前記第１の目標操作パラメータに関する情報を出力し、前記差が前記閾値を超える場合には、前記第２の目標操作パラメータに関する情報を出力するステップとを実行させ、前記第１の目標操作パラメータ及び前記第２の目標操作パラメータは、曲進割合及び／又は削孔ビットの回転角に関する操作パラメータであるプログラムを提供する。 The present invention also provides a program that causes a computer to execute the following steps: inputting information about the planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters to a learned algorithm that has been machine-trained using the results of accumulating over time of position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit of a curved drilling device and operation parameters for operating the curved drilling device as explanatory variables and target variables; calculating a second target operation parameter for the next step based on physical calculations from the information about the planned drilling line at a certain step of the curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters; and outputting information about the first target operation parameter if the difference between the acquired first target operation parameter and the calculated second target operation parameter does not exceed a threshold, and outputting information about the second target operation parameter if the difference exceeds the threshold , wherein the first target operation parameter and the second target operation parameter are operation parameters related to the curve rate and/or the rotation angle of the drilling bit .
本発明によれば、機械学習の基礎となる学習データに、過去の曲がり削孔の操作で不適切な操作が含まれていたとしても、適切な操作パラメータを出力することができる。 According to the present invention, even if the learning data that forms the basis of machine learning contains inappropriate operations from past curved drilling operations, appropriate operation parameters can be output.
本発明を実施するための形態の一例について説明する。図１において、情報処理装置１００は、過去の曲がり削孔作業において蓄積されたデータから機械学習用のデータを収集するデータ収集と、その収集されたデータ群に基づいた事前学習とを経て、学習済アルゴリズムを生成する。情報処理装置１００は、この学習済アルゴリズムに対し、曲がり削孔の現地点に関するデータを入力して、曲がり削孔の次地点における、削孔機１の制御に関する最適な制御値、即ち操作パラメータを目標操作パラメータとして表示、又は、その目標操作パラメータに基づいて削孔機１を自動制御するようになっている。 An example of an embodiment of the present invention will be described. In FIG. 1, an information processing device 100 generates a trained algorithm through data collection, which involves collecting data for machine learning from data accumulated during past curved drilling operations, and pre-learning based on the collected data. The information processing device 100 inputs data related to the current point of curved drilling into this trained algorithm, and displays optimal control values, i.e., operation parameters, for controlling the drilling machine 1 at the next point of curved drilling as target operation parameters, or automatically controls the drilling machine 1 based on the target operation parameters.
ただし、過去の曲がり削孔の操作には不適切な操作が含まれることもあるから、前記学習済みアルゴリズムでは常に最適な目標操作パラメータを得ることができない可能性がある。 However, since past curved drilling operations may have included inappropriate operations, the learned algorithm may not always be able to obtain optimal target operation parameters.
そこで、情報処理装置１００は、機械学習を用いた目標操作パラメータ（第１の目標操作パラメータ）の算出とは別に、所定の物理モデルによって目標操作パラメータ（第２の目標操作パラメータ）を算出し、これら両者の差が閾値を超えない場合には、機械学習から得られた目標操作パラメータ（第１の目標操作パラメータ）に関する情報を出力し、両者の差が閾値を超える場合には、物理モデルから得られた目標操作パラメータ（第２の目標操作パラメータ）に関する情報を出力する。このようにして出力された目標操作パラメータ（第１の目標操作パラメータ又は第２の目標操作パラメータ）を用いて、曲がり削孔機１を用いた曲がり削孔の本作業が行われる。 Therefore, the information processing device 100 calculates a target operation parameter (second target operation parameter) using a predetermined physical model, separately from calculating a target operation parameter (first target operation parameter) using machine learning. If the difference between these two does not exceed a threshold, it outputs information about the target operation parameter (first target operation parameter) obtained from machine learning, and if the difference between them exceeds the threshold, it outputs information about the target operation parameter (second target operation parameter) obtained from the physical model. The target operation parameter (first target operation parameter or second target operation parameter) output in this way is used to perform the actual curved drilling work using the curved drilling machine 1.
図１に示した情報処理装置１００は、コンピュータを実現するためのハードウェアとして、プロセッサ、メモリ、ストレージ、通信装置、入力装置、出力装置及びこれらを接続するバスなどを備えている。情報処理装置１００における各機能は、プロセッサ、メモリなどのハードウェア上に所定のソフトウェア（プログラム）を読み込ませることによって、プロセッサが演算を行い、通信装置による通信を制御したり、他の装置から送信されてきたデータを取得したり、メモリ及びストレージにおけるデータの読み出し及び書き込みの少なくとも一方を制御したりすることによって実現される。情報処理装置１００は、本発明に係る曲がり削孔操作パラメータ算出装置として機能する。 The information processing device 100 shown in Figure 1 includes hardware for implementing a computer, such as a processor, memory, storage, communication devices, input devices, output devices, and buses connecting these. Each function of the information processing device 100 is realized by loading specific software (programs) onto the hardware, such as the processor and memory, causing the processor to perform calculations, control communications via the communication devices, acquire data transmitted from other devices, and control at least one of reading and writing data from and to the memory and storage. The information processing device 100 functions as a curved drilling operation parameter calculation device according to the present invention.
削孔機１は、図２に示すように、可撓性を有する掘削ロッド２と、掘削ロッド２の先端に支持された削孔ビット３と、削孔ビット３先端の噴射ノズル４に掘削用水を供給する送水部５と、掘削ロッド２を介して削孔ビット３を回転させる回転駆動部と、掘削ロッド２を介して削孔ビット３を推進させる推進駆動部とを備えている。削孔機本体６には、回転駆動部及び推進駆動部等が含まれる。 As shown in Figure 2, the drilling machine 1 comprises a flexible drilling rod 2, a drilling bit 3 supported at the tip of the drilling rod 2, a water supply unit 5 that supplies drilling water to the injection nozzle 4 at the tip of the drilling bit 3, a rotation drive unit that rotates the drilling bit 3 via the drilling rod 2, and a propulsion drive unit that propels the drilling bit 3 via the drilling rod 2. The drilling machine main body 6 includes the rotation drive unit and propulsion drive unit, etc.
削孔ビット３には、図３に示すように、片側にテーパ面３ａが形成されているとともに、先端にテーパ面３ａと平行な延長方向に向けた掘削用ジェット水噴射ノズル４が備えられている。地上の送水部５（掘削用泥水圧送ポンプ）より、ロッド２を通してベントナイト泥水からなる掘削用水が供給され、噴射ノズル４から高圧で噴射されるようになっている。このとき、削孔ビット３を回転させないで押し込むことにより、図３(ａ)に示すようにテーパ面３ａの延長方向に曲がり削孔がなされる。一方、削孔ビット３を回転させつつ押し込むことにより、図３（ｂ）に示すように直進削孔がなされるようになっている。 As shown in Figure 3, the drill bit 3 has a tapered surface 3a formed on one side and is equipped at its tip with a drilling jet water injection nozzle 4 that extends in a direction parallel to the tapered surface 3a. Drilling water consisting of bentonite mud is supplied through the rod 2 from an above-ground water supply unit 5 (a drilling mud pressure pump) and is sprayed at high pressure from the injection nozzle 4. When the drill bit 3 is pushed in without rotating, a curved hole is drilled in the direction of the tapered surface 3a, as shown in Figure 3(a). On the other hand, when the drill bit 3 is pushed in while rotating, a straight hole is drilled, as shown in Figure 3(b).
削孔機１には、図２に示すように、掘削ロッド２の先端部に配置され、削孔ビット３の位置及び姿勢を示す位置姿勢パラメータを時間経過とともに測定する位置姿勢測定部７が設けられている。操作者は、削孔ビット３の位置及び削孔ビット３の回転角、傾斜角等の位置姿勢パラメータを情報処理装置１００上で逐次確認しつつ、回転駆動部及び推進駆動部を情報処理装置１００の制御値等を視認しながら操作又は自動制御し、所定の計画削孔ラインに沿って削孔を行う。 As shown in Figure 2, the drilling machine 1 is equipped with a position and attitude measurement unit 7 that is located at the tip of the drill rod 2 and measures position and attitude parameters that indicate the position and attitude of the drilling bit 3 over time. The operator sequentially checks the position of the drilling bit 3 and position and attitude parameters such as the rotation angle and tilt angle of the drilling bit 3 on the information processing device 100, and operates or automatically controls the rotation drive unit and propulsion drive unit while visually checking the control values, etc. of the information processing device 100, to drill along the specified planned drilling line.
位置姿勢測定部７は、ロッド２の先端部、例えば、ロッド２先導部分にジャイロや加速度計等の計測器を内蔵しており、その計測値より削孔ビット３の位置、回転角及び傾斜角を測定する。 The position and orientation measurement unit 7 has built-in measuring instruments such as a gyroscope and accelerometer at the tip of the rod 2, for example, at the leading end of the rod 2, and measures the position, rotation angle, and inclination angle of the drilling bit 3 from the measured values.
また、削孔機１は、図４に示すように、送水部５、回転駆動部及び推進駆動部をそれぞれ制御するための制御値（送水圧、ロッド２の回転圧（回転トルク）、回転速度、推進圧等）、即ち、操作パラメータを時間経過とともに測定する操作値測定部８を備えている。 As shown in Figure 4, the drilling machine 1 also has an operation value measurement unit 8 that measures control values (water supply pressure, rotational pressure (rotational torque) of the rod 2, rotational speed, propulsion pressure, etc.) for controlling the water supply unit 5, rotation drive unit, and propulsion drive unit, respectively, i.e., operation parameters, over time.
この操作値測定部８は、回転駆動部及び推進駆動部を制御する制御部より制御対象となる制御値である操作パラメータ、即ち、送水圧、ロッド２の回転圧、回転速度、推進圧等を取得する。なお、操作パラメータには、削孔機１の操作具、例えば、送水部５、回転駆動部及び推進駆動部を操作するレバー、ダイヤル、スイッチ、数値入力用のテンキー等の操作量を含むようにし、その操作量をセンサやエンコーダ等で定量化して取得するようにしてもよい。 This operation value measurement unit 8 acquires operation parameters, which are control values to be controlled by the control unit that controls the rotation drive unit and propulsion drive unit, such as water supply pressure, rotation pressure of the rod 2, rotation speed, and propulsion pressure. The operation parameters may include the operation amounts of the operating tools of the drilling machine 1, such as levers, dials, switches, and numeric keypads that operate the water supply unit 5, rotation drive unit, and propulsion drive unit, and these operation amounts may be quantified and acquired using sensors, encoders, etc.
削孔機１に接続された情報処理装置１００は、位置姿勢パラメータと操作パラメータとを記録するデータロガー９を備えている。データロガー９は、削孔作業の際に計測された削孔ビット３の位置及び削孔ビット３の回転数・回転角・傾斜角等の位置姿勢パラメータを時間経過とともに記録するとともに、回転駆動部及び推進駆動部を制御するための制御値、即ち、操作パラメータを時間経過とともに記録する。 The information processing device 100 connected to the drilling machine 1 is equipped with a data logger 9 that records position and attitude parameters and operation parameters. The data logger 9 records the position of the drilling bit 3 measured during drilling operations and position and attitude parameters such as the drilling bit 3's rotation speed, rotation angle, and tilt angle over time, as well as the control values for controlling the rotation drive unit and propulsion drive unit, i.e., operation parameters, over time.
また、情報処理装置１００は、記録された位置姿勢パラメータ及び操作パラメータのデータ群に基づいて機械学習用データ及び入力用データを生成するデータ生成部１０を備えている。データ生成部１０は、測定された位置姿勢パラメータと操作パラメータとを同一時刻となるように同期させた機械学習用データ及び入力用データを生成し、そのデータを機械学習部１１に出力又は解析部１２に出力するようになっている。なお、機械学習部１１への出力は、データ転送装置によって送信してもよく、ＵＳＢメモリ等の着脱式のデータ記憶装置を用いてもよい。 The information processing device 100 also includes a data generation unit 10 that generates machine learning data and input data based on a data group of recorded position and orientation parameters and operation parameters. The data generation unit 10 generates machine learning data and input data that synchronize the measured position and orientation parameters and operation parameters so that they are at the same time, and outputs the data to the machine learning unit 11 or the analysis unit 12. Note that the output to the machine learning unit 11 may be transmitted via a data transfer device, or a removable data storage device such as a USB memory may be used.
機械学習部１１は、情報処理装置１００に備えられていてもよいし、情報処理装置１００とは別体のコンピュータ機器に備えられていてもよいし、クラウド上に設けられていてもよい。機械学習部１１は、過去の作業において記録され、蓄積された位置姿勢パラメータ及び操作パラメータのデータ群を基に機械学習することによって、入力された計画削孔ライン、位置姿勢パラメータ及び操作パラメータに対応する次のステップの最適な操作パラメータを目標操作パラメータとして算出する学習済アルゴリズムを生成する。この機械学習は、特に手法は限定されず、例えば、多変量解析の手法、サポートベクターマシーンの手法、ニューラルネットワークの手法等を用いればよい。 The machine learning unit 11 may be provided in the information processing device 100, in a computer device separate from the information processing device 100, or on the cloud. The machine learning unit 11 performs machine learning based on a data set of position and attitude parameters and operation parameters recorded and accumulated in past work, to generate a trained algorithm that calculates, as target operation parameters, the optimal operation parameters for the next step corresponding to the input planned drilling line, position and attitude parameters, and operation parameters. There are no particular limitations on the method used for this machine learning, and it is possible to use, for example, multivariate analysis, support vector machine, neural network, etc.
情報処理装置１００に備えられた解析部１２は、演算処理を行う演算部１２ａと、演算部１２ａによって実行される学習済アルゴリズムを記憶する記憶部１２ｂとを備えている。演算部１２ａによって学習済アルゴリズムを実行することによって、手動入力、位置姿勢測定部７、操作値測定部８又はデータ生成部１０より入力された位置姿勢パラメータ及び操作パラメータに対応する次のステップの最適な操作パラメータを算出し、目標操作パラメータとして操作者に対する操作画面又は自動制御装置に出力されるようになっている。つまり、解析部１２は、曲がり削孔装置の削孔ビットの位置及び姿勢を示す位置姿勢パラメータと、前記曲がり削孔装置を操作するための操作パラメータとを時間経過とともに蓄積した結果を説明変数及び目的変数として機械学習した学習済アルゴリズムに対して、曲がり削孔の或るステップにおける計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータを入力し、次のステップに対する第１の目標操作パラメータを取得する取得部として機能する。 The analysis unit 12 provided in the information processing device 100 includes a calculation unit 12a that performs calculation processing and a memory unit 12b that stores the learned algorithm executed by the calculation unit 12a. By executing the learned algorithm using the calculation unit 12a, optimal operation parameters for the next step corresponding to position and attitude parameters and operation parameters input by manual input, the position and attitude measurement unit 7, the operation value measurement unit 8, or the data generation unit 10 are calculated, and output as target operation parameters to an operation screen for the operator or an automatic control device. In other words, the analysis unit 12 functions as an acquisition unit that inputs information about the planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters to a learned algorithm that has been machine-trained using the results of accumulating position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit of the curved drilling device and the operation parameters for operating the curved drilling device over time as explanatory variables and objective variables, and acquires first target operation parameters for the next step.
前述したように、情報処理装置１００は、機械学習を用いて目標操作パラメータ（第１の目標操作パラメータ）を取得するとともに、所定の物理モデルによって目標操作パラメータ（第２の目標操作パラメータ）を算出する。算出部１３は、曲がり削孔の或るステップにおける計画削孔ラインに関する情報、位置姿勢パラメータ及び操作パラメータから物理的な計算に基づいて、次のステップに対する目標操作パラメータ（第２の目標操作パラメータ）を算出する。 As described above, the information processing device 100 acquires target operation parameters (first target operation parameters) using machine learning and calculates target operation parameters (second target operation parameters) using a predetermined physical model. The calculation unit 13 calculates target operation parameters (second target operation parameters) for the next step based on physical calculations using information about the planned drilling line, position and attitude parameters, and operation parameters for a certain step of curved drilling.
出力部１４は、解析部１２（取得部）により取得された目標操作パラメータ（第１の目標操作パラメータ）と、算出部１３によって算出された目標操作パラメータ（第２の目標操作パラメータ）との差が閾値を超えない場合には、解析部１２（取得部）により取得された目標操作パラメータ（第１の目標操作パラメータ）に関する情報を出力し、差が閾値を超える場合には、算出部１３によって算出された目標操作パラメータ（第２の目標操作パラメータ）に関する情報を出力する。 If the difference between the target operation parameter (first target operation parameter) acquired by the analysis unit 12 (acquisition unit) and the target operation parameter (second target operation parameter) calculated by the calculation unit 13 does not exceed a threshold, the output unit 14 outputs information related to the target operation parameter (first target operation parameter) acquired by the analysis unit 12 (acquisition unit), and if the difference exceeds the threshold, the output unit 14 outputs information related to the target operation parameter (second target operation parameter) calculated by the calculation unit 13.
（Ａ．機械学習）
次に、本実施形態に係る機械学習について説明する。機械学習の具体的な手順は以下のとおりである。
（Ａ－１．データ収集）
過去に行われた複数回の曲がり削孔作業において、削孔ビット３の位置及び姿勢を示す位置姿勢パラメータを時間経過とともに記録し、位置姿勢パラメータのデータを蓄積する位置姿勢パラメータデータ収集と、送水部５、回転駆動部及び推進駆動部を制御するための操作パラメータを時間経過とともに記録し、操作パラメータのデータを蓄積する操作パラメータデータ収集とを行う。
(A. Machine Learning)
Next, machine learning according to this embodiment will be described. The specific steps of machine learning are as follows.
(A-1. Data collection)
In multiple curved drilling operations that have been performed in the past, position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit 3 are recorded over time to accumulate position and attitude parameter data collection, and operation parameter data is collected by recording operation parameters for controlling the water supply unit 5, rotation drive unit and propulsion drive unit over time to accumulate operation parameter data.
通常、実際の曲がり削孔作業は、以下のような手順で行い、その時系列とともに各ステップにおける位置姿勢パラメータ及び操作パラメータを取得し、記録する。 Actual curved hole drilling work typically follows the steps below, with the position, posture, and operation parameters at each step being acquired and recorded along with the time series.
先ず、削孔開始位置の地盤表層部に削孔機１を設置するとともに、必要に応じてガイド管を設置し、削孔機本体６の回転駆動軸にロッド２を連結し、削孔ビット３を回転推進または推進のみにより地盤に挿入し、削孔を開始する。また、ロッド２を通して送水部５よりベントナイト泥水等の掘削水の送水を開始する。 First, the drilling machine 1 is placed on the surface of the ground at the drilling start position, and a guide pipe is installed if necessary. The rod 2 is then connected to the rotary drive shaft of the drilling machine body 6, and the drilling bit 3 is inserted into the ground by rotary thrust or thrust alone, and drilling begins. The water supply unit 5 also begins to supply drilling water, such as bentonite mud, through the rod 2.
その際、位置姿勢測定部７による位置姿勢パラメータの測定、即ち、削孔ビット３の三次元位置、回転角及び傾斜角の測定を開始し、随時データロガー９に送信するとともに、操作値測定部８による操作パラメータの測定、即ち、送水部５による掘削水の送水圧、回転駆動部のロッド２の回転圧・回転速度、推進駆動部のロッド２の推進圧の測定を開始し、随時データロガー９に送信する。また、必要に応じて、それらを操作する際の操作具の操作量を測定し、随時データロガー９に送信する。 At that time, the position and attitude measurement unit 7 begins measuring position and attitude parameters, i.e., the three-dimensional position, rotation angle, and inclination angle of the drilling bit 3, and transmits these to the data logger 9 as needed. At the same time, the operation value measurement unit 8 begins measuring operation parameters, i.e., the water supply pressure of the drilling water by the water supply unit 5, the rotation pressure and rotation speed of the rod 2 of the rotation drive unit, and the thrust pressure of the rod 2 of the thrust drive unit, and transmits these to the data logger 9 as needed. In addition, if necessary, the amount of operation of the operating tools used to operate these items is measured, and transmitted to the data logger 9 as needed.
そして、ロッド２構成する管体をそれぞれ継ぎ足しながら、削孔機本体６によりロッド２に回転力および推進力を与え、ロッド２先端の削孔ビット３により削孔しながら所定の位置まで地中を直線的に推進させる。その際、地盤の状態等によって推進方向や推進速度に変化が生じた場合には、操作者は、計画削孔ライン及び削孔速度となるように、回転駆動部のロッド２の回転圧・回転速度、推進駆動部の推進圧及び送水部５の送水圧を調節する。そして、作業が行われている間、位置姿勢測定部７は、位置姿勢パラメータ、即ち、削孔ビット３の位置、回転角及び傾斜角が時間経過とともに随時測定し、データロガー９に送信する。 Then, while adding additional pipes to the rod 2, the drilling machine main body 6 applies rotational and propulsive forces to the rod 2, and the drilling bit 3 at the tip of the rod 2 advances it linearly underground to the specified position while drilling. If the advancement direction or advancement speed changes due to ground conditions or other factors, the operator adjusts the rotational pressure and rotational speed of the rod 2 in the rotation drive unit, the propulsion pressure in the propulsion drive unit, and the water supply pressure in the water supply unit 5 to achieve the planned drilling line and drilling speed. While work is being carried out, the position and attitude measurement unit 7 constantly measures position and attitude parameters, i.e., the position, rotation angle, and tilt angle of the drilling bit 3, over time and transmits these to the data logger 9.
また、操作値測定部８ は、変化する回転駆動部のロッド２の回転圧・回転速度、推進動部の推進圧及び送水部５の送水圧を時間経過とともに測定し、データロガー９に送信する。なお、必要に応じて、調節の際に操作したレバー等の操作具の操作量も定量的に測定し、データロガー９に送信するようにしてもよい。 The operation value measurement unit 8 also measures the changing rotational pressure and rotational speed of the rod 2 of the rotation drive unit, the propulsion pressure of the propulsion unit, and the water supply pressure of the water supply unit 5 over time, and transmits these values to the data logger 9. If necessary, the amount of operation of levers and other operating tools operated during adjustment may also be quantitatively measured and transmitted to the data logger 9.
一方、曲線推進を行うときには、回転駆動部のロッド２の回転圧・回転速度を調節して、削孔ビット３の回転角を所望の位置に合わせてロッド２の回転を停止させ、その状態で掘削水を噴射しつつ、推進駆動部の推進圧を調節してロッド２に推進力のみを与える。その際、図３（ａ）に示すように、削孔ビット３のテーパ面３ａに地盤より作用する力により削孔ビット３の推進方向が徐々に変化し、送水部５の送水圧、推進駆動部の推進圧を調節しつつ計画削孔ラインに沿って地中を曲線的に推進させる。また、必要に応じて回転駆動部のロッド２の回転圧・回転速度を調節する。そして、作業が行われている間、位置姿勢測定部７は、位置姿勢パラメータ、即ち、削孔ビット３の位置、回転角及び傾斜角を時間経過とともに随時測定し、データロガー９に送信する。 On the other hand, when performing curved drilling, the rotational pressure and rotational speed of the rod 2 of the rotational drive unit are adjusted to align the rotational angle of the drilling bit 3 with the desired position, and the rotation of the rod 2 is stopped. In this state, drilling water is sprayed while the thrust pressure of the thrust drive unit is adjusted to apply only thrust force to the rod 2. During this operation, as shown in Figure 3(a), the thrust direction of the drilling bit 3 gradually changes due to the force acting from the ground on the tapered surface 3a of the drilling bit 3, and the water supply pressure of the water supply unit 5 and the thrust pressure of the thrust drive unit are adjusted to propel the drilling bit 3 curvedly through the ground along the planned drilling line. The rotational pressure and rotational speed of the rod 2 of the rotational drive unit are also adjusted as necessary. While the operation is being performed, the position and orientation measurement unit 7 constantly measures the position and orientation parameters, i.e., the position, rotational angle, and tilt angle of the drilling bit 3, over time and transmits them to the data logger 9.
また、操作値測定部は、操作によって変化する回転駆動部のロッド２の回転圧・回転
速度、推進駆動部の推進圧及び送水部５の送水圧を時間経過とともに随時測定し、データロガー９に送信する。なお、必要に応じて、調節の際に操作した操作具の操作量も定量的に測定し、データロガー９に送信する。
The operation value measurement unit also measures the rotation pressure and rotation speed of the rod 2 of the rotation drive unit, which change depending on the operation, the propulsion pressure of the propulsion drive unit, and the water supply pressure of the water supply unit 5 over time, and sends these results to the data logger 9. If necessary, the operation amount of the operating tool operated during adjustment is also quantitatively measured and sent to the data logger 9.
次に、削孔ビット３が所定の方向に向けられたら、回転駆動部のロッド２の回転圧・回転速度、推進駆動部の推進圧及び送水部５の送水圧を調節し、当該所定の方向に向けた直進的な推進に移行し、同様に位置姿勢パラメータ及び操作パラメータの測定を行う。 Next, once the drilling bit 3 is pointed in the specified direction, the rotational pressure and rotational speed of the rod 2 of the rotation drive unit, the thrust pressure of the thrust drive unit, and the water supply pressure of the water supply unit 5 are adjusted, and linear thrust is started in the specified direction, and the position, attitude, and operation parameters are measured in the same way.
このように計画された計画削孔ラインに合わせて、直進推進と曲線推進とを行っていき、各時点での位置姿勢パラメータ及び操作パラメータをそれぞれ時間経過とともに測定し、データロガー９に送信して記録する。 Straight and curved thrusting is performed in accordance with the planned drilling line in this way, and the position, posture, and operation parameters at each point in time are measured over time and transmitted to the data logger 9 for recording.
（Ａ－２．データ生成）
データ生成部１０は、別々に測定され、データロガー９に送信された位置姿勢パラメータと操作パラメータとを同一時刻となるように同期させ、機械学習用データを生成し、保存する。そして、上述のデータ取集で収集されたデータ群は、機械学習用データとして生成され、機械学習部１１に登録される。
(A-2. Data Generation)
The data generation unit 10 synchronizes the position and orientation parameters and operation parameters that have been measured separately and transmitted to the data logger 9 so that they are at the same time, and generates and stores machine learning data. The data group collected in the above-mentioned data collection is then generated as machine learning data and registered in the machine learning unit 11.
（Ａ－３．事前学習）
事前学習において、機械学習部１１は、蓄積された過去の作業における位置姿勢パラメータと操作パラメータとのデータ群を機械学習し、本作業の際に入力された計画削孔ライン、位置姿勢パラメータ及び操作パラメータに対応する次のステップにおける最適な目標操作パラメータ（第１の目標操作パラメータ）を取得するための学習アルゴリズムを生成する。
(A-3. Preliminary study)
In the pre-learning, the machine learning unit 11 performs machine learning on a group of data on position and posture parameters and operation parameters from accumulated past work, and generates a learning algorithm for obtaining the optimal target operation parameters (first target operation parameters) for the next step that correspond to the planned drilling line, position and posture parameters, and operation parameters input during this work.
この事前学習は、実際の作業におけるいくつもの状況を想定し、当該想定と位置姿勢パラメータ及び操作パラメータのデータ群とを関連づけて機械学習し、各状況における最適な操作パラメータを算出する法則を導き出すようになっている。例えば、データ生成において熟練操作者のデータを分類して集約し、熟練操作者に係る機械学習用データを、ニューラルネットワーク等を用いて機械学習し、入力された計画削孔ライン、位置姿勢パラメータ及び操作パラメータに対する熟練操作者の操作に倣った最適な目標操作パラメータ（第１の目標操作パラメータ）を出力する学習済アルゴリズム（解析式）を生成する。生成された各学習済アルゴリズムは、解析部１２の記憶部１２ｂに格納される。 This pre-learning assumes a number of situations that may occur during actual work, associates these assumptions with data sets of position and attitude parameters and operation parameters, and performs machine learning to derive rules for calculating the optimal operation parameters for each situation. For example, data from skilled operators is classified and aggregated during data generation, and machine learning data related to the skilled operators is subjected to machine learning using a neural network or the like to generate a trained algorithm (analytical formula) that outputs optimal target operation parameters (first target operation parameters) that mimic the operation of the skilled operator for the input planned drilling line, position and attitude parameters, and operation parameters. Each generated trained algorithm is stored in the memory unit 12b of the analysis unit 12.
（Ｂ．物理モデル）
次に、物理モデルを用いて目標操作パラメータ（第２の目標操作パラメータ）を算出する手順について説明する。
B. Physical Model
Next, a procedure for calculating the target operation parameter (second target operation parameter) using the physical model will be described.
曲線削孔において操作者が主に操作する、又は主として操作時に注意する内容は、「削孔ビットの回転角」と「曲進割合」に関する操作パラメータである。なぜなら、図３を用いて説明したように、削孔ビットの回転角（つまりテーパ面３ａの向き）は、その削孔ビットの進行方向を決める主要因となるからである。また、曲進割合は、例えば削孔が所定距離（例えば１ｍ）進行する期間に操作者が曲進操作をした割合のことであり、この曲線操作を行った割合（曲進割合）は操作者が削孔ビットを曲進させたい意思を反映しているからである。そこで、本実施形態では、この２つの操作パラメータについて物理モデルによって目標操作パラメータ（第２の目標操作パラメータ）を算出する。 When drilling curved holes, the main operations that the operator performs, or the main things that the operator pays attention to during operation, are the operation parameters related to the "rotation angle of the drilling bit" and the "curve rate." This is because, as explained using Figure 3, the rotation angle of the drilling bit (i.e., the orientation of the tapered surface 3a) is the main factor that determines the direction of travel of the drilling bit. Furthermore, the curve rate is the rate at which the operator performs a curved operation during the period in which drilling progresses a predetermined distance (e.g., 1 m), and this rate at which the operator performs a curved operation (curve rate) reflects the operator's intention to curve the drilling bit. Therefore, in this embodiment, target operation parameters (second target operation parameters) are calculated for these two operation parameters using a physical model.
（Ｂ－１．削孔ビット回転角）
まず、削孔ビット回転角を算出するための物理モデルについて説明する。図５は、ＹＺ平面における目標修正角を説明する図であり、計画削孔ラインに対する実際の削孔位置を垂直断面方向から見たときの様子を例示している。ここでは、Ｚ軸を上下方向（鉛直方向）とし、Ｙ方向を削孔方向の水平方向成分としている。図５において、削孔方向のＹＺ平面における目標修正角θｚを、削孔方向の所定距離先（例えば３ｍ先）でＺ方向の現在のズレ量ΔＺを所定割合に減少させるような目標点（例えば所定割合を１／２とすると、Ｚ方向のズレ量が１／２×ΔＺとなるような目標点）に対する角度とする。なお、ここでは、曲がり削孔においてロッド１本が３ｍであり、操作者は通常現地点から３ｍ先を考慮して操作しているため、上記のような削孔方向の所定距離先として、３ｍ先を用いている。
(B-1. Drilling bit rotation angle)
First, we will explain the physical model for calculating the drilling bit rotation angle. Figure 5 is a diagram illustrating the target correction angle in the YZ plane, illustrating the actual drilling position relative to the planned drilling line as viewed from a vertical cross section. Here, the Z axis represents the up-down direction (vertical direction), and the Y direction represents the horizontal component of the drilling direction. In Figure 5, the target correction angle θz in the YZ plane in the drilling direction is defined as the angle relative to a target point that reduces the current Z-direction deviation ΔZ by a predetermined percentage at a predetermined distance (e.g., 3 m) in the drilling direction (e.g., if the predetermined percentage is 1/2, the Z-direction deviation is 1/2 x ΔZ). Note that in this case, since each rod is 3 m long in curved drilling and the operator typically operates with 3 m in mind, 3 m is used as the predetermined distance in the drilling direction.
次に、図６は、削孔ビット回転角を説明する図である。削孔ビット回転角とは、Ｚ軸正方向と、図３で説明した削孔ビット先端のテーパ面３ａが向いている方向（テーパ面３ａの法線方向）とがなす角度（Ｚ軸正方向を基準とした時計回りの角度）である。ここでは、削孔ビットの先端が現地点から前述した目標点に向かうような削孔ビット回転角θbを求めることが目的である。 Next, Figure 6 is a diagram explaining the drilling bit rotation angle. The drilling bit rotation angle is the angle (clockwise angle based on the positive direction of the Z axis) between the positive direction of the Z axis and the direction in which the tapered surface 3a of the drilling bit tip described in Figure 3 is facing (the normal direction of the tapered surface 3a). Here, the objective is to determine the drilling bit rotation angle θb so that the tip of the drilling bit points from the current point toward the target point described above.
ここで、目標修正角θｚで削孔が１ｍ進行したと仮定したときの、現地点に対するＺ座標Ｚｔは次式で表される。
Ｚｔ＝tanθｚ
Here, assuming that drilling has progressed 1 m at the target correction angle θz , the Z coordinate Zt relative to the current point is expressed by the following equation.
Z t = tan θ z
次に、図７は、ＸＹ平面における目標修正角を説明する図であり、計画削孔ラインに対する実際の削孔位置を鉛直方向から見たときの様子を例示している。図７において、削孔方向のＸＹ平面における目標修正角θｘを、削孔方向の所定距離先（例えば３ｍ先）でＸ方向の現在のズレ量ΔＸを所定割合に減少させるような目標点（例えば所定割合を１／２とすると、Ｘ方向のズレ量が１／２×ΔＸとなるような目標点）に対する角度とする。そして、目標修正角θｚと同様の考え方で、目標修正角θｘで削孔が１ｍ進行したと仮定したときの、現地点に対するＸ座標Ｘｔは次式で表される。
Ｘｔ＝tanθｘ
Next, Figure 7 is a diagram explaining the target correction angle in the XY plane, illustrating the actual drilling position relative to the planned drilling line as viewed vertically. In Figure 7, the target correction angle θx in the XY plane in the drilling direction is set to the angle relative to a target point at a predetermined distance in the drilling direction (e.g., 3 m ahead) that reduces the current deviation ΔX in the X direction by a predetermined percentage (e.g., if the predetermined percentage is 1/2, the deviation in the X direction will be 1/2 x ΔX). Using the same concept as the target correction angle θz , assuming that drilling has progressed 1 m at the target correction angle θx , the X coordinate Xt relative to the current point is expressed by the following equation:
Xt = tan θx
以上のことから、目標修正角θｘ及びθｚで削孔が１ｍ進行したと仮定したときの、現地点に対するＸ座標及びＺ座標（Ｘｔ、Ｚｔ）は次式で表される。
（Ｘｔ、Ｚｔ）＝（tanθｘ、tanθｚ）
つまり、図６において、Ｚ軸正方向と、原点と点（tanθｘ、tanθｚ）とを結ぶ線分とがなす角度（Ｚ軸正方向を基準とした時計回りの角度）が、求めるべき削孔ビット回転角θbである。
From the above, when it is assumed that drilling has progressed 1 m with the target correction angles θ x and θ z , the X coordinate and Z coordinate (X t , Z t ) for the current point are expressed by the following equations.
(X t , Z t )=(tanθ x , tanθ z )
In other words, in Figure 6, the angle (clockwise angle based on the positive direction of the Z axis) formed by the line segment connecting the origin and the point (tan θ x , tan θ z ) is the drilling bit rotation angle θ b to be found.
以上が、削孔ビット回転角を算出するための物理モデルである。つまり、この物理モデルは、或るステップ（現地点）の次のステップ（次地点）における計画削孔ラインと削孔ビットの位置の差が、或るステップにおける計画削孔ラインと削孔ビットの位置の差よりも小さくなるように、次のステップに対する削孔ビットの回転角に関する操作パラメータを算出する、というアルゴリズムである。 The above is a physical model for calculating the drill bit rotation angle. In other words, this physical model is an algorithm that calculates operating parameters related to the drill bit rotation angle for the next step (next location) so that the difference between the planned drilling line and the position of the drill bit at the next step (next location) after a certain step (current location) is smaller than the difference between the planned drilling line and the position of the drill bit at a certain step.
（Ｂ－２．曲進割合）
次に、曲進割合を算出するための物理モデルを説明する。曲進割合は、前述したように削孔が所定距離（例えば１ｍ）進行する期間に操作者が曲進操作をした割合のことであり、最小値を「０」とし、最大値を「１」とする。本実施形態では、図８に例示するように、この曲進割合がとり得る値の範囲を、０以上０．２５未満、０．２５以上０．５未満、０．５以上０．７５未満，０．７５以上１以下、という０．２５刻みの４つに分類した。
(B-2. Curve ratio)
Next, a physical model for calculating the bending ratio will be described. As mentioned above, the bending ratio is the ratio of bending operations performed by the operator during the period in which the drilling progresses a predetermined distance (e.g., 1 m), and the minimum value is "0" and the maximum value is "1." In this embodiment, as shown in Figure 8, the range of values that the bending ratio can take is classified into four ranges in increments of 0.25: 0 or more and less than 0.25, 0.25 or more and less than 0.5, 0.5 or more and less than 0.75, and 0.75 or more and less than 1.
ここで、本発明者らが熟練操作者の操作を検証することにより、このような削孔の現地点から次地点に対する曲進割合の各分類は、現地点の傾斜角、削孔ビット回転角、現地点における曲進割合及び目標修正角の各平均値と図９に例示するような関係があることが分かった。例えば削孔の現地点から次地点に対する曲進割合が０以上０．２５未満に収まる場合、現地点の傾斜角の平均値は「－２．９９」であり、削孔ビット回転角の平均値は「０．２５」であり、現地点における曲進割合の平均値は「０．２８」であり、目標修正角の平均値は「０．６５」である。 By verifying the operations of experienced operators, the inventors found that each classification of the bending rate from the current drilling point to the next drilling point has a relationship with the average values of the inclination angle of the current point, the drilling bit rotation angle, the bending rate at the current point, and the target correction angle, as illustrated in Figure 9. For example, when the bending rate from the current drilling point to the next drilling point is greater than or equal to 0 and less than 0.25, the average value of the inclination angle of the current point is "-2.99", the average value of the drilling bit rotation angle is "0.25", the average value of the bending rate at the current point is "0.28", and the average value of the target correction angle is "0.65".
本実施形態では、図９に例示した関係を考慮して、図１０に例示する方法で、削孔の現地点から次地点に対する曲進割合を算出する。具体的には、現地点の傾斜角、削孔ビット回転角、現地点における曲進割合及び目標修正角の各々について、曲進割合に対応する４つの閾値を設定し、削孔時に測定又は算出された現地点の傾斜角、削孔ビット回転角、現地点における曲進割合及び目標修正角とこれらの閾値との大小関係でどの曲進割合の分類に該当するかをスコアとしてカウントし、これらスコアの合計に基づいて、最適な曲進割合を判定するというものである。図１０の例では、現地点の傾斜角が「－４」であるから、閾値「－３．１」と閾値「－４．５」との間に対応する分類「Ｂ」について「１」というスコアがカウントされ、現地点の削孔ビット回転角が「０．３」であるから、閾値「０．２６」と閾値「０．３４」との間に対応する分類「Ｂ」について「１」というスコアがカウントされ、現地点の曲進割合が「０．３５」であるから、閾値「０．３」と閾値「０．４２」との間に対応する分類「Ｃ」について「１」というスコアがカウントされ、目標修正角が「１．７」であるから、閾値「０．８」と閾値「１．９」との間に対応する分類「Ｂ」について「１」というスコアがカウントされる。この結果、これらスコアの合計は分類「Ｂ」について「３」、分類「Ｃ」について「１」となるから、最適な曲進割合として、分類Ｂの「０．２５以上０．５未満」という範囲の例えば中央値「０．３７５」と判定される。なお、曲進割合の閾値として、分類「Ａ」、「Ｂ」についていずれも「０．３」を用いているが、これは曲進割合において、分類「Ａ」、「Ｂ」を区別しなかったためであり、あくまで例示である。 In this embodiment, the curve ratio from the current drilling point to the next point is calculated using the method illustrated in Figure 10, taking into account the relationship illustrated in Figure 9. Specifically, four threshold values corresponding to the curve ratio are set for each of the inclination angle of the current point, the drilling bit rotation angle, the curve ratio at the current point, and the target correction angle. A score is calculated based on the magnitude relationship between the inclination angle of the current point, the drilling bit rotation angle, the curve ratio at the current point, and the target correction angle measured or calculated during drilling and these thresholds, and the curve ratio classification is counted. The optimal curve ratio is determined based on the sum of these scores. In the example of Figure 10, since the inclination angle of the current point is "-4", a score of "1" is counted for category "B" corresponding to the range between the thresholds "-3.1" and "-4.5", since the drilling bit rotation angle of the current point is "0.3", a score of "1" is counted for category "B" corresponding to the range between the thresholds "0.26" and "0.34", since the curvature ratio of the current point is "0.35", a score of "1" is counted for category "C" corresponding to the range between the thresholds "0.3" and "0.42", and since the target correction angle is "1.7", a score of "1" is counted for category "B" corresponding to the range between the thresholds "0.8" and "1.9". As a result, the sum of these scores is "3" for category "B" and "1" for category "C," so the optimal turning ratio is determined to be, for example, the median value "0.375" of the range "greater than or equal to 0.25 and less than 0.5" for category B. Note that "0.3" is used as the turning ratio threshold for both categories "A" and "B," but this is because no distinction is made between categories "A" and "B" in terms of turning ratio, and is merely an example.
以上が、曲進割合を算出するための物理モデルである。つまり、この物理モデルは、或るステップ（現地点）におけるロッドの傾斜角、或るステップにおける削孔ビットの回転角、或るステップにおける曲進割合、及び、或るステップから次のステップに対するロッドの修正角に基づいて、次のステップ（次地点）に対する削孔ビットの曲進割合に関する操作パラメータを算出する、というアルゴリズムである。 The above is the physical model for calculating the bending rate. In other words, this physical model is an algorithm that calculates the operating parameters related to the bending rate of the drill bit for the next step (next point) based on the rod inclination angle at a certain step (current point), the rotation angle of the drill bit at a certain step, the bending rate at a certain step, and the rod correction angle from one step to the next.
（動作）
次に、図１１を参照して本実施形態の動作について説明する。先ず、削孔開始位置の地盤表層部に削孔機本体６を設置するとともに、情報処理装置１００に計画削孔ラインを入力する（ステップＳ１１）。また、必要に応じてガイド管を設置し、削孔機本体６の回転駆動軸にロッド２を連結し、削孔ビット３を回転推進または推進のみにより地盤に挿入し、削孔を開始する。また、ロッド２を通して送水部５よりベントナイト泥水等の掘削水の送水を開始する。
(operation)
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to Figure 11. First, the drilling machine body 6 is placed on the surface layer of the ground at the drilling start position, and the planned drilling line is input into the information processing device 100 (step S11). Furthermore, a guide pipe is installed as necessary, and the rod 2 is connected to the rotary drive shaft of the drilling machine body 6. The drilling bit 3 is inserted into the ground by rotary propulsion or propulsion alone, and drilling begins. Furthermore, the water supply unit 5 begins to supply drilling water, such as bentonite mud, through the rod 2.
その際、位置姿勢パラメータ、即ち、削孔ビット３の三次元位置、回転角及び傾斜角を位置姿勢測定部７によって測定を開始し、随時データロガー９に送信するとともに、操作パラメータ、即ち、送水部５による掘削水の送水圧、回転駆動部のロッド２の回転圧・回転速度、推進駆動部のロッド２の推進圧及びそれらを操作する際の操作具の操作量の計測を操作値測定部によって開始し、随時データロガー９に送信する（ステップＳ１２，Ｓ１３）。 At this time, the position and attitude parameters, i.e., the three-dimensional position, rotation angle, and tilt angle of the drilling bit 3, are measured by the position and attitude measurement unit 7 and transmitted to the data logger 9 as needed. At the same time, the operation value measurement unit begins measuring the operation parameters, i.e., the water pressure of the drilling water supplied by the water supply unit 5, the rotation pressure and rotation speed of the rod 2 of the rotation drive unit, the thrust pressure of the rod 2 of the thrust drive unit, and the amount of operation of the operating tools used to operate these, and transmits these to the data logger 9 as needed (steps S12 and S13).
データロガー９に送信された位置姿勢パラメータ及び操作パラメータのデータは、データ生成部１０によって、同一時刻となるように同期させることによって、機械学習用データ及び入力用データを生成し、機械学習用データを保存するとともに、入力用データを順次リアルタイムに、機械学習の説明変数として解析部１２に出力する（ステップＳ１４）。 The data generation unit 10 synchronizes the position and orientation parameters and operation parameters sent to the data logger 9 to the same time, generating machine learning data and input data. The machine learning data is saved, and the input data is output sequentially in real time to the analysis unit 12 as explanatory variables for machine learning (step S14).
解析部１２は、データ生成部１０より送信された入力用データを学習済アルゴリズムに入力して、最適な操作パラメータを第１の目標操作パラメータとして取得する（ステップＳ１５、Ｓ１６）。 The analysis unit 12 inputs the input data sent from the data generation unit 10 into the learned algorithm and obtains the optimal operation parameters as the first target operation parameters (steps S15 and S16).
一方、算出部１３は、図５～図１０に例示したような物理的な計算に従って、ビット回転角及び曲進割合に関する最適な操作パラメータを第２の目標操作パラメータとして算出する（ステップＳ１７、Ｓ１８）。 Meanwhile, the calculation unit 13 calculates optimal operation parameters related to the bit rotation angle and curve rate as second target operation parameters according to physical calculations such as those illustrated in Figures 5 to 10 (steps S17 and S18).
次に、出力部１４は、第１の目標操作パラメータと、第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えるか否かを判断する（ステップＳ１９）。なお、第１の目標操作パラメータのうち、第２の目標操作パラメータであるビット回転角及び曲進割合以外の物理モデルを用いて算出できない目標操作パラメータである推進圧、引抜圧、削孔速度、回転数に関しては、ステップＳ１９の処理をスキップして、ステップＳ２０に遷移する。 Next, the output unit 14 determines whether the difference between the first target operation parameter and the second target operation parameter exceeds a threshold value (step S19). Note that, among the first target operation parameters, for the target operation parameters that cannot be calculated using a physical model other than the second target operation parameters, namely the bit rotation angle and curvature rate, the processing of step S19 is skipped and the process proceeds to step S20.
ステップＳ１９において、より具体的には、削孔ビット回転角に関する第１の目標操作パラメータが、削孔ビット回転角に関する第２の目標操作パラメータの±３０度以内に収まっていれば、両者の差が閾値以内であると判断され、±３０度以内に収まっていなければ、両者の差が閾値を超えると判断される。なお、この３０度という閾値は任意に決められる。また、曲進割合に関する第１の目標操作パラメータが、曲進割合に関する第２の目標操作パラメータで示される分類に含まれていれば、両者の差が閾値以内であると判断され、曲進割合に関する第２の目標操作パラメータで示される分類に含まれていなければ、両者の差が閾値を超えると判断される。 More specifically, in step S19, if the first target operation parameter related to the drilling bit rotation angle is within ±30 degrees of the second target operation parameter related to the drilling bit rotation angle, the difference between the two is determined to be within the threshold; if it is not within ±30 degrees, the difference between the two is determined to exceed the threshold. Note that this threshold of 30 degrees can be determined arbitrarily. Furthermore, if the first target operation parameter related to the curve rate is included in the classification indicated by the second target operation parameter related to the curve rate, the difference between the two is determined to be within the threshold; if it is not included in the classification indicated by the second target operation parameter related to the curve rate, the difference between the two is determined to exceed the threshold.
そして、出力部１４は、第１の目標操作パラメータと、第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えていなければ（ステップＳ１９；ＹＥＳ）、機械学習の精度が高いと判断して、第１の目標操作パラメータを出力する（ステップＳ２０）。一方、出力部１４は、第１の目標操作パラメータと、第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えていれば（ステップＳ１９；ＮＯ）、機械学習の精度が高くないと判断して、第２の目標操作パラメータを出力する（ステップＳ２１） If the difference between the first target operation parameter and the second target operation parameter does not exceed the threshold (step S19; YES), the output unit 14 determines that the accuracy of the machine learning is high and outputs the first target operation parameter (step S20). On the other hand, if the difference between the first target operation parameter and the second target operation parameter exceeds the threshold (step S19; NO), the output unit 14 determines that the accuracy of the machine learning is not high and outputs the second target operation parameter (step S21).
出力されたこれらの目標操作パラメータは、情報処理装置１００に表示され、操作者はその目標操作パラメータに合わせて操作を行う。以上の処理が、削孔作業の行われている期間にわたって繰り返し行われる。 These output target operation parameters are displayed on the information processing device 100, and the operator performs operations in accordance with the target operation parameters. The above process is repeated throughout the period during which drilling work is being carried out.
本実施形態によれば、作業者は出力された目標操作パラメータに従って作業することによって、熟練度に関係なく、所定の削孔速度で高品質の削孔を行うことができる。さらに、機械学習の基礎となる学習データに過去の曲がり削孔の操作に不適切な操作が含まれていたとしても、適切な操作パラメータを算出、出力することが可能となる。本作業において記録された機械学習用データは、データ転送装置又は着脱式の記憶装置によって機械学習部１１に送ることができ、このデータを過去の作業におけるデータとして、上述のデータ収集、事前学習に還元されることによって、構築される学習済アルゴリズムの精度がいっそう向上することになる。 According to this embodiment, by working according to the output target operation parameters, workers can perform high-quality drilling at a specified drilling speed, regardless of their level of proficiency. Furthermore, even if the learning data that forms the basis of machine learning contains inappropriate operations for past curved drilling operations, it is possible to calculate and output appropriate operation parameters. The machine learning data recorded during this work can be sent to the machine learning unit 11 via a data transfer device or removable storage device. This data can be used as data from past work and fed back into the data collection and pre-learning described above, further improving the accuracy of the constructed trained algorithm.
なお、本発明は、曲がり削孔装置の削孔ビットの位置及び姿勢を示す位置姿勢パラメータと、前記曲がり削孔装置を操作するための操作パラメータとを時間経過とともに蓄積した結果を説明変数及び目的変数として機械学習した学習済アルゴリズムに対して、曲がり削孔の或るステップにおける計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータを入力し、次のステップに対する第１の目標操作パラメータを取得するステップと、前記曲がり削孔の或るステップにおける前記計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータから物理的な計算に基づいて、次のステップに対する第２の目標操作パラメータを算出するステップと、取得された前記第１の目標操作パラメータと、算出された前記第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えない場合には、前記第１の目標操作パラメータに関する情報を出力し、前記差が前記閾値を超える場合には、前記第２の目標操作パラメータに関する情報を出力するステップとを備える曲がり削孔操作パラメータ算出方法であってもよい。また、本発明は、コンピュータが上記方法を実行するためのプログラムであってもよい。 The present invention may also be a curved drilling operation parameter calculation method that includes the steps of: inputting information about a planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters to a trained algorithm that has been machine-learned using the results of accumulating position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit of a curved drilling device and operation parameters for operating the curved drilling device over time as explanatory variables and target variables; calculating second target operation parameters for the next step based on physical calculations from the information about the planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters; and outputting information about the first target operation parameter if the difference between the acquired first target operation parameter and the calculated second target operation parameter does not exceed a threshold; and outputting information about the second target operation parameter if the difference exceeds the threshold. The present invention may also be a program for causing a computer to execute the above method.
１ 削孔機、２ ロッド、３ 削孔ビット、４ 噴射ノズル、５ 送水部、
６ 削孔機本体、７ 位置姿勢測定部、８ 操作値測定部、９ データロガー、
１０ データ生成部、１１ 機械学習部、１２ 解析部、１２ａ 演算部、
１２ｂ 記憶部、１３ 算出部、１４ 出力部、１００ 情報処理装置
1 Drilling machine, 2 Rod, 3 Drilling bit, 4 Injection nozzle, 5 Water supply unit,
6 Drilling machine body, 7 Position and attitude measurement unit, 8 Operation value measurement unit, 9 Data logger,
10 Data generation unit, 11 Machine learning unit, 12 Analysis unit, 12a Calculation unit,
12b storage unit, 13 calculation unit, 14 output unit, 100 information processing device
Claims (5)
前記曲がり削孔の或るステップにおける前記計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータから物理的な計算に基づいて、次のステップに対する第２の目標操作パラメータを算出する算出部と、
前記取得部によって取得された第１の目標操作パラメータと、前記算出部によって算出された第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えない場合には、前記第１の目標操作パラメータに関する情報を出力し、前記差が前記閾値を超える場合には、前記第２の目標操作パラメータに関する情報を出力する出力部と
を備え、
前記第１の目標操作パラメータ及び前記第２の目標操作パラメータは、曲進割合及び／又は削孔ビットの回転角に関する操作パラメータである曲がり削孔操作パラメータ算出装置。 an acquisition unit that inputs information about the planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters, and the operation parameters to a learned algorithm that has been machine-trained using the results of accumulating over time of position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit of the curved drilling device and operation parameters for operating the curved drilling device as explanatory variables and objective variables, and acquires first target operation parameters for the next step;
a calculation unit that calculates second target operation parameters for a next step based on physical calculations from information about the planned drilling line, the position and attitude parameters, and the operation parameters in a certain step of the curved drilling;
an output unit that outputs information about the first target operation parameter when a difference between the first target operation parameter acquired by the acquisition unit and the second target operation parameter calculated by the calculation unit does not exceed a threshold, and outputs information about the second target operation parameter when the difference exceeds the threshold ,
A curved drilling operation parameter calculation device , wherein the first target operation parameter and the second target operation parameter are operation parameters relating to the curve rate and/or the rotation angle of the drilling bit .
請求項１記載の曲がり削孔操作パラメータ算出装置。 The curved drilling operation parameter calculation device of claim 1, wherein the calculation unit calculates an operation parameter related to the rotation angle of the drilling bit for the next step so that the difference between the planned drilling line and the position of the drilling bit in the next step is smaller than the difference between the planned drilling line and the position of the drilling bit in the certain step.
請求項１又は２に記載の曲がり削孔操作パラメータ算出装置。 The curved drilling operation parameter calculation device described in claim 1 or 2, wherein the calculation unit calculates an operation parameter related to the bending rate of the drilling bit for the next step based on the inclination angle of the rod at the certain step, the rotation angle of the drilling bit at the certain step, the bending rate at the certain step, and the correction angle of the rod from the certain step to the next step.
前記曲がり削孔の或るステップにおける前記計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータから物理的な計算に基づいて、次のステップに対する第２の目標操作パラメータを算出するステップと、
取得された前記第１の目標操作パラメータと、算出された前記第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えない場合には、前記第１の目標操作パラメータに関する情報を出力し、前記差が前記閾値を超える場合には、前記第２の目標操作パラメータに関する情報を出力するステップと
を備え、
前記第１の目標操作パラメータ及び前記第２の目標操作パラメータは、曲進割合及び／又は削孔ビットの回転角に関する操作パラメータである曲がり削孔操作パラメータ算出方法。 a step of inputting information about the planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters and the operation parameters to a trained algorithm that has been machine-learned using the results of accumulating over time of position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit of the curved drilling device and operation parameters for operating the curved drilling device as explanatory variables and objective variables, and obtaining first target operation parameters for the next step;
calculating second target operation parameters for a next step based on physical calculations from information about the planned drilling line, the position and attitude parameters, and the operation parameters in a certain step of the curved drilling;
outputting information about the first target operation parameter when a difference between the acquired first target operation parameter and the calculated second target operation parameter does not exceed a threshold value, and outputting information about the second target operation parameter when the difference exceeds the threshold value ,
A curved drilling operation parameter calculation method , wherein the first target operation parameter and the second target operation parameter are operation parameters relating to the curve rate and/or the rotation angle of the drilling bit .
曲がり削孔装置の削孔ビットの位置及び姿勢を示す位置姿勢パラメータと、前記曲がり削孔装置を操作するための操作パラメータとを時間経過とともに蓄積した結果を説明変数及び目的変数として機械学習した学習済アルゴリズムに対して、曲がり削孔の或るステップにおける計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータを入力し、次のステップに対する第１の目標操作パラメータを取得するステップと、
前記曲がり削孔の或るステップにおける前記計画削孔ラインに関する情報、前記位置姿勢パラメータ及び前記操作パラメータから物理的な計算に基づいて、次のステップに対する第２の目標操作パラメータを算出するステップと、
取得された前記第１の目標操作パラメータと、算出された前記第２の目標操作パラメータとの差が閾値を超えない場合には、前記第１の目標操作パラメータに関する情報を出力し、前記差が前記閾値を超える場合には、前記第２の目標操作パラメータに関する情報を出力するステップと
を実行させ、
前記第１の目標操作パラメータ及び前記第２の目標操作パラメータは、曲進割合及び／又は削孔ビットの回転角に関する操作パラメータであるプログラム。 On the computer,
a step of inputting information about the planned drilling line at a certain step of curved drilling, the position and attitude parameters and the operation parameters to a trained algorithm that has been machine-learned using the results of accumulating over time of position and attitude parameters indicating the position and attitude of the drilling bit of the curved drilling device and operation parameters for operating the curved drilling device as explanatory variables and objective variables, and obtaining first target operation parameters for the next step;
calculating second target operation parameters for a next step based on physical calculations from information about the planned drilling line, the position and attitude parameters, and the operation parameters in a certain step of the curved drilling;
outputting information about the first target operation parameter when a difference between the acquired first target operation parameter and the calculated second target operation parameter does not exceed a threshold value, and outputting information about the second target operation parameter when the difference exceeds the threshold value ;
A program in which the first target operation parameter and the second target operation parameter are operation parameters related to the curvature rate and/or the rotation angle of the drill bit .
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