JP7835396B2

JP7835396B2 - 変位計測システムおよび変位計測方法

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Publication number: JP7835396B2
Application number: JP2022057400A
Authority: JP
Inventors: 弓弦上原; 雅浩鈴木; 卓也谷; 敏彦菅野
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2026-03-25
Anticipated expiration: 2042-03-30
Also published as: JP2023149056A

Description

本発明は、山岳トンネルの変位を計測する変位計測システムおよび変位計測方法に関する。

山岳トンネル工事の施工中に行う計測として「Ａ計測」がある。Ａ計測には、例えば「内空変位測定」、「天端沈下測定」、「脚部沈下測定」、「地表面沈下測定」などがある。計測は、変位が小さい場合でも「１～２回／日」の測定頻度が標準であり、労力と時間を要する。これまでの変位計測では、レーザを用いて測定を行っていた（例えば、光波測距儀を利用していた）。変位計測に関して、例えば特許文献１，２に記載される技術が知られている。
特許文献１に記載される技術は、トンネルの内空変位計測方法である。特許文献１の計測方法では、トンネルの同一断面内に数カ所の計測点を設置し、設置した計測点を光波測定機（光波測距儀）で視準することにより、視準された計測点の位置データを三次元座標系で取り込み、座標計算により計測点間距離を求める。ここで、各々の計測点は、トンネル周辺の地山もしくは吹付けコンクリート面または鋼製支保工の面にボルトを植設し、このボルトに反射シートを貼付けた測定用反射板をナット止めすることで設置される。
特許文献２に記載される技術は、施工中のトンネルを計測するシステムである。特許文献２のシステムは、トンネル坑内の所定の管理寸法を測定する複数の測定装置と、これらの測定装置の測定データを所定の管理所に送信する通信手段とを備える。例えば、内空変位測定を想定した場合、測定装置は、トンネルの内壁から水平方向にレーザを発信し、受信する機能を備えたレーザ発信・受信器と、レーザ発信・受信器で発信されたレーザ光をレーザ発信・受信器方向に反射する機能を備えたレーザ反射器とで構成される。

特開平５－９９６７０号公報特開２０００－３０４５３１号公報

従来のレーザを用いた計測では、多くの時間と労力を要するという問題があった。例えば、光波測距儀やレーザ発信・受信器は、水平を確保する必要があり、据付および確認作業に時間を要する。特に、トンネル坑内には様々な障害物があり、障害物によってレーザによる計測を邪魔された場合には、光波測距儀やレーザ発信・受信器を移動させてから据付および確認作業を再度行分ければならず大変な手間となる。
このような観点から、本発明は、山岳トンネルの変位計測に要する労力および時間を減らすことができる変位計測システムおよび変位計測方法を提供する。

本発明に係る変位計測システムは、山岳トンネルの変位計測システムである。この変位計測システムは、トンネル内壁の計測点に設置され超音波を送信する送信部と、前記送信部から送信される超音波を受信する受信部と、前記受信部で受信した超音波に基づいて前記送信部の位置を推定する位置推定部とを備える。前記受信部は、直方体の各頂点に配置された複数のマイクロフォンで構成されており、前記位置推定部は、各々のマイクロフォンに前記超音波が到達した時間差に基づいて前記送信部の位置を推定する。
前記位置推定部は、例えば、各々の前記マイクロフォンで受信した前記超音波の信号のピークを検出して当該ピークの時間差を求め、位置推定アルゴリズムによって前記送信部の位置を推定する。
本発明に係る変位計測システムにおいては、水平を確保する必要がなく、据付および確認作業に要する時間を従来よりも短縮できる。その為、変位計測に要する労力および時間を従来よりも減らすことができる。特に、トンネル内の障害物に超音波の到達を邪魔された場合でも受信部を移動させるだけでよいので、据付および確認作業が非常に楽である。

前記位置推定アルゴリズムは、例えば最小二乗法を用いたものである。前記位置推定アルゴリズムは、前記送信部の座標を初期値と誤差との和で表し、前記初期値を変更して計算を繰り返すことで誤差を小さくしていき当該誤差が限りなく小さくなった場合に計算で求めた送信部の座標を真の位置とする。前記初期値の最初の値として、前記超音波を最初に受信した最初のマイクロフォンと最後に受信した最後のマイクロフォンとを結ぶ線分の延長線上であって、前記最初のマイクロフォン側の延長線上の座標を設定するのがよい。
このようにすると、収束のスピードが速く、間違った解が求まる間違いも起こり難くなる（正しい解を求める確実性が上がる）。
前記送信部は、前記山岳トンネルの同一断面内における複数の位置に設置され、前記位置推定部は、各送信部の位置から二点間距離を算出してもよい。
前記送信部は、前記トンネル内壁に埋め込まれたソケットに収納されていてもよい。このようにすると、送信部が発破などの作業の邪魔になり難く、送信部が意図せず外れることも抑制できる。
前記受信部は、地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部によって、前記山岳トンネル内に設置されていてもよい。このようにすると、受信部の据付けがより簡単になる。

本発明に係る変位計測方法は、山岳トンネルの変位計測方法である。この変位計測方法は、トンネル内壁の計測点に設置された送信部で超音波を送信する送信工程と、前記送信部から送信される超音波を受信部で受信する受信工程と、前記受信部で受信した超音波に基づいて前記送信部の位置を推定する位置推定工程とを有する。前記受信部は、直方体の各頂点に配置された複数のマイクロフォンで構成されており、前記位置推定工程では、各々のマイクロフォンに前記超音波が到達した時間差に基づいて前記送信部の位置を推定する。
本発明に係る変位計測方法においては、例えば水平を確保する必要がなく、据付および確認作業に要する時間を従来よりも短縮できる。その為、変位計測に要する労力および時間を従来よりも減らすことができる。特に、トンネル内の障害物に超音波の到達を邪魔された場合でも受信部を移動させるだけでよいので、据付および確認作業が非常に楽である。

本発明によれば、山岳トンネルの変位計測に要する労力および時間を減らすことができる。

本発明の実施形態に係る変位計測システムの概略図である。送信装置の概略構成図である。受信装置の概略構成図である。操作装置の概略構成図である。本発明の実施形態に係る変位計測システムのブロック図である。位置推定アルゴリズムに用いる定義を説明するための図である。本発明の実施形態に係る変位計測システムのプログラムフローである。本発明の実施形態に係る変位計測システムの測定動作を説明するための図である。本発明の実施形態に係る変位計測システムの測定手順を説明するための図である。本発明の実施形態に係る変位計測システムの測定手順を説明するための図である。測定画面の例示であり、（ａ）は１回目の測定動作における測定画面であり、（ｂ）は受信装置の位置をずらした２回目の測定動作における測定画面である。グループに保存される情報の合成処理のイメージ図である。

以下、本発明の実施をするための形態を、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
＜実施形態に係る変位計測システムの構成について＞
図１を参照して、実施形態に係る変位計測システム１の構成について説明する。図１は、実施形態に係る変位計測システム１の概略図である。変位計測システム１は、トンネルの変位を計測するシステムである。変位計測システム１は、トンネルの変位を計測する様々な場面で使用することができ、変位を計測する対象など特に限定されるものではない。本実施形態では、「Ａ計測」での「内空変位測定」を例示して説明する。内空変位測定は、トンネルの安定および支保工効果の確認、支保工の施工時期の判定、覆工の打設時期の判定等の資料得ることを目的とするものである。例えば、原則として「30m」に１箇所（１断面）および設計パターンを変更する箇所（断面）で内空変位測定を行い、施工の段階や地山等級を考慮して測定の間隔を調整する。

図１に示すように、変位計測システム１は、送信装置２と、受信装置３と、操作装置４と、管理者端末５とを主に備える。変位計測システム１では、送信装置２から発信される超音波を受信装置３が有する複数のマイクロフォンで受信し、各マイクロフォンへ超音波が到達した時間差に基づいて送信装置２の位置を推定する。送信装置２は、トンネル内の変位を測定する位置（各計測点）に設置され、時間の経過に応じた送信装置２の座標の変化を調べることによってトンネルの変位を計測する。なお、受信装置３に内蔵された温度／湿度センサの情報で気温や湿度に伴う音速の変化を自動補正するので、気温や湿度の変化の影響もなく高い計測精度となる。

図１に示す送信装置２は、超音波を送信する装置である。送信装置２は、例えば、超音波ビーコンであり、超音波を一定間隔で間欠送信する。送信装置２は、トンネル内の変位を測定する位置（各計測点）に設置される。つまり、送信装置２は、従来のレーザを用いた測定でのターゲットの位置に設置される。本実施形態では、Ａ計測での内空変位測定を想定しているので、トンネルの同一断面内における複数の計測点に送信装置２が設置される。送信装置２の位置は、例えば「Ａ測線」～「Ｄ測線」を測定可能な位置である。

受信装置３は、送信装置２が送信する超音波を受信する装置であり、当該超音波が到達する範囲内（取得可能な位置）に設置される。受信装置３は、例えば地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部を有しており、当該脚部や当該固定部によってトンネル内の任意の場所に設置される。受信装置３Ａは、三脚を備えており、トンネル内の地面に置かれている。受信装置３Ｂは、底部に磁石が取り付けられており、支保工に固定されている。

操作装置４は、受信装置３を操作するための装置であり、例えばトンネル工事の作業員によって操作される。操作装置４は、例えば持ち運びが容易な携帯型端末である。
管理者端末５は、例えばトンネル坑内の受信装置３から離れた場所に設置され、トンネル工事の管理者などによって操作される。管理者端末５は、例えばＰＣ（Personal Computer）、スマートフォン、タブレット端末などである。なお、管理者端末５をトンネル坑外の事務所内に設置しても良い。

送信装置２の構成を図２に示す。図２は、送信装置２の概略構成図である。本実施形態の送信装置２は、トンネルの壁面に形成された凹部に嵌め込んだ状態で使用可能に構成される。送信装置２は、主に、無線モジュール２１と、超音波スピーカ（送信部）２２と、バッテリ２３と、制御基板２４とを備え、これらの構成要素はケース２０に収納されている。ケース２０は、収納する構成要素を保護する役割を担い、例えば密閉可能である。バッテリ２３は、充電可能であり、必要に応じて取り外すことができる。送信装置２は、壁面に埋め込まれたソケット６に収納される。ソケット６は、送信装置２を収納するための空間および送信装置２を装着するための開口部６ａを有する。例えばコンクリートを吹き付ける前の地山（または支保工）に穴を形成してソケット６を埋め込み、蓋などの閉塞手段を使って開口部６ａを塞いでおく。そして、コンクリートの吹き付け後に閉塞手段を外し、送信装置２をソケット６内に固定する。これにより、送信装置２がトンネル内壁に埋め込まれた状態となり、発破などの作業の邪魔になり難い。送信装置２およびソケット６の一方または双方には、ソケット６に収納された送信装置２が意図せず飛び出さない（落下しない）ための工夫がなされているのがよい。送信装置２を収納した状態のソケット６をコンクリートで覆い、送信装置２を埋めた状態のまま（埋め殺し）にしてもよい。

受信装置３の構成を図３に示す。図３は、受信装置３の概略構成図である。本実施形態の受信装置３は、トンネル内を移動可能なサイズに構成される。受信装置３は、主に、受信部３１と、無線モジュール３３と、温度／湿度センサ３４と、バッテリ３５と、制御基板３６とを備える。受信部３１は、送信部である超音波スピーカ２２から発信される超音波を受信する部分である。受信部３１は、複数のマイクロフォン３２を有し、当該マイクロフォン３２は土台部３１ａに設置される。複数のマイクロフォン３２は、アレイ状に配置されるのが望ましい。本実施形態のマイクロフォン３２は、直方体の各頂点に配置されている。なお、マイクロフォン３２は、アレイ状に配置せず、また、一つの土台部３１ａに全てのマイクロフォン３２を設置せずに別々な構成とすることもできる。無線モジュール３３、温度／湿度センサ３４、バッテリ３５および制御基板３６は、ケース３０に収納されている。ケース３０は、収納する構成要素を保護する役割を担い、例えば密閉可能である。ケース３０と土台部３１ａは、連結部３１ｂによって接続される。受信装置３は、例えば地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部を有するのがよい（図１参照）。受信装置３には、メンテナンス用のＵＳＢ端子３７と、充電用の充電端子３８とが設けられている。なお、受信装置３と操作装置４の通信は、無線モジュール３３と無線モジュール４２とによる無線通信で行われるが、有線通信で行われてもよい。管理者端末５が操作装置４の機能を有する場合、受信装置３と管理者端末５とが無線通信（有線通信であってもよい）を行う。

操作装置４の構成を図４に示す。図４は、操作装置４の概略構成図である。本実施形態に係る操作装置４は、作業員が両手で持った状態で操作することを想定している。操作装置４のケース４０は、左右両側を手で持つことが可能な形状（例えば、左右方向に長く所定の厚みを有する板状）を呈している。操作装置４は、主に、表示部４１と、無線モジュール４２と、バッテリ４３と、操作部４４と、制御基板４５とを備える。操作部４４は、ジョイスティック４４ａと、各種の操作ボタン（「送信装置検索」ボタン４４ｂ、「測定開始／停止」ボタン４４ｃ、クリアボタン４４ｄ）とを備える。表示部４１は、例えば液晶ディスプレイであり、表示部４１には計測を行うために必要な情報（例えば計測の条件を設定するための情報）や計測結果の情報などが表示される。ジョイスティック４４ａは、左手で操作可能な位置に配置され、例えば上下左右方向を指定することができる。「送信装置検索」ボタン４４ｂ、「測定開始／停止」ボタン４４ｃ、およびクリアボタン４４ｄは、右手で操作可能な位置に配置される。無線モジュール４２およびバッテリ４３は、ケース４０に格納されている。操作装置４には、メンテナンス用のＵＳＢ端子４６と、充電用の充電端子４７とが設けられている。なお、受信装置３や管理者端末５が、操作装置４が有する機能の一部または全部を有する構成であってもよい。

図５を参照して（適宜、図１ないし図４を参照）、変位計測システム１内での情報のやり取りを説明する。図５は、実施形態に係る変位計測システム１のブロック図（ソフトウェア構成を含む）である。

送信装置２は、受信装置３からの測定開始の要求を無線モジュール２１で受信した場合に、送信制御部２４ａがパルス制御部２４ｂに信号送信の指示を行い、パルス制御部２４ｂがパルス信号を超音波スピーカ２２に送信する。そして、超音波スピーカ２２が空中に超音波のパルス信号を放出し、放出された超音波のパルス信号は受信装置３に到達する。

受信装置３は、無線モジュール３３を介して送信装置２に測定開始の要求を送信し、その応答として送信装置２から超音波のパルス信号を複数のマイクロフォン３２で受信し、受信したパルス信号は制御部（位置推定部）３６ａに送られる。また、制御部３６ａには、温度／湿度センサ３４から温度や湿度の情報が送られる。制御部３６ａは、超音波のパルス信号、温度情報、湿度情報に基づいて、送信元となる送信装置２の位置を推定する。送信元の位置推定の詳細については後述する。受信装置３は、測定結果（送信装置２の位置に関する情報や二つの送信装置２間の距離に関する情報など）を、無線モジュール３３を介して操作装置４に送信する。

操作装置４は、作業員の操作を操作部４４で受け付け、作業員による操作情報（例えば、測定を行う送信装置２に関する情報や測定開始の操作情報など）を、無線モジュール４２を介して受信装置３に送信する。また、操作装置４は、測定結果（送信装置２の位置に関する情報や二つの送信装置２間の距離に関する情報など）を、無線モジュール４２を介して受信装置３から受信し、制御部４５ａが表示部４１に受信した情報を表示させる。また、操作装置４は、測定結果を無線モジュール４２を介して管理者端末５に送信する。これにより、管理者は、管理者端末５によって測定結果を確認することができる。

操作装置４の表示部４１には、例えば測定画面Ｍ１０が表示される。測定画面Ｍ１０は、ＩＤ表示領域Ｍ１１と、位置表示領域Ｍ１２と、距離表示領域Ｍ１３と、グループ表示領域Ｍ１４とを有する。
ＩＤ表示領域Ｍ１１には、受信装置３と通信可能な範囲に存在する送信装置２のＩＤ一覧が表示される。受信装置３の制御部３６ａは、例えば通信接続を要求する無線信号を送信し、操作装置４の制御部４５ａは、その応答を受信した送信装置２のＩＤをＩＤ表示領域Ｍ１１に表示させる。

位置表示領域Ｍ１２には、受信装置３と通信可能な範囲に存在する送信装置２の位置（測定結果）が表示される。受信装置３の制御部３６ａは、送信装置２から発信させる超音波の信号に基づいて送信装置２の位置を求め、操作装置４の制御部４５ａは、その結果を位置表示領域Ｍ１２に表示する。送信装置２の位置の推定は、後述する位置推定アルゴリズムを用いて行われる。

距離表示領域Ｍ１３には、二つの送信装置２間の距離が表示される。受信装置３の制御部３６ａは、例えば受信装置３と通信可能な範囲に存在する送信装置２の全ての組合せにについて、二つの送信装置２間の距離を算出する。距離表示領域Ｍ１３には、所定数の組合せを表示可能であり（図４では三つの組合せを表示可能であり、「ID(1)-ID(2)」，「ID(1)- ID(3)」，「ID(2)- ID(3)」が表示されている）、ジョイスティック４４ａを上下方向に操作することで表示される組合せが変更される。

グループ表示領域Ｍ１４には、グループに関する情報が表示される。グループは、測定結果を登録するまとまりである。受信装置３の制御部３６ａは、例えば一回の測定動作で測定した複数の送信装置２の結果を一つのグループとして登録する。グループ表示領域Ｍ１４には、所定数のグループの識別情報が表示され（図４では「Grp.1」～「Grp.4」の四つのグループが表示されている）、ジョイスティック４４ａを左右方向に操作することで一つのグループを選択することができる。選択中のグループは、強調されて表示される（図４では「Grp.1」が選択中であり、「Grp.1」の文言を枠Ｍ１４ａで囲むことで強調している）。

次に、図６を参照して、超音波の送信元である送信装置２の位置の推定について説明する。図６は、位置推定アルゴリズムに用いる定義を説明するための図である。なお、本実施形態では、受信装置３が送信装置２の位置推定を行うことを想定しているが、他の装置（例えば受信装置３や管理者端末５）が送信装置２の位置推定を行ってもよい。位置推定の機能（位置推定部）は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）によるプログラム実行処理によって実現される。

測定の事前準備として、マイクロフォン３２の付近に原点を有する座標系（x,y,z）を設ける。座標系（x,y,z）は、ローカル座標系でよく、向きは任意とする。第１～第Ｎ（Ｎはマイクロフォンの数であり、超音波が到達した順番に昇順の番号を付与する）のマイクロフォン３２の配置は既知なので、マイクロフォン３２の座標Ｐ_i（i=1～N）は既知となる。また、第１～第Ｎのマイクロフォン３２における受信時刻ｔ_i（i=1～N）の時間差「（ｔ_2～N）－ｔ₁」は、音速およびマイクロフォン３２の座標Ｐ_iから既知となる。
このようにマイクロフォン３２の座標Ｐ_iと受信の時間差「（ｔ_2～N）－ｔ₁」が既知であり、また、例えば「Ｎ≧４」であれば、超音波スピーカ２２の座標Ｐ_Pを方程式で表すことができる。そして、この方程式を、例えばニュートン法、最小二乗法、近接４点法などで解くことで、超音波スピーカ２２の座標Ｐ_Pを推定可能である。
ここで、音速は、気温や湿度の影響を受けるため、温度／湿度センサ３４でリアルタイムに気温や湿度を測定しながら、以下の式で音速の補正を行う。Ｔは気温［℃］であり、Ｈは湿度［％］である。
・音速Ｃ＝331.4＋0.606×Ｔ＋0.0124×Ｈ

受信装置３の制御部３６ａ（位置推定部）は、各マイクロフォン３２で受信した音信号に対してバンドパスフィルタによるフィルタ処理を行うことで、特定の周波数成分（送信装置２が発信する超音波の成分）だけ抽出し、高周波・低周波ノイズの除去を行う。また、制御部３６ａは、フィルタ処理を行った信号の開始地点を決定するために、ピークの検出を行う。制御部３６ａは、例えばピークを判別するための閾値を設定し、閾値を超えてから最初のピークを信号が到達したタイミングとする。

制御部３６ａは、各マイクロフォン３２で受信した音信号のピークの時間差から、位置推定アルゴリズムを用いて、超音波スピーカ２２の位置推定および超音波スピーカ２２間の距離推定を行う。以下では、最小二乗法を例示して説明する。

ここまで説明した送信装置２の位置の推定について、図７を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る変位計測システム１のプログラムフローである。
各マイクロフォン３２の配置は既知なので、各マイクロフォン３２の座標Ｐ_i（x_i,y_i,z_i）に、配置に基づく固定値をセットする（ステップＳ１１）。また、超音波スピーカ２２の座標の初期値Ｐ₀（x₀,y₀,z₀）として適当な値をセットする（ステップＳ１２）。続いて、上記（８）式からα_i,β_i,γ_iを算出し（ステップＳ１３）、上記（３）式からｆ_i（Ｒ_i）を算出する（ステップＳ１４）。続いて、上記（７）式からΔｆ_iを算出し（ステップＳ１５）、上記（１０）式から誤差Δx,Δy,Δzを算出する（ステップＳ１６）。Δx,Δy,Δzが大きくまだ誤差がある場合（ステップＳ１７）、上記（５）式からx_p,y_p,z_pを求めて新たなx₀,y₀,z₀とする（ステップＳ１８）。そして、ステップＳ１３～ステップＳ１６を行い新たな誤差Δx,Δy,Δzを算出する。Δx,Δy,Δzが十分小さい場合（ステップＳ１７）、x₀,y₀,z₀が送信装置２の座標となる（ステップＳ１９）。
このように、本実施形態における位置推定では、繰り返し計算を行う途中において、超音波スピーカ２２の座標Ｐ_P（x_p,y_p,z_p）の仮の値を次の計算での初期値x₀,y₀,z₀として繰り返し計算を行う。そして、誤差が小さくなった所で、座標x₀,y₀,z₀（または座標Ｐ_P（x_p,y_p,z_p））を超音波スピーカ２２の真の位置として繰り返し計算を終了する。つまり、一回目の計算で求めた超音波スピーカ２２の座標Ｐ_P（x_p,y_p,z_p）を初期値x₀,y₀,z₀として二回目の計算を行い新たに超音波スピーカ２２の座標Ｐ_P（x_p,y_p,z_p）を求める。

初期値x₀,y₀,z₀の最初の値（繰り返し計算する一回目の値）は、特に限定されずにどの場所の座標を用いてもよい。初期値x₀,y₀,z₀の最初の値は、超音波を最初に受信した第１のマイクロフォン３２₁（最初のマイクロフォン）と最後に受信した第Ｎのマイクロフォン３２_N（最後のマイクロフォン）とを結ぶ線分の延長線上であって、第１のマイクロフォン３２₁側の延長線上の座標（例えば、第１のマイクロフォン３２₁から数ｍだけ離れた位置）を設定するのがのぞましい。このようにすると、収束のスピードが速く、間違った解が求まる間違いも起こり難くなる（正しい解を求める確実性が上がる）。

＜実施形態に係る変位計測システムの測定動作について＞
図８を参照して（適宜、図１ないし図７を参照）、実施形態に係る変位計測システム１の測定動作の概要を説明する。図８は、変位計測システム１の測定動作を説明するための図である。
最初に、受信装置３は、送信装置２₁（「ID(1)」の送信装置２）に対して無線で送信開始を要求し（ステップＳ１）、送信開始の要求を受け取った送信装置２₁は、超音波の送信を開始する（ステップＳ２）。送信装置２₁は、例えば、超音波を一定間隔で間欠送信する。受信装置３は、送信装置２₁から発信された超音波を各マイクロフォン３２で受信し、各マイクロフォン３２間での受信した時間差Δｔから送信装置２₁の位置を計算する（ステップＳ３）。そして、受信装置３は、送信装置２₁に対して無線で送信停止を要求し（ステップＳ４）、送信停止の要求を受け取った送信装置２₁は、超音波の送信を停止する。

次に、受信装置３は、送信装置２₂（「ID(2)」の送信装置２）に対して無線で送信開始を要求し（ステップＳ５）、送信装置２₁と同じ手順で送信装置２₂の位置を計算する。このように、受信装置３は、送信装置２₁～２_Nの位置を順番に計算し、トンネル内の各計測点の位置を求める。また、受信装置３は、求めた各計測点の位置に基づいて、各計測点間（各送信装置２₁～２_N間）の距離を求める。そして、時間をおいて送信装置２₁～２_Nの位置（各計測点の位置）を再度計測し、以前に計測した位置や距離との比較によってトンネルの変位を計測する。

図９および図１０を参照して（適宜、図１ないし図８を参照）、より具体的な測定手順について説明する。図９および図１０は、実施形態に係る変位計測システム１の測定手順を説明するための図である。なお、ここで説明する測定手順はあくまで例示である。
作業員が受信装置３を起動すると、受信装置３は、自身の無線範囲Ｋ内の送信装置２と自動的に接続する。ここでは、図９に示すように、送信装置２₁～２₈（「ID(1)」～「ID(8)」の送信装置２）が無線範囲Ｋ内に入っているとし、受信装置３は、送信装置２₁～２₈と自動的に接続する。そして、接続した送信装置２のＩＤが測定画面Ｍ１０のＩＤ表示領域Ｍ１１に表示される。図１１（ａ）に示すように、測定画面Ｍ１０のＩＤ表示領域Ｍ１１には、接続した送信装置２のＩＤの一覧（「ID(1)」～「ID(8)」）が表示される。図１１は、測定画面Ｍ１０の例示である。

次に、作業員は、「測定開始／停止」ボタン４４ｃ（図４参照）を押して、送信装置２の位置の測定開始を受信装置３に指示する。受信装置３は、無線範囲Ｋ内にある送信装置２₁～２₈の位置の測定を行い、ＩＤに対応付けて送信装置２の座標を位置表示領域Ｍ１２に表示する（図１１（ａ）参照）。また、受信装置３は、位置測定を行った送信装置２₁～２₈間の距離算出し、算出した距離表示領域Ｍ１３に表示する（図１１（ａ）参照）。そして、受信装置３は、測定した送信装置２の座標や算出した送信装置２間の距離に関する情報を、選択中のグループに保存する。ここでは、図１１（ａ）に示すように「Grp.1」が選択中であるので、送信装置２₁～２₈の情報を「Grp.1」に保存する。これにより、図９に示す位置での受信装置３による測定を終了する。

続いて、作業員は、ジョイスティック４４ａ（図４参照）を操作して、選択中のグループを「Grp.2」へ変更し、受信装置３をトンネルの軸心方向に移動させる（図１０参照）。次に、作業員は、「送信装置検索」ボタン４４ｂ（図４参照）を押して、送信装置２の検索開始を受信装置３に指示する。受信装置３は、無線範囲Ｋ内（受信装置３と通信可能な範囲内）にある送信装置２の検索を行う。ここでは、図１０に示すように、送信装置２₅～２₁₂（「ID(5)」～「ID(12)」の送信装置２）が無線範囲Ｋ内に入っているとし、受信装置３は、送信装置２₅～２₁₂と接続する。そして、接続した送信装置２のＩＤが測定画面Ｍ１０のＩＤ表示領域Ｍ１１に表示される。図１１（ｂ）に示すように、測定画面Ｍ１０のＩＤ表示領域Ｍ１１には、接続した送信装置２のＩＤの一覧（「ID(5)」～「ID(12)」）が表示される。

次に、作業員は、「測定開始／停止」ボタン４４ｃ（図４参照）を押して、送信装置２の位置の測定開始を受信装置３に指示する。受信装置３は、無線範囲Ｋ内にある送信装置２₅～２₁₂の位置の測定を行い、ＩＤに対応付けて送信装置２の座標を位置表示領域Ｍ１２に表示する（図１１（ｂ）参照）。また、受信装置３は、位置測定を行った送信装置２₅～２₁₂間の距離算出し、算出した距離表示領域Ｍ１３に表示する（図１１（ｂ）参照）。そして、受信装置３は、測定した送信装置２の座標や算出した送信装置２間の距離に関する情報を、選択中のグループに保存する。ここでは、図１１（ｂ）に示すように「Grp.2」が選択中であるので、送信装置２₅～２₁₂の情報を「Grp.2」に保存する。これにより、図１０に示す位置での受信装置３による測定を終了する。

なお、受信装置３は、グループに保存される情報の合成機能を有するのがよく、対象となる二つのグループに保存される情報を一つのグループとして登録し直すことができる。受信装置３は、位置合わせアルゴリズム（例えば、ＩＣＰ（Iterative Closest Point）アルゴリズムや特異値分解（Singular Value Decomposition: SVD）アルゴリズム）を用いてグループの合成を行う。ここでの「位置合わせ」とは、異なる位置から取得した三次元の点群同士の位置関係を推定し、点群の合成を行う処理を意味する。例えば、ＩＣＰアルゴリズムでは、第一点群に第二点群を位置合わせする回転行列や並行移動行列を求める。グループの合成は、合成の対象となる各グループに共通の送信装置２が三つ以上ある場合に行える。グループに保存される情報の合成処理のイメージを図１２に示す。

図１２（ａ）に示すように、「Grp.1」の測定結果には「ID(1)」～「ID(4)」の送信装置２の測定結果（座標など）が保存されており、「Grp.2」の測定結果には「ID(1)」～「ID(3)」，「ID(5)」の送信装置２の測定結果（座標など）が保存されているとする。「Grp.1」「Grp.2」では、「ID(1)」～「ID(3)」が共通しているので、「Grp.1」「Grp.2」を合成することが可能である。図１２では、「Grp.1」の測定結果に「Grp.2」の測定結果を位置合わせすることを想定する。図１２（ｂ）に示すように、「Grp.2」に含まれる「ID(1)」～「ID(3)」の座標に着目して回転および移動を行い、「Grp.1」に含まれる「ID(1)」～「ID(3)」の座標に位置を合わせる。そして、「Grp.2」に含まれる「ID(1)」～「ID(3)」の座標と、「Grp.1」に含まれる「ID(1)」～「ID(3)」の座標とが合った状態で、それ以外の測定結果を合成する。これにより、図１２（ｃ）に示すように、「Grp.1」の測定結果と「Grp.2」の測定結果とが合成され、一つのグループに「ID(1)」～「ID(5)」の測定結果が保存されることになる。合成機能を有することで、一つのグループに保存することが望ましいものの何らかの理由で一度に測定が出来なかった場合、送信装置２の測定を再度行って測定結果をまとめることができる。

以上のように、実施形態に係る変位計測システム１によれば、水平を確保する必要がなく、据付および確認作業に要する時間を従来よりも短縮できる。その為、変位計測に要する労力および時間を従来よりも減らすことができる。特に、トンネル内の障害物に超音波の到達を邪魔された場合でも受信部３１（図３参照）を移動させるだけでよいので、据付および確認作業が非常に楽である。

また、本実施形態では、送信部である超音波スピーカ２２（図２参照）がトンネル内壁に埋め込まれたソケット６（図２参照）に収納されているので、超音波スピーカ２２が発破などの作業の邪魔になり難く、超音波スピーカ２２が意図せず外れることも抑制できる。
また、本実施形態では、受信部３１が地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部によって山岳トンネル内に設置されているので、受信部３１の据付けがより簡単である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を変えない範囲で実施することができる。
実施形態では、変位計測システム１を使用する場面として、「Ａ計測」での「内空変位測定」を例示して説明した。しかしながら、変位計測システム１を他の場面に使用することもでき、例えば「Ａ計測」での「天端沈下測定」などに変位計測システム１を使用してもよい。その場合、例えば受信装置３に何らかの方法で絶対座標を与えるようにする。
実施形態では、操作装置４と管理者端末５を別々の装置として説明したが、例えば、ＰＣ（Personal Computer）、スマートフォン、タブレット端末に操作装置４の機能を収納して管理者端末５で操作しても良い。

１変位計測システム
２送信装置
３，３Ａ．３Ｂ受信装置
４操作装置
５管理者端末
６ソケット
２０ケース
２１無線モジュール
２２超音波スピーカ（送信部）
２３バッテリ
２４制御基板
３０ケース
３１受信部
３２マイクロフォン
３３無線モジュール
３４温度／湿度センサ
３５バッテリ
３６制御基板
３６ａ制御部（位置推定部）
４０ケース
４１表示部
４２無線モジュール
４３バッテリ
４４操作部
４４ａジョイスティック
４４ｂ「送信装置検索」ボタン
４４ｃ「測定開始／停止」ボタン
４４ｄクリアボタン
４５制御基板
４５ａ制御部
Ｍ１０測定画面
Ｍ１１ＩＤ表示領域
Ｍ１２位置表示領域
Ｍ１３距離表示領域
Ｍ１４グループ表示領域
Ｋ無線範囲

Claims

山岳トンネルの変位計測システムであって、
トンネル内壁の計測点に設置され超音波を送信する送信部と、
前記送信部から送信される超音波を受信する受信部と、
前記受信部で受信した超音波に基づいて前記送信部の位置を推定する位置推定部と、を備え、
前記受信部は、直方体の各頂点に配置された複数のマイクロフォンで構成されており、
前記位置推定部は、各々のマイクロフォンに前記超音波が到達した時間差に基づいて前記送信部の位置を推定する、
ことを特徴とする変位計測システム。
前記位置推定部は、各々の前記マイクロフォンで受信した前記超音波の信号のピークを検出して当該ピークの時間差を求め、位置推定アルゴリズムによって前記送信部の位置を推定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の変位計測システム。
前記位置推定アルゴリズムは、最小二乗法を用いたものであり、前記送信部の座標を初期値と誤差との和で表し、前記初期値を変更して計算を繰り返すことで誤差を小さくしていき当該誤差が限りなく小さくなった場合に計算で求めた送信部の座標を真の位置とするものであり、
前記初期値の最初の値として、前記超音波を最初に受信した最初のマイクロフォンと最後に受信した最後のマイクロフォンとを結ぶ線分の延長線上であって、前記最初のマイクロフォン側の延長線上の座標を設定する、
ことを特徴とする請求項２に記載の変位計測システム。
前記送信部は、前記山岳トンネルの同一断面内における複数の位置に設置され、
前記位置推定部は、各送信部の位置から二点間距離を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の変位計測システム。
前記送信部は、前記トンネル内壁に埋め込まれたソケットに収納されている、ことを特徴とする請求項１に記載の変位計測システム。
前記受信部は、地面に立設可能な脚部または支保工に磁力で固定される固定部によって、前記山岳トンネル内に設置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の変位計測システム。
山岳トンネルの変位計測方法であって、
トンネル内壁の計測点に設置された送信部で超音波を送信する送信工程と、
前記送信部から送信される超音波を受信部で受信する受信工程と、
前記受信部で受信した超音波に基づいて前記送信部の位置を推定する位置推定工程と、を有し、
前記受信部は、直方体の各頂点に配置された複数のマイクロフォンで構成されており、
前記位置推定工程では、各々のマイクロフォンに前記超音波が到達した時間差に基づいて前記送信部の位置を推定する、
ことを特徴とする変位計測方法。