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3次元点群データを活用した情報化施工の応用に関する研究

中原 匡哉 関西大学 DOI:info:doi/10.32286/00024697

2021.06.22

概要

ICT(Information and Communication Technolgy)機器の発展に伴い,機械部品や電化製品の生産工場では,レーザスキャナ等で計測した3次元情報を用いて,部品単位で設計された規格値どおりであるかを検査する.これにより,常に一定の品質を持つ製品を量産している.一方で,建設分野が対象とする構造物は,現場によって形状やその寸法値が異なることから,現場に応じた検査を行う必要があり,手間がかかる.そのため,設計図面とのすり合わせを行う検査が省略されており特定断面における部分的な検査のみでその品質を確認する.しかし,特定断面以外において設計値から外れた地点があれば,構造物全体の崩壊や損壊に繋がる危険性がある.

こうした背景の下,建設事業においてもICT機器を導入することが検討され,生産工場と同様,構造物においても一定以上の品質を確保することが期待されている.そして,検査だけでなく,施工中に活用される建設機械にもその技術を応用することで,新たなビジネスモデルが導出されると予想される

これを受け,国土交通省では,品質,生産性と安全性の向上やコスト縮減のため,レーザスキャナ等のICT機器で計測した3次元の測量データを活用した検査方法の確立と情報化施工の推進に注力している.まず,前者の検査では,日々の施工作業完了後に実施される作業進捗を管理するための検査(以下,出来高検査)において,UAV(Unmanned Aerial Vehicle)による空中写真測量や地上設置型レーザスキャナの導入が検討されている.これにより,従来のメジャーやTS(Total Station)ではできなかった現場全体の詳細な形状を得て,日々の形状の差分から作業量を定量的に測ることが期待されている.これは,施工完了後に設計値との照らし合わせを行う検査(以下,出来形検査)においても同様である.出来形検査では,構造物を構成する面の境界線(以下,ブレイクライン)間の長さ等が設計値と同値であるか検査する.これにより,施工完了後の構造物を計測した3次元点群データと設計図面を照らし合わせることで,従来では詳細な工程管理及び最終成果の確認が困難な現場においても,検査の簡便化や省力化が期待されている.

次に,後者の情報化施工では,ブルドーザ,ショベルカーやクレーンといった建設機械にICT機器の導入が進められている.これらのICT機器から得られた建設機械の3次元的な動きや周辺環境を計測することで,従来の操縦者の経験と感覚に頼った操作方法の改善が図られている.これにより,操縦者の負担が減少し,ヒューマンエラーの軽減や機器や地物との衝突防止に繋がるため,操縦者の生産性や周辺作業者の安全性の向上が期待されている.

これらを実現するためには,施工現場の構造物の形状や流動的に変化する状況を考慮して機器を選定し,その計測データから構造物や建設機械周辺の現場の3次元点群データを生成し,解析する必要がある.

そこで,本研究では,検査作業や情報化施工で利用可能な3次元点群データを生成し,それらを現場状況に合わせて分析することで,作業者に有益な情報を提供することを目指す.これにより,施工開始から完了までの検査作業や情報化施工を高度化でき,品質,生産性と安全性の向上やコスト縮減に寄与できる.まず,出来高検査では,極端な凹凸や特徴物が少ない構造物を対象としている.一方,出来形検査では,整形された構造物や護岸,保護する目的で表面をブロック等で敷設した構造物を対象としている.そのため,これらの違いを考慮した解析手法が必要となる.次に,検査技術を応用した情報化施工では,現場全体の安全や安心を確保することを目的として,前述の現場の地表面や構造物だけでなく,他の建設機械のような移動体や運搬中の資材等の配置等をリアルタイムに計測する必要がある.本研究では,施工現場での事故が増加傾向にあり,検査技術の導入効果が高いと考えられるクレーンの情報化施工に着目し,これらの現場状況を考慮した検査技術及び解析技術の応用について検討する.

(1)レーザスキャナ搭載型UAVを用いた3次元点群データ生成手法の提案
出来高検査は,日々の作業完了後の夕方や夜間に行われることが多く,UAVによる空中写真測量では光量が不足し,3次元点群データを生成できない.一方,地上設置型レーザスキャナはレーザ光が周辺の光量の影響を受けないことから,夜間での利用が可能である.しかし,施工現場には,極端な凹凸や特徴物が少ない一方で,放置された重機や資材が多々あり,施工現場全体の形状を正確に把握するためには,これらのオクルージョンで計測できない領域を複数の地点から計測する必要があり,膨大な時間を要する.

そこで,本研究では,光量が少ない時間帯でも短時間で計測可能なレーザスキャナ搭載型UAVに着目する.本機器に搭載する機器の構成は複数ある上に,それぞれで3次元点群データの生成手法が異なる.そのため,出来高検査が対象とする現場の状況に適した本機器の計測とデータ生成の条件を調査した上で,それらを考慮した3次元点群データ生成手法を提案する.そして,実証実験にて本機器でも出来高検査の要領で規定された精度で,かつクレーンの情報化施工で必要となる精度で平坦部を含む地表面を計測できることを確認した.

(2)設計図書の平面図と3次元点群データを用いた出来形検査手法の提案
出来形検査では,UAVによる空中写真測量や地上設置型レーザスキャナを用いた検査要領が公開されており,凹凸の少ない道路や河川の構造物を対象としている.しかし,施工完了後の構造物表面の形状は,平坦な場合だけでなく,敷設工事の構造物のような護岸や保護を目的としてブロックが敷き詰められている場合もある.これらの構造物を対象とした場合,正しい寸法値を計測できない場合がある.そのため,構造物の表面に凹凸が多い構造物を対象に,検査対象の寸法値を自動で算出する手法が必要である.既存技術においても表面が平坦な構造物を対象としており,検査対象外の凹凸部を誤抽出する課題があり,検査に利用できない.

そこで,本研究では,施工完了段階で確実に存在する設計図書の平面図上に記載されている検査対象の線形情報を用いて,その線形上を計測した3次元点群データを抽出し,検査対象の寸法値を算出する手法を提案する.そして,実証実験にて,実際の敷設工事の構造物を対象に計測したデータを用いて,提案手法による算出精度と施工現場で必要とされる許容誤差の範囲を比較し,提案手法の実用可能性を確認した.そして,クレーンの情報化施工で必要となる精度で平坦な形状と凹凸形状を認識できることを明らかにした.

(3)クレーン操縦者のための吊荷とその周辺の地物の可視化技術の提案
本研究では,これまで開発してきた技術をクレーンの情報化施工に応用し,レーザスキャナを用いたリアルタイム解析技術を開発する.本研究で対象とする既存のクレーンでは,クレーンのアーム先端に設置したWebカメラで上空から吊荷の周辺を撮影し,その映像をリアルタイムに操縦席で確認できる.しかし,上空からの映像だけでは,吊荷とその周辺の地物の3次元的な位置関係,特にそれぞれの高さの把握が困難であるため,ヒューマンエラーや吊荷とその周辺の地物や建設機械等と接触する危険性の解消には至っていない課題がある.

そこで,本研究では,既設のWebカメラに加えて,3次元点群データをリアルタイムに計測可能なレーザスキャナの搭載を試みる.これらの計測データを用いて,傾斜のない平坦な現場であることを前提として,Webカメラ映像上に吊荷と周辺の地物や移動体の3次元的な位置関係を示す手法を提案する.そして,実証実験にて,傾斜のない平坦な現場であれば,提案手法による吊荷と地物の高さの算出結果と実測値が同程度の精度であることを確認した.また,クレーン設計・開発技術者へのヒアリングを行い,実現場への導入にあたって考慮すべき汎用性に関する要望があることを明らかにした.

(4)3次元地図を用いた地物認識によるクレーン操縦支援技術の提案
本研究では,3次元点群データをリアルタイムに解析する時の汎用性の課題を解決し,実現場への適用可能性を高める手法を検討する.前述の技術では,平坦な現場での利用を前提として,レーザスキャナが計測可能な範囲における3次元的な位置関係の把握を可能なものとした.しかし,傾斜やそれに付随する段差がある現場を対象とした場合に精度が低下する課題や,レーザスキャナの計測範囲外にある地物の状況を把握できず,移動や旋回時にそれらと吊荷が衝突する危険性を解消できていない課題があり,汎用性の面で改良の余地があった.

そこで,本研究では,前述の機器構成に加えて,位置情報を計測可能なセンサ機器を新たに導入して,計測データを重畳し続けることで,クレーン周辺の3次元地図を生成する.そして,傾斜面を考慮して地表面と地物の領域と高さを推定して,Webカメラ映像上にそれらを重畳することで,クレーンの操縦を支援し,ヒューマンエラーの軽減や機器や地物との衝突防止を防ぐ手法を提案する.そして,実証実験にて,小段上と小段下にある地物の高さの精度が実測値と同程度であることを確認し,手法の実用可能性をクレーン設計・開発技術者へのヒアリングにより確認した.

以上の研究成果より,本論文では,情報化施工の応用に向けた課題を解消するために,検査時や施工中における施工現場の時々刻々と変化する状況に合わせて,3次元点群データを計測・解析し,現場作業者に有益な情報を提供する技術を提案した.そして,実務で求められる精度や最確値のデータを用いて実証実験を行い,提案手法の有用性を確認した.また,ヒアリングにより,その実環境への適用可能性を確認した.本研究の今後の展開としては,施工現場の管理者の協力の下,実現場や実業務への適用や実務者へのヒアリングにより,より実用的な手法への改善を図る.また,前日と翌日に計測した3次元点群データや3次元地図を用いた日々の作業量の自動算出方法,設計図面と3次元地図を用いた施工の自動化技術や事故の事前検知技術等を開発することで,建設事業における施工業務の効率化や高品質化を目指す.

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[93] logicool:フル HD ガラスレンズで鮮やかな⾊彩と超⾼精細な画質が楽しめるロジ クール HD プロ ウェブカム(C920r),,(入手 2020.6.1).

[94] 中央精機:傾斜ステージ,,(入手 2020.6.1).

[95] アルゴ:レーザーLiDAR イメージングユニット,,(入手 2020.6.1).

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