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JP2024157703A - Method for excavating and collecting embankment materials, system for excavating and collecting embankment materials, and excavation machine - Google Patents

Method for excavating and collecting embankment materials, system for excavating and collecting embankment materials, and excavation machine Download PDF

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JP2024157703A
JP2024157703A JP2023072218A JP2023072218A JP2024157703A JP 2024157703 A JP2024157703 A JP 2024157703A JP 2023072218 A JP2023072218 A JP 2023072218A JP 2023072218 A JP2023072218 A JP 2023072218A JP 2024157703 A JP2024157703 A JP 2024157703A
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JP
Japan
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excavation
shape
dimensional
geological
excavating
Prior art date
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Pending
Application number
JP2023072218A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
亮 中島
Ryo Nakajima
大樹 中須賀
Daiki Nakasuga
政弘 片山
Masahiro Katayama
茂崇 石濱
Shigetaka Ishihama
哲生 天下井
Tetsuo Amagai
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kumagai Gumi Co Ltd
Original Assignee
Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kumagai Gumi Co Ltd filed Critical Kumagai Gumi Co Ltd
Priority to JP2023072218A priority Critical patent/JP2024157703A/en
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Abstract

To perform excavation of the designed shape while efficiently and reliably sorting and collecting the banking material.SOLUTION: An excavation/collection method for banking material comprises steps of: creating a composite excavation shape composed of a three-dimensional geological model and a designed excavation shape after not only generating the three-dimensional geological model from three-dimensional terrain data and three-dimensional geology data at the construction site but determining the designed excavation shape that is the three-dimensional designed shape of the excavation shape at the construction sight from the three-dimensional geological model and a preset collection amount per material; calculating a depth of a currently excavated stratum measured from a present position of an excavation machine based on the composite excavation shape and the present position of the excavation machine detected independently; and excavating the stratum based on the depth of the calculated stratum.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

特許法第30条第2項適用申請有り (刊行物1) ▲1▼ 開催日 令和4年10月14日 ▲2▼ 集会名、開催場所 令和4年度 日本応用地質学会 研究発表会 関西大学千里山キャンパス100周年記念会館 ・オンライン開催(大阪府吹田市山手町3丁目3-35) ▲3▼ 公開者 中島 亮、中須賀 大樹、石濱 茂崇、天下井 哲生 ▲4▼ 公開の内容 「フィルダムにおける3次元地質・土質モデルを活用したBIM/CIMの実施」 (刊行物2) ▲1▼ 発行日 令和4年10月8日 ▲2▼ 刊行物 令和4年度 日本応用地質学会 研究発表会講演論文集 第99頁~第100頁 一般社団法人 日本応用地質学会 ▲3▼ 公開者 中島 亮、中須賀 大樹、石濱 茂崇、天下井 哲生 ▲4▼ 公開の内容 「フィルダムにおける3次元地質・土質モデルを活用したBIM/CIMの実施」 (刊行物3) ▲1▼ 開催日 令和4年10月6日 ▲2▼ 集会名、開催場所 2022年度全国土木技術発表会 株式会社熊谷組本社(大会議室) ・オンライン開催(東京都新宿区津久戸町2番1号) ▲3▼ 公開者 中島 亮 ▲4▼ 公開の内容 「フィルダムの施工における地質・土質モデルの活用」 (刊行物4) ▲1▼ 発行日 令和4年9月27日 ▲2▼ 刊行物 2022年度全国土木技術発表会 概要集 第5頁~第8頁 株式会社熊谷組 土木事業本部 ▲3▼公開者 中島 亮 ▲4▼ 公開の内容 「フィルダムの施工における地質・土質モデルの活用」Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act filed (Publication 1) ▲1▼ Date held October 14, 2022 ▲2▼ Meeting name, venue 2022 Japan Society of Engineering Geology Research Presentation Kansai University Senriyama Campus 100th Anniversary Memorial Hall ・Held online (3-3-35 Yamate-cho, Suita-shi, Osaka) ▲3▼ Disclosed by Nakajima Ryo, Nakasuka Hiroki, Ishihama Shigetaka, Amagi Tetsuo ▲4▼ Disclosed content "Implementation of BIM/CIM using 3D geological and soil models for fill dams" (Publication 2) ▲1▼ Date of issue October 8, 2022 ▲2▼ Publication Proceedings of the 2022 Japan Society of Engineering Geology Research Presentation Conference, pages 99 to 100 General Incorporated Association Japan Society of Engineering Geology ▲3▼ Disclosed by Nakajima Ryo, Nakasuka Hiroki, Shigetaka Ishihama, Tetsuo Amagasaki ▲4▼ Contents of the publication "Implementation of BIM/CIM using 3D geological and soil models for fill dams" (Publication 3) ▲1▼ Date held October 6, 2022 ▲2▼ Meeting name, venue 2022 National Civil Engineering Technology Presentation Kumagai Gumi Co., Ltd. Head Office (Main Conference Room) ・Online (2-1 Tsukudo-cho, Shinjuku-ku, Tokyo) ▲3▼ Distributor Ryo Nakajima ▲4▼ Contents of the publication "Utilization of geological and soil models in the construction of fill dams" (Publication 4) ▲1▼ Issue date September 27, 2022 ▲2▼ Publication 2022 National Civil Engineering Technology Presentation Summary Pages 5 to 8 Kumagai Gumi Co., Ltd. Civil Engineering Division ▲3▼ Distributor Ryo Nakajima ▲4▼ Contents of the publication "Utilization of Geological and Soil Models in the Construction of Fill Dams"

本発明は、フィルダムなどの盛土工事の構築等に用いられる盛土材料を分別して掘削・採取する方法とそのシステム、及び、盛土材料の掘削・採取に用いられる掘削機械に関する。 The present invention relates to a method and system for separating, excavating, and extracting embankment materials used in the construction of embankments such as fill dams, and to an excavation machine used to excavate and extract embankment materials.

フィルダムや盛土工事に用いる盛土材料については、盛土に適した材料を採取するため、地質の種類ごとにそれぞれ適用材料が決められており、掘削時に異なる材料の混入やそれによる材料ロス(捨土の増加)を可能な限り減らす必要がある。
そこで、GNSS(Global Navigation Satellite System / 全球測位衛星システム)などの位置計測装置を用いて建設機械の現在位置を計測するとともに、盛土を掘削・採取するための設計データと現在位置との差分をリアルタイムで提供するマシンガイダンスシステムが用いられている(例えば、特許文献1,2参照)。
設計データは、施工現場の地図データと地質・材質等のデータを有する地質データとから作成される3次元地質モデルと、掘削形状の設計形状データとを用いて作成される。
マシンガイダンスでは、オペレーターは、操縦席のモニター画面でバケットと設計形状の位置とを確認しながら、盛土材料を掘削・採取する。
In order to extract materials suitable for embankment construction in embankment dams and other construction works, appropriate materials are determined for each type of geology, and it is necessary to minimize the mixing of different materials during excavation and the resulting material loss (increase in waste soil) as much as possible.
Therefore, a machine guidance system is used that measures the current position of a construction machine using a position measuring device such as a Global Navigation Satellite System (GNSS) and provides the difference between the design data for excavating and extracting embankments and the current position in real time (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
The design data is created using a three-dimensional geological model created from map data of the construction site and geological data including data on the geology, materials, etc., and design shape data of the excavation shape.
With machine guidance, the operator excavates and collects embankment material while checking the position of the bucket and the designed shape on the monitor screen in the cockpit.

特開2002-81008号公報JP 2002-81008 A 特開2016-212459号公報JP 2016-212459 A

しかしながら、通常のマシンガイダンスは、あくまで設計データ(仕上がりの形状)を導入して掘削を行っているため、地質毎に材料を掘削・採取する必要がある場合には、設計データ通りに掘削を進めると地質境界線を越えてしまい、採取した材料に異なる地質の材料が混入するおそれがある。
また、それを防ぐには、掘削途中で地質専門技術者が頻繁に現地を確認し判別する必要があるため、多大な労力を要する、といった問題点がある。
However, normal machine guidance only performs excavation based on design data (finished shape). Therefore, when it is necessary to excavate and extract materials for each geology, if excavation is carried out according to the design data, geological boundaries may be crossed, and the extracted materials may be mixed with materials from different geology.
Furthermore, to prevent this, geological engineers would need to frequently check the site during excavation to make judgments, which would require a huge amount of work.

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的にかつ確実に分別して掘削・採取する方法、この方法を実現するためのシステム、及び、盛土材料の掘削・採取に用いられる掘削機械を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the problems of the past, and aims to provide a method for efficiently and reliably separating, excavating, and extracting embankment materials while excavating a designed shape, a system for implementing this method, and an excavation machine used to excavate and extract embankment materials.

本発明は、盛土材料を掘削して採取する方法であって、施工現場の3次元地形データと3次元地質データとから3次元地質モデルを生成するステップと、前記3次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の3次元設計形状である設計掘削形状を設定するステップと、前記3次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成するステップと、掘削機械の現在位置を検出するステップと、前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出するステップと、前記算出された深さに基づいて、前記地質の層を掘削するステップと、を備えることを特徴とする。
これにより、地層毎の掘削を精度よく行うことができるので、盛土材料を効率的に分別しながら採取することができる。
また、合成掘削形状を用いることで、3次元地質モデルと計設計掘削形状との切り替えをせずに地層毎の掘削を行うことができる。
また、実際の地質境界の位置が前記算出された深さのデータと異なった場合には、実績を計測し、前記3次元地質モデルのデータを更新するようにしたので、これをサイクルとして回すことで、データの精度向上を図ることができる。
The present invention is a method for excavating and extracting fill material, comprising the steps of: generating a three-dimensional geological model from three-dimensional topographical data and three-dimensional geological data of a construction site; setting a design excavation shape, which is a three-dimensional design shape of the excavation shape of the construction site, from the three-dimensional geological model and a predetermined amount of extraction for each material; creating a composite excavation shape by combining the three-dimensional geological model and the design excavation shape; detecting the current position of an excavation machine; calculating the depth of the geological layer currently being excavated, measured from the current position of the excavation machine, from the current position of the excavation machine and the composite excavation shape; and excavating the geological layer based on the calculated depth.
This allows precise excavation of each layer, so that embankment materials can be efficiently extracted while being separated.
In addition, by using the synthetic excavation shape, excavation can be performed for each layer without switching between the three-dimensional geological model and the designed excavation shape.
In addition, if the actual position of the geological boundary differs from the calculated depth data, the actual results are measured and the data of the three-dimensional geological model is updated. By repeating this cycle, the accuracy of the data can be improved.

また、本発明は、盛土材料の掘削・採取システムであって、施工現場の土砂を掘削する掘削機械と、前記掘削機械の現在位置の3次元座標を検出する位置検出手段と、前記施工現場の3次元地図データと3次元地質データとから3次元地質モデルを生成する3次元地質モデル生成手段と、前記3次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の3次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記3次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段を有する地層深さ算出装置と、を備えることを特徴とする。
このような構成を採ることにより、設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的に分別しながら採取することのできる盛土材料の掘削・採取システムを得ることができる。
また、前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段を設けて、オペレーターに現在の掘削状況を視認させることができるので、効率的な材料の採取・分別を行うことができる。
また、本発明は、施工現場の土砂を掘削して採取する掘削機械を、バケットなどの土砂の掘削・採取手段を備えた掘削機械本体と、前記掘削機械の現在位置の3次元座標を検出する位置検出手段と、前記施工現場の3次元地図データと3次元地質データとから3次元地質モデルを生成する3次元地質モデル生成手段と、前記3次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の3次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記3次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段と、前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段とから構成したので、盛土材料を効率的に分別しながら採取することができる。
The present invention also provides a system for excavating and collecting embankment materials, comprising: an excavating machine for excavating soil and sand at a construction site; a position detection means for detecting the three-dimensional coordinates of the current position of the excavating machine; a three-dimensional geological model generation means for generating a three-dimensional geological model from three-dimensional map data and three-dimensional geological data of the construction site; a design excavation shape setting means for setting a design excavation shape, which is a three-dimensional design shape of the excavation shape at the construction site, from the three-dimensional geological model and a preset amount of each material to be collected; a composite excavation shape creation means for creating a composite excavation shape by combining the three-dimensional geological model and the design excavation shape; and a stratum depth calculation device having a stratum depth calculation means for calculating the depth of the geological layer currently being excavated, measured from the current position of the excavating machine, from the current position of the excavating machine detected by the position detection means and the composite excavation shape.
By adopting such a configuration, it is possible to obtain a system for excavating and collecting embankment materials that can efficiently separate and collect embankment materials while performing excavation of a designed shape.
In addition, a display means for displaying the calculated depth of the geological layer can be provided, allowing the operator to visually confirm the current excavation status, thereby enabling efficient collection and separation of materials.
In addition, the present invention provides an excavation machine for excavating and collecting soil and sand at a construction site, the excavation machine body being equipped with soil and sand excavation and collection means such as a bucket, a position detection means for detecting the three-dimensional coordinates of the current position of the excavation machine, a three-dimensional geological model generation means for generating a three-dimensional geological model from three-dimensional map data and three-dimensional geological data of the construction site, a design excavation shape setting means for setting a design excavation shape, which is a three-dimensional design shape of the excavation shape of the construction site, from the three-dimensional geological model and a preset collection amount for each material, a composite excavation shape creation means for creating a composite excavation shape by combining the three-dimensional geological model and the design excavation shape, a stratum depth calculation means for calculating the depth of the geological layer currently being excavated, measured from the current position of the excavation machine, from the current position of the excavation machine and the composite excavation shape detected by the position detection means, and a display means for displaying the calculated depth of the geological layer, so that the embankment material can be efficiently collected while being separated.

本実施の形態に係る盛土材料の掘削・採取システムを示す図である。1 is a diagram showing a system for excavating and collecting embankment materials according to an embodiment of the present invention. 工事着工前の施工現場の地形データと地質・土質モデルを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing topographical data and a geological/soil model of a construction site before construction begins. ボクセルモデルと設計掘削形状の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a voxel model and a designed excavation shape. 地質境界面と設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a composite excavation shape obtained by combining a geological boundary surface and a designed excavation shape. 合成掘削形状の断面形状を示す図である。FIG. 13 shows a cross-sectional profile of a composite excavation profile. 携帯端末の表示画面の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a display screen of a mobile terminal. 本発明の盛土材料の掘削・採取方法を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a method for excavating and extracting fill material according to the present invention.

図1は本実施形態に係る盛土材料の掘削・採取システム(以下、採取システム1という)を示す図で、採取システム1は、施工現場2に配置された掘削機械としてのバックホー10と、運搬車両20と、施工現場2とは別の個所に設けられた管理センター3に設置された地層深さ算出装置30とを備える。
バックホー10は、車体本体11と、掘削手段12と、走行手段13と、位置取得手段14と、送受信機15と、GPSアンテナ16と、送受信アンテナ17とを備える。
掘削手段12は、ブーム12a、アーム12b、及び、バケット12cを備え、車体本体11に搭載されて、施工現場2の盛土材料を掘削・採取する。
走行手段13としては、例えば、無限軌道などの凹凸の多い場所を安定して走行できるタイプのものが好ましい。
位置取得手段14は、GPSアンテナ16で受信した図示しない衛星の電波から、当該バックホー10の車体本体11の絶対座標を取得するとともに、車体本体11に対するバケット12cの相対位置から、バケット12cの位置座標を算出する。なお、バケット12cの位置座標としては、施工現場2、もしくは、施工現場2近傍の所定の地点を原点とする座標系の位置座標とすることが好ましい。
算出されたバケット12cの位置座標は、送受信アンテナ17、地層深さ算出装置30に送られる。なお、送受信アンテナ17は、後述するように、地層深さ算出装置30で算出された地層深さのデータを受信する。
バックホー10の運転席18にはオペレーター40が乗車しており、オペレーター40は、運転席18に設けられた携帯端末19を参照しながら、掘削手段12と走行手段13とを操作して、施工現場2の盛土材料を掘削・採取し、運搬車両20に渡す。
携帯端末19には、バックホー10の現在位置と地層深さの算出値をオペレーター40に視認させるための表示画面19Gが設けられている。
運搬車両20は、走行手段21と荷台22とを備え、バックホー10で採取した土砂を荷台22に積込んで図示しない材料置場まで運搬する。なお、図では、運搬車両20のオペレーターについては省略した。
FIG. 1 shows an excavation and collection system for embankment material according to this embodiment (hereinafter referred to as collection system 1). Collection system 1 comprises a backhoe 10 as an excavation machine arranged at a construction site 2, a transport vehicle 20, and a stratum depth calculation device 30 installed in a management center 3 provided at a location separate from the construction site 2.
The backhoe 10 comprises a vehicle body 11 , an excavation means 12 , a traveling means 13 , a position acquisition means 14 , a transceiver 15 , a GPS antenna 16 , and a transmitting/receiving antenna 17 .
The excavation means 12 includes a boom 12 a, an arm 12 b, and a bucket 12 c, and is mounted on the vehicle body 11 to excavate and collect embankment materials at the construction site 2.
The traveling means 13 is preferably a type that can travel stably on uneven ground, such as a caterpillar track.
The position acquisition means 14 acquires absolute coordinates of the vehicle body 11 of the backhoe 10 from radio waves from a satellite (not shown) received by the GPS antenna 16, and calculates the position coordinates of the bucket 12c from the relative position of the bucket 12c with respect to the vehicle body 11. Note that it is preferable that the position coordinates of the bucket 12c are those of a coordinate system whose origin is the construction site 2 or a specified point in the vicinity of the construction site 2.
The calculated position coordinates of the bucket 12c are sent to the transmitting/receiving antenna 17 and the layer depth calculation device 30. The transmitting/receiving antenna 17 receives data on the layer depth calculated by the layer depth calculation device 30, as described later.
An operator 40 sits in the driver's seat 18 of the backhoe 10, and while referring to a mobile terminal 19 provided in the driver's seat 18, the operator 40 operates the excavation means 12 and the traveling means 13 to excavate and collect fill material from the construction site 2 and hand it over to the transport vehicle 20.
The mobile terminal 19 is provided with a display screen 19G that allows the operator 40 to visually confirm the current position of the backhoe 10 and the calculated value of the depth of the geological layer.
The transport vehicle 20 includes a traveling means 21 and a loading platform 22, and transports the soil collected by the backhoe 10 to a material storage site (not shown) by loading the soil onto the loading platform 22. Note that an operator of the transport vehicle 20 is omitted in the figure.

地層深さ算出装置30は、地形・地質データ取得手段31と、地質・土質モデル作成手段32と、設計掘削形状設定手段33、合成掘削形状作成手段34と、掘削位置取得手段35と、地層深さ算出手段36と、送受信機37と、アンテナ38とを備える。地質データ取得手段31~地層深さ算出手段36までの各手段は、コンピューターのソフトウェアとRAM,ROMなどの記憶手段から構成される。
地形・地質データ取得手段31は、まず、図2(a)に示すように、工事着工前の施工現場2の3次元地形データと3次元地質データとを取り込んで、地質断面図を3次元空間上に配置する。
3次元地形データは、例えば、ドローンなどによる写真測量や3Dレーザースキャナーによる測量により得られる。また、3次元地質データは、予め行ったボーリング調査による地盤調査により得られる。
3次元地形データは、通常、図2(a)の左上の図に示すように、平面図で表せるが、平面図の各点はそれぞれ標高の情報を有しているので、3次元地質データと組み合わせることで、施工現場2の任意の方向の地質断面図を得ることができる。
そして、図2(a)の下側の図に示すように、配置された地質・土質の異なる層の境界点を結ぶことで、図2(b)に示すような、3次元地質境界面を作成する。
図2(a),(b)の符号2A,2B,2Cが互いに地質・土質の異なる地層で、2Aは第1層(表面層)、2Bは第2層、2Cは第3層である。また、S12は第1層2Aと第2層2Bとの境界面、S23は第2層2Bと第3層2Cとの境界面である。
地質・土質モデル作成手段32は、上記の地質境界面で囲まれた空間に地質ソリッドモデルを作成する。本例では、ソリッドモデルとして、図3(a)に示すような、ボクセルモデルを用いた。
ボクセルは3Dピクセルで、内部に地質などの情報を持つ立方体kで表せる。このボクセルモデルを用いることで、掘削土量を精度よく算出することができる。
設計掘削形状設定手段33は、地質ソリッドモデルと予め設定しておいた盛土材料の種類や採取量、ダムの貯水容量、ダムの形状、用地などの様々な要素を考慮して、施工現場2の掘削予定形状である設計掘削形状を設定する。
設計掘削形状は、図3(b)に示すように、2次元の掘削平面図で表せるが、平面図の各点には法面勾配、小段の標高などの情報が記載されており、容易に3次元化できる。
The stratum depth calculation device 30 comprises a topographical and geological data acquisition means 31, a geological and soil model creation means 32, a designed excavation shape setting means 33, a composite excavation shape creation means 34, an excavation position acquisition means 35, a stratum depth calculation means 36, a transceiver 37, and an antenna 38. Each of the means from the geological data acquisition means 31 to the stratum depth calculation means 36 is composed of computer software and storage means such as RAM and ROM.
As shown in FIG. 2(a), the topographical and geological data acquisition means 31 first imports three-dimensional topographical data and three-dimensional geological data of the construction site 2 before construction work begins, and arranges a geological cross-section in three-dimensional space.
The three-dimensional topographical data can be obtained by, for example, photogrammetry using a drone or surveying using a 3D laser scanner. The three-dimensional geological data can be obtained by a ground survey using a boring survey conducted in advance.
Three-dimensional topographical data is usually represented as a plan view, as shown in the upper left diagram of Figure 2(a). Since each point on the plan view has elevation information, by combining this with three-dimensional geological data, it is possible to obtain a geological cross-section view in any direction of the construction site 2.
Then, as shown in the lower diagram of FIG. 2(a), by connecting the boundary points of the arranged layers with different geology and soil properties, a three-dimensional geological boundary surface as shown in FIG. 2(b) is created.
In Figures 2(a) and 2(b), the reference characters 2A, 2B, and 2C denote layers of different geology and soil quality, with 2A being the first layer (surface layer), 2B being the second layer, and 2C being the third layer. Also, S12 is the boundary surface between the first layer 2A and the second layer 2B, and S23 is the boundary surface between the second layer 2B and the third layer 2C.
The geological/soil model creation means 32 creates a geological solid model in the space surrounded by the above-mentioned geological boundary surfaces. In this example, a voxel model as shown in FIG. 3(a) is used as the solid model.
A voxel is a 3D pixel that can be represented as a cube k that contains information about the geology, etc. By using this voxel model, the volume of excavated soil can be calculated with high accuracy.
The design excavation shape setting means 33 sets the design excavation shape, which is the planned excavation shape of the construction site 2, taking into consideration various factors such as the geological solid model and the type and amount of fill material that have been set in advance, the dam's water storage capacity, the dam's shape, and the site.
The design excavation shape can be expressed as a two-dimensional excavation plan as shown in Figure 3(b), but since information such as the slope gradient and berm elevation is recorded at each point on the plan, it can easily be made three-dimensional.

合成掘削形状作成手段34は、図4(a)に示す地層毎のサーフェイスモデルM(2A),M(2B),M(2C)で表された地質境界面と、図4(b)に示す設計掘削形状とを合成し、図4(c)に示すような、設計掘削形状と地質境界面とが組み合わされた合成掘削形状を作成する。
ここで、サーフェイスモデルM(2A)は掘削現場の地表面、M(2B)は第1層2Aと第2層2Bとの境界面S12、M(2C)は第2層2Bと第3層2Cとの境界面S23である。したがって、これらのサーフェイスモデルM(2A),M(2B),M(2C)を、上からM(2A),M(2B),M(2C)の順に鉛直方向に配置したモデルに、設計掘削形状を重ねることにより、各地層の材料採取ラインである合成掘削形状を得ることができる。
図5は、合成掘削形状の断面形状の一例を示す図で、本例では、地質の層を、第1層2A、第2層2B、第3層2Cの3層とした。また、同図の細い一点鎖線は地質境界線、太い一点鎖線は設計掘削形状、太い実線は合成掘削形状(材料採取ライン)である。
なお、同図では、第1層2Aの設計掘削形状と合成掘削形状とがずれているように表示しているが、第1層2Aの設計掘削形状と合成掘削形状とは同じであることはいうまでもない。
また、同図では、第1層2Aの材料取ラインのみを示したが、第2層2Bの材料採取ラインや第3層2Cの材料採取ラインも同様に引くことができる。
このように、合成掘削形状を用いて盛土材料を掘削・採取することで、盛土材料を、採取材料毎に効率よく掘削・採取することができる。
The composite excavation shape creation means 34 combines the geological boundary surfaces represented by the surface models M(2A), M(2B), and M(2C) for each layer shown in Figure 4(a) with the design excavation shape shown in Figure 4(b) to create a composite excavation shape that combines the design excavation shape and the geological boundary surfaces as shown in Figure 4(c).
Here, surface model M(2A) is the ground surface at the excavation site, M(2B) is the boundary surface S12 between the first layer 2A and the second layer 2B, and M(2C) is the boundary surface S23 between the second layer 2B and the third layer 2C. Therefore, by superimposing the designed excavation shape on a model in which these surface models M(2A), M(2B), and M(2C) are arranged vertically from the top in the order of M(2A), M(2B), and M(2C), a composite excavation shape, which is the material extraction line for each layer, can be obtained.
Fig. 5 is a diagram showing an example of the cross-sectional shape of the composite excavation shape, and in this example, the geological layers are three layers, the first layer 2A, the second layer 2B, and the third layer 2C. In addition, the thin dashed dotted line in the figure indicates the geological boundary, the thick dashed dotted line indicates the design excavation shape, and the thick solid line indicates the composite excavation shape (material collection line).
In the figure, the design excavation shape of the first layer 2A and the composite excavation shape are shown as being misaligned, but it goes without saying that the design excavation shape of the first layer 2A and the composite excavation shape are the same.
In addition, in the figure, only the material collection lines for the first layer 2A are shown, but the material collection lines for the second layer 2B and the third layer 2C can also be drawn in the same manner.
In this way, by using the composite excavation shape to excavate and collect embankment materials, the embankment materials can be efficiently excavated and collected for each collected material.

掘削位置取得手段35は、バックホー10の位置取得手段14で算出したバケット12cの位置座標を取得する。具体的には、GPSアンテナ16から送られてきたバケット12cの位置座標のデータが、送受信アンテナ17を介して掘削位置取得手段35に送られる。
地層深さ算出手段36は、バケット12cの位置座標のデータと、合成掘削形状作成手段34で作成した合成掘削形状とから、バケット12cの位置と現在掘削している層とその下部の層との境界面との距離である地層深さDを算出する。
算出された地層深さDは、送受信機37からアンテナ38を介して、バックホー10の車体本体11に搭載された携帯端末19に送られる。
図6(a),(b)は携帯端末19の表示画面19Gの一例を示す図で、(a)図は掘削開始直後の画面、(b)図は第1層2Aの掘削途中の画面で、2Aは現在掘削中の地層(第1層)で、斜線で示すBpは設計掘削形状を示す。
表示画面19Gは、上から見たときのバックホー10の現在位置(x,y)を表示する位置表示部19aと、バックホー10のバケット位置と、第1層2Aと第2層2Bとの地質境界面S12との距離である地層深さD(図1を参照)を表示する深さ表示部19bとを備えている。
オペレーター40は、携帯端末19の表示画面19Gを見ながら盛土材料の掘削・採取を行うことで、盛土材料の採取量(掘削深さ)を適宜調整することができる。
The excavation position acquisition means 35 acquires the position coordinates of the bucket 12c calculated by the position acquisition means 14 of the backhoe 10. Specifically, data on the position coordinates of the bucket 12c sent from the GPS antenna 16 is sent to the excavation position acquisition means 35 via the transmitting/receiving antenna 17.
The stratum depth calculation means 36 calculates the stratum depth D, which is the distance between the position of the bucket 12c and the boundary surface between the layer currently being excavated and the layer below it, from the position coordinate data of the bucket 12c and the composite excavation shape created by the composite excavation shape creation means 34.
The calculated stratum depth D is sent from the transceiver 37 via the antenna 38 to the portable terminal 19 mounted on the vehicle body 11 of the backhoe 10 .
Figures 6(a) and (b) show an example of the display screen 19G of a mobile terminal 19, where (a) shows the screen immediately after drilling has started, and (b) shows the screen during drilling of the first layer 2A, where 2A is the stratum (first layer) currently being drilled, and the shaded area Bp indicates the designed drilling shape.
The display screen 19G is equipped with a position display section 19a which displays the current position (x, y) of the backhoe 10 when viewed from above, and a depth display section 19b which displays the bucket position of the backhoe 10 and the stratum depth D (see Figure 1), which is the distance from the geological boundary surface S12 between the first layer 2A and the second layer 2B.
The operator 40 can excavate and collect embankment material while looking at the display screen 19G of the mobile terminal 19, thereby appropriately adjusting the amount of embankment material to be collected (digging depth).

次に、本発明による盛土材料の掘削・採取方法について、図7のフローチャートを参照して説明する。
始めに施工現場の3次元地形データと3次元地質データとを取得し(ステップS10)、3次元地質モデルである地質・土質モデルを作成する(ステップS11)。
次に、地質・土質モデルと予め設定した地質・土質毎の採取量から、掘削形状の3次元設計形状である設計掘削形状を設定(ステップS12)した後、地質・土質モデルと設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する(ステップS13)。
ステップS14では、GNSSの一つであるGPSを用いて、バックホー10の現在位置を検出する。なお、GLONASSなどのGPS以外のGNSSを用いてもよい。
また、バックホー10の現在位置の検出は、ステップS10~S13の処理と並行して行ってもよい。
次に、バックホー10の現在位置と合成掘削形状とから、バックホー10の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さDを算出(ステップS15)し、この算出された地層の深さのデータを携帯端末19に送る(ステップS16)。
オペレーター40は、携帯端末19の表画面19Gに表示された地質の層の深さDに基づいて、盛土材料の掘削・採取を行う(ステップS17)。
ステップS14~S17の動作は、現在掘削している地層の掘削・採取が終了するまで継続する(ここでは、現在掘削している地層の掘削・採取が終了した時点をENDとした)。
これにより、地質境界面付近で慎重な掘削を行うことができるので、異なる材料の混入を防ぐことができる。
Next, the method for excavating and extracting banking materials according to the present invention will be described with reference to the flow chart of FIG.
First, three-dimensional topographical data and three-dimensional geological data of the construction site are acquired (step S10), and a geological/soil model, which is a three-dimensional geological model, is created (step S11).
Next, a design excavation shape, which is a three-dimensional design shape of the excavation shape, is set from the geology/soil model and the previously set collection volume for each geology/soil type (step S12), and then a composite excavation shape is created by combining the geology/soil model and the design excavation shape (step S13).
In step S14, the GPS, which is one of the GNSS, is used to detect the current position of the backhoe 10. Note that a GNSS other than the GPS, such as GLONASS, may also be used.
Furthermore, the current position of the backhoe 10 may be detected in parallel with the processing of steps S10 to S13.
Next, the depth D of the geological layer currently being excavated, measured from the current position of the backhoe 10, is calculated from the current position of the backhoe 10 and the composite excavation shape (step S15), and the data on the calculated depth of the layer is sent to the mobile terminal 19 (step S16).
The operator 40 excavates and collects embankment materials based on the depth D of the geological layer displayed on the front screen 19G of the mobile terminal 19 (step S17).
The operations of steps S14 to S17 continue until the excavation and collection of the currently excavated stratum is completed (here, the time when the excavation and collection of the currently excavated stratum is completed is defined as END).
This allows careful excavation near geological boundaries, preventing the mixing of different materials.

このように、本発明によれば、掘削時に異なる材料の混入やそれによる材料ロス(捨土の量)を最小限に抑えることができるので、設計形状の掘削を行いながら、盛土材料を効率的に採取・分別することができる。
なお、実際の地質境界の位置が算出された深さのデータと異なった場合には、随時実績を計測して地質・土質モデルのデータを修正・更新することが好ましい。これにより、地質境界面を修正できるので、以降の掘削精度を向上させることができる。
In this way, according to the present invention, the mixing of different materials during excavation and the resulting material loss (amount of waste soil) can be minimized, so that embankment materials can be efficiently collected and separated while excavating to the designed shape.
If the actual location of the geological boundary differs from the calculated depth data, it is preferable to measure the actual results as needed and correct/update the data of the geology/soil model. This allows the geological boundary surface to be corrected, improving the accuracy of subsequent excavation.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。 The present invention has been described above using an embodiment, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiment. It is clear to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiment. It is clear from the claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.

例えば、前記実施の形態では、掘削機械としてバックホー10を用いたが、ショベルカーやブルドーザーなどの他の掘削機械を用いてもよい。
また、前記実施の形態では、地層深さ算出装置30を施工現場2とは別の場所に設けられた管理センター3に設けたが、地層深さ算出装置30をバックホー10に搭載してもよい。
For example, in the above embodiment, the backhoe 10 is used as the excavating machine, but other excavating machines such as a power shovel or a bulldozer may also be used.
In the above embodiment, the geological layer depth calculation device 30 is provided in the management center 3 provided at a location separate from the construction site 2 , but the geological layer depth calculation device 30 may be mounted on the backhoe 10 .

1 盛土材料の掘削・採取システム、2 施工現場、3 管理センター、
10 バックホー、11 車体本体、12 掘削手段、12a ブーム、
12b アーム、12c バケット、13 走行手段、14 位置取得手段、
15 送受信機、16 GPSアンテナ、17 送受信アンテナ、18 運転席、
19 携帯端末、19G 表示画面、
20 運搬車両、21 走行手段、22 荷台、
30 地層深さ算出装置、31 地形・地質データ取得手段、
32 地質・土質モデル作成手段、33 設計掘削形状設定手段、
34 合成掘削形状作成手段、35 掘削位置取得手段、36 地層深さ算出手段、
37 送受信機、38 アンテナ。
1. Embankment material excavation and collection system, 2. Construction site, 3. Management center,
10 Backhoe, 11 Vehicle body, 12 Excavation means, 12a Boom,
12b arm, 12c bucket, 13 travel means, 14 position acquisition means,
15 Transmitter/receiver, 16 GPS antenna, 17 Transmitting/receiving antenna, 18 Driver's seat,
19 Mobile terminal, 19G display screen,
20 Transport vehicle, 21 Travel means, 22 Cargo platform,
30 geological layer depth calculation device, 31 topographical and geological data acquisition means,
32 Geological/soil model creation means, 33 Design excavation shape setting means,
34 synthetic excavation shape creation means, 35 excavation position acquisition means, 36 stratum depth calculation means,
37 transceiver, 38 antenna.

Claims (5)

施工現場の3次元地形データと3次元地質データとから3次元地質モデルを生成するステップと、
前記3次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の3次元設計形状である設計掘削形状を設定するステップと、
前記3次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成するステップと、
掘削機械の現在位置を検出するステップと、
前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出するステップと、
前記算出された深さに基づいて、前記地質の層を掘削するステップと、
を備える盛土材料の掘削・採取方法。
generating a three-dimensional geological model from the three-dimensional topographical data and the three-dimensional geological data of the construction site;
A step of setting a design excavation shape, which is a three-dimensional design shape of an excavation shape at the construction site, based on the three-dimensional geological model and a preset collection amount for each material;
creating a composite excavation shape by combining the three-dimensional geological model and the design excavation shape;
Detecting a current position of an excavation machine;
calculating a depth of the geological layer currently being excavated, measured from the current position of the excavation machine, based on the current position of the excavation machine and the composite excavation shape;
excavating the geological layer based on the calculated depth;
A method for excavating and extracting embankment materials comprising:
実際の地質境界の位置が前記算出された深さのデータと異なった場合には、実績を計測し、前記3次元地質モデルのデータを更新することを特徴とする請求項1に記載の盛土材料の掘削・採取方法。 The method for excavating and extracting embankment material described in claim 1, characterized in that if the actual position of the geological boundary differs from the calculated depth data, the actual results are measured and the data of the three-dimensional geological model is updated. 施工現場の土砂を掘削する掘削機械と、
前記掘削機械の現在位置の3次元座標を検出する位置検出手段と、
前記施工現場の3次元地図データと3次元地質データとから3次元地質モデルを生成する3次元地質モデル生成手段と、前記3次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の3次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、前記3次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段を有する地層深さ算出装置と、を備える盛土材料の掘削・採取システム。
An excavation machine for excavating soil and sand at a construction site;
a position detection means for detecting three-dimensional coordinates of a current position of the excavation machine;
A system for excavating and extracting embankment materials, comprising: a three-dimensional geological model generating means for generating a three-dimensional geological model from three-dimensional map data and three-dimensional geological data of the construction site; a designed excavation shape setting means for setting a designed excavation shape, which is a three-dimensional design shape of the excavation shape of the construction site, from the three-dimensional geological model and a predetermined extraction amount for each material; a composite excavation shape creating means for creating a composite excavation shape by combining the three-dimensional geological model and the designed excavation shape; and a stratum depth calculation device having a stratum depth calculation means for calculating the depth of the geological layer currently being excavated, measured from the current position of the excavation machine, from the current position of the excavation machine detected by the position detection means and the composite excavation shape.
前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段を設けたことを特徴とする請求項3に記載の盛土材料の掘削・採取システム。 The system for excavating and extracting embankment materials according to claim 3, further comprising a display means for displaying the calculated depth of the geological layer. 施工現場の土砂を掘削して採取する掘削機械であって、
土砂の掘削・採取手段を備えた掘削機械本体と、
前記掘削機械の現在位置の3次元座標を検出する位置検出手段と、
前記施工現場の3次元地図データと3次元地質データとから3次元地質モデルを生成する3次元地質モデル生成手段と、前記3次元地質モデルと予め設定した材料毎の採取量とから、前記施工現場の掘削形状の3次元設計形状である設計掘削形状を設定する設計掘削形状設定手段と、
前記3次元地質モデルと前記設計掘削形状とを合成した合成掘削形状を作成する合成掘削形状作成手段と、
前記位置検出手段で検出された前記掘削機械の現在位置と前記合成掘削形状とから、前記掘削機械の現在位置から測った、現在掘削している地質の層の深さを算出する地層深さ算出手段と、
前記算出された地質の層の深さを表示する表示手段と、
を備えた掘削機械。
An excavation machine for excavating and collecting soil and sand at a construction site,
An excavation machine body equipped with means for excavating and collecting soil and sand;
a position detection means for detecting three-dimensional coordinates of a current position of the excavation machine;
a three-dimensional geological model generating means for generating a three-dimensional geological model from the three-dimensional map data and the three-dimensional geological data of the construction site; and a design excavation shape setting means for setting a design excavation shape, which is a three-dimensional design shape of the excavation shape of the construction site, from the three-dimensional geological model and a preset amount of each material to be extracted.
a synthetic excavation shape creating means for creating a synthetic excavation shape by synthesizing the three-dimensional geological model and the designed excavation shape;
a stratum depth calculation means for calculating the depth of the geological layer currently being excavated, measured from the current position of the excavation machine, based on the current position of the excavation machine detected by the position detection means and the composite excavation shape;
a display means for displaying the calculated geological layer depth;
A drilling machine equipped with
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