CompactRIO​で​トンネル​工事​向け​IoT​システム​を​構築、​安全​管理​と​省エネ​を​同時に​実現

"CompactRIO​によって​実現​した​IoT​システム​により、​トンネル工事の現場に出入りする作業員の行動履歴を正確に把握できるようになった。​それ​と同時に、​システム​運用​により、​工事​現場​で​消費​さ​れる​電力​を​従来​に​比べ​て​約​2​割​削減​できる​こと​を​見込む。"

- Masatsugu SHIRAISHI, 株式会社​錢​高​組​(The Zenitaka Corporation)

課題

山岳​トンネル​工事​の​現場​における​2​つ​の​課題​を​解決​できる​システム​を​構築​する。​1​つ​目​の​課題​は、​作業員​の​安全​を​確保​する​ため​に、​入坑​管理​や​行動​履歴​の​把握​を​電子​的​に​行える​よう​に​する​こと​で​ある。​もう​1​つ​の​課題​は、​工事​現場​で​消費​さ​れる​電力​量​を​自動的​に​削減​できる​仕組み​を​構築​する​こと​で​ある

ソリューション

CompactRIO​を​使用​し、​作業員​や​車両​の​検知、​粉塵​や​可燃性​ガス​など​の​濃度​測定、​各種​電気​機器​の​監視/​制御​が​可能​な​IoT​システム​を​開発​する。​収集​した​情報​を​基​に、​作業員​の​安全​を​確保​できる​こと​を​確認​した​うえ​で、​照明​や​換気​ファン​の​自動​制御​を​行う​こと​によって​無駄​な​消費​電力​を​削減​する。

作成​者:

Masatsugu SHIRAISHI - 株式会社​錢​高​組​(The Zenitaka Corporation)
​Kei HIRASAWA - 株式会社​イー・​アイ・​ソル​(EISOL)

 

背景

錢​高​組​は、​庁舎、​オフィス​ビル、​商業​施設​など​を​対象​と​する​建築​事業​と、​トンネル、​橋梁、​ダム​など​を​対象​と​する​土木​事業​を​2​つ​の​柱​として​展開​し​て​いる。​それらの​なか​で、​山岳​トンネル​の​工事​について​は​従来​から​2​つ​の​課題​が​存在​し​てい​た。​その​課題​と​は​「安全​性​の​向上」​と​「消費​電力​の​削減」​で​ある。

 

山岳​トンネル​の​工事​では​非常​に​多く​の​電力​を​消費​する。​施工​用​の​機械​や​工事​用​の​照明、​換気​ファン​など​多く​の​電気​機器​が​昼夜​通し​て​使用​さ​れる​から​で​ある。​ところが、​電力​の​消費量​について​は、​一般​的​に​厳密​に​管理​さ​れ​て​いる​と​は​言​え​ない。​電力​会社​から​明細​書​が​送​ら​れ​て​きた​とき​に、​どれ​くらい​の​電力​を​消費​した​の​か​が​わかる​といった​こと​が​少​なく​ない​ので​ある。​場合​によって​は、​最大​需要​電力​を​抑える​ため​に、​デマンド​監視​装置​が​導入​さ​れる​こと​も​ある。​ただ、​その場合も契約電力を超過しないよう警報を受け取ったり、​電力​の​総​消費量​を​把握​した​り​する​こと​が​可能​に​なる​だけ​だ。​消費​電力​の​削減​に​取り組む​ため​に​は、​何​に​どれ​だけ​の​電力​が​使​われ​て​いる​の​か​という​内訳​を​把握​しな​け​れ​ば​なら​ない。​つまり、​消費​電力​の​可視​化​が​必須​だ​という​こと​で​ある。

 

一方​の​安全​性​について​も、​必ずしも​厳格​な​管理​が​行​われ​て​いる​と​は​言​え​ない。​トンネル​工事​の​現場​では、​現在​でも​「名札」​による​入坑​管理​が​行​われ​て​いる​こと​が​少​なく​ない。​つまり、​表、​裏​が​それぞれ​赤、​白​に​塗​ら​れ​た​名札​を​坑道​の​入口​に​用意​し​て​おき、​入坑​時に​各自​が​それ​を​裏返す​という​方法​で​ある。​名札​を​裏返す​の​を​誰か​が​忘れ​て​しま​え​ば、​適切​な​管理​が​行​われ​てい​ない​状態​に​陥​って​しまう​ことに​なる。

 

課題

上述​した​よう​な​状況​を​改善​する​ため​に、​錢​高​組​では、​トンネル​工事​における​安全​性​を​向上​する​と同時に、​消費​電力​の​削減​も​実現​する​システム​を​構築​した​いと​考え​た。​より​詳​しく​言​え​ば、​山岳​トンネル​の​工事​現場​において、​坑内​の​どこ​に​誰​が​いる​の​か​を​明確​にし、​坑内​で​どの​よう​な​作業​が​行​われ​て​いる​の​か​を​正確​に​把握​し​て、​全​作業員​の​安全​を​維持​した​まま、​電気​設備​を​細か​く​制御​し​て​無駄​な​電力​を​削減​する​という​もの​で​ある。

 

コンセプト​は​固​まっ​た​ものの、​工事​の​現場​に​設置​し​て​も​壊​れ​ない​堅牢​な​ハードウェア​は​存在​する​の​か、​それら​は​作業​環境​の​変化​に​応​じ​て​問題​なく​移動​させる​こと​は​できる​の​か、​RFID​による人や車両の検知は正しく行えるのかといった具合に懸念は尽きなかった。​このように、​錢​高​組​として​は​初めて​取り組む​事柄​が​多い​システム​で​あっ​た​が、​実現​性​の​高い​提案​を​受け​た​イー・​アイ・​ソル​に​共同​開発​の​パートナー​として​協力​を​仰ぐ​ことに​した。

 

ソリューション/​効果


​錢​高​組​から​システム​の​構想​と​要件​を​提示​さ​れ​た​イー・​アイ・​ソル​は、​それに応えるためにさまざまな提案を行った。​その​なか​で、​システム​を​具現​化​する​ため​の​手段​として、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​(NI)​の​製品​を​提案​した。​具体​的​に​は、​ソフトウェア​プラットフォーム​として​NI LabVIEW​を​使用​し、​ハードウェア​プラットフォーム​として​は​NI CompactRIO​を使用してシステムを構築することになった。

 

 

図​1​に​示し​た​の​が、​錢​高​組​と​イー・​アイ・​ソル​が​共同​で​開発​した​安全​対策・​省エネ​制御​システム​「TUNNEL EYE」​の​概念​図​で​ある。​この​システム​は、​IoT​を​活用​する​こと​により、​山岳​トンネル​の​工事​における​安全​管理​の​ため​の​機能​と​消費​電力​を​削減​する​ため​の​機能​を​同時に​提供​する。​2016​年​3​月​の​時点​で、​錢​高​組​による​高松​自動車​道 志度​トンネル​の​工事​現場​に​試験​的​に​導入​さ​れ​て​いる。

 

 

この​システム​は、​工事​現場​の​事務所​など​に​設置​さ​れ​た​サーバ​と、​IP​アドレス​が​割り当て​ら​れ​た​複数​の​制御​端末​で​構成​さ​れる​(図​2)。​制御​端末​として​は​CompactRIO​を​使用​し、​必要​な​機能​は​LabVIEW​によって​開発​した。​各​制御​端末​は、​入坑​者​や​工事​車両​を​検知​する​ため​の​RFID​リーダ、​粉塵​(ふん​じん)​や​可燃性​ガス​など​の​濃度​を​測定​する​ため​の​濃度​計、​工事​用​の​照明/​換気​ファン/​トンネル​掘削​機械​の​稼働​状態​を​監視​する​ため​の​電力​計​など​を​備え​て​いる。​各​端末​は、​制御​の​対象​と​なる​電気​機器​や​100 m​ごとに配備されている分電盤に取り付けられ、​サーバ​と​は​ネットワーク​で​結​ば​れ​て​いる。

 

各​制御​端末​は、​入坑​者​や​車両​の​位置、​各種​ガス​の​濃度​など​の​データ​を​取得​し、​それら​を​サーバ​に​送信​する。​サーバ​側​では​受信​した​データ​の​分析/​処理​を​行い、​結果​に​応​じ​て​照明​や​換気​ファン​を​制御​する​ため​の​指示​を​端末​に​送信​する。​各種の測定データと電気機器とを関連づけ、​IoT​で​相互​通信​を​行​って​自動的​に​消費​電力​を​削減​する​ため​の​制御​を​行う​仕組み​だ。​CompactRIO​を​利用​した​分散​計測​システム​では、​CompactRIO​で​測定​を​行​って​データ​を​処理​し、​結果​を​サーバ​に​一方​的​に​アップ​ストリーム​する​ケース​が​多い。​それ​に対し、​TUNNEL EYE​では​サーバ​から​CompactRIO​側​へ​の​ダウン​ストリーム​も​行う。​そうした​双方向​通信​を​利用​し​て​いる​点​が​特徴​の​1​つ​だ。

 

このように​構成​した​システム​によって、​安全​性​の​向上、​消費​電力​の​削減​の​それぞれ​について​以下​に​示す​よう​な​効果​を​得る​こと​が​でき​た。

 

 

まず、​安全​性​の​向上​に関して​は、​各人​が​携帯​する​RFID​タグ​を​利用​する​こと​で、​入坑​管理​の​電子​化​を​図る​こと​が​でき​た​(図​3)。​それだけ​で​なく、​誰​が​どこ​に​いる​の​か​を​把握​した​り、​坑内をどのように移動したのかを記録したりすることも可能になった。​仮に​坑内​で​火災​や​落盤​など​の​緊急​事態​が​発生​した​として​も、​行動​履歴​によって​所在​を​追跡​する​こと​が​可能​に​な​っ​た​という​こと​だ。

 

 

この​よう​な​入坑​管理​システム​は、​これまで​まったく​存在​し​なか​っ​た​という​わけ​では​ない。​ただ、​今回​の​システム​では、​入坑​者​の​情報​を、​照明​や​換気​ファン​の​自動​制御​と​関連​付け​て​いる​点​が​大​きく​異なる。​つまり、​安全​確認​の​機能​に​連動​し​て​省エネ​の​機能​が​働く​よう​に​な​って​いる​の​だ。​その​動作​を​土砂​の​搬出​という​作業​工程​を​例​にとって​説明​する。​この​工程​では、​大型​の​ダンプ​トラック​が​トンネル​内​を​往来​する​ことに​なる。​そこで、​その​トラック​の​動き​を​検知​し、​トンネル​内​の​照明​を​通常​より​も​明​る​く​する​よう​制御​する。​同時に、​トラック​から​の​排気​ガス​や​掘削​で​生​じ​た​粉塵​が​舞​いや​すく​なる​ので、​換気​ファン​の​風量​も​増やす​よう​に​制御​を​行う。​もう​1​つ​の​例​として、​トンネル​工事​の​先端​部​(切羽)​に​作業員​がい​て、​電気​機器​で​ある​ドリル​ジャンボ​が​稼働​し​て​いる​ケース​を​考える。​その​場合、​車両​の​往来​は​なく、​ガス​や​粉塵​は​発生​し​にくい​ので、​照明​の​照度​を​下げ​て、​換気​ファン​の​風量​を​弱める​という​制御​を​行う。​このように、​入坑​者​や​工事​車両​の​状態、​施工​機械​の​稼働​状態、​各種​ガス​の​濃度​の​状態​の​組み合わせ​に​応​じ、​照明​と​換気​ファン​を​自動的​に​制御​する​こと​で、​無駄​な​電力​消費​を​抑える​こと​が​できる。​また、​安全が確認できれば、​タブレット​型​端末​から​消灯​や​停止​といった​操作​を​行​って​も​構​わ​ない。​加​えて、​省エネ​を​図る​ため​の​基本​的​な​取り組み​として、​現場​で​消費​さ​れる​電力​の​内訳​を​可視​化​する​こと​も​可能​に​なる​(図​4)。

 

消費​電力​の​削減​に​は、​特に​換気​ファン​の​制御​が​大​きく​寄与​する。​通常​は、​連続​し​て​最​高速​で​運転​する​の​だが、​実際​に​は​粉塵​が​少​な​け​れ​ば​それほど​の​強​さ​は​必要​ない。​そこで、​濃度​計​によって​粉塵​の​量​を​測定​し、​その​結果​に​応​じ​て​強度​を​変更​す​れ​ば​無駄​な​電力​を​消費​し​なく​て​済む。​この​手法​は​従来​から​活用​さ​れ​てい​た​の​だが、​TUNNEL EYE​の​手法​に​は​大​きく​異なる​点​が​ある。​濃度​計​は、​切羽​で​の​建設​用​機械​と​の​接触​や、​発破​など​による​故障​を​防ぐ​ため​に、​切羽​から​50 m​ほど​離れ​た​位置​に​配置​さ​れる。​そのため、​従来​の​方法​では​濃度​計​が​粉塵​を​とら​え​た​ときには、​すでに​切羽​が​高​濃度​の​粉塵​環境​に​さら​さ​れ​て​いる​という​こと​が​あっ​た。​その​よう​な​状態​に​な​って​から​風量​を​最​高速​に​制御​した​の​では​遅い​と​言える。​それ​に対し、​今回​の​システム​では、​人​や​工事​車両​を​検知​し、​各​装置​の​消費​電力​を​測定​し、​濃度​の​測定​も​行​って​いる。​それらの​情報​に​基​づ​い​て、​坑内​で​どの​よう​な​作業​が​行​われ​て​いる​の​か​を​自動的​に​判断​し​て​いる。​その​結果、​これから粉塵の量が増える作業が行われるということがわかったら、​実際​に​粉塵​の​濃度​が​高​く​なる​前​に、​換気​ファン​が​自動的​に​最​高速​に​設定​さ​れる。​これ​により、​従来​の​方法​より​も​安全​を​維持​する​ため​の​確実​性​が​高​ま​って​いる。​この​種​の​制御​フロー​について​何​度​も​プログラム​を​修正​し​て​最適​化​を​図​っ​た​結果、​スムーズ​な​運用​が​可能​に​なり、​効率​的​な​省エネ​も​合わせ​て​実現​する​こと​が​でき​た。

 

TUNNEL EYE​の​設計/​実装​は、​わずか​2​ヶ月​の​うち​に​完了​する​こと​が​でき​た。​その後​は​テスト​と​修正​が​繰​り​返​さ​れ​た​わけ​だが、​その​作業​も​1​ヶ月​間​で​収束​した。​計​3​ヶ月​という​短期​開発​を​実現​でき​た​理由​として​は、​再​構成​が​可能​な​CompactRIO​と、​グラフィカル​開発​が​可能​な​LabVIEW​による​ところが​大きい。

 

今後​の​展開

錢​高​組​では、​今後​の​山岳​トンネル​の​工事​に​も​新​システム​を​適用​し​てい​く​予定​で​ある。​ただ、​最初​の​現場​で​運用​を​始め​た​段階​なので、​今後​の​展開​について​明確​な​決定​事項​が​ある​わけ​では​ない。​それでも、​システム​の​拡張​性/​柔軟性​について​は、​ソフトウェア​で​実現​する​部分​は​今回​の​実績​を​ベース​として​どの​よう​な​現場​でも​対応​できる​よう、​ある程度​の​カスタマイズ​を​施せる​よう​に​な​って​いる。​また、​現場​によって​は、​換気ファンに加えて集塵機も使ったり、​土砂​の​搬出​は​トラック​では​なく​連続​ベルト​コンベア​を​使​っ​たり​といった​違い​が​ある​が、​モジュール​式​の​CompactRIO​で​あれ​ば、​そうした​違い​に​も​対応​できる​はず​だ。​さらに、​現場​から​は、​人手​の​かかる​作業​を​自動化​した​い​といった​要望​も​ある​ので、​今後​は​そういう​方向​で​システム​が​進化​し​てい​く​ことに​なる​かも​し​れ​ない。

 

一方、​イー・​アイ・​ソル​は​TUNNEL EYE​の​名称​で​この​システム​を​外部​に​販売​し​てい​きた​いと​考え​て​いる。​安全​管理​や​省エネ​を​目的​と​する​システム​は​すでに​存在​する​が、​それら​を​同時に​実現​する​システム​は​見当​たら​ない。​2​つ​の​課題​を​同時に​解決​できる​TUNNEL EYE​ならでは​の​効果​を​訴求​し​てい​きた​い。

 

著者​情報

Masatsugu SHIRAISHI
株式会社​錢​高​組​(The Zenitaka Corporation)
​Tokyo
​Japan

図​1. ​ ​開発​した​システム​の​概念​図 ​
図​2. ​ ​CompactRIO​によって​構成​した​制御​端末 ​
図​3. ​ ​入坑​者​や​作業​環境​の​情報​を​表示​する​画面 ​
図​4. ​ ​消費​電力​を​可視​化​した​結果 ​