土木業界における GPS

GPS を土木業界で応用すれば、請負業者にとって有益な資産となり、仕事の全体的な効率を高めることができます。GPS 衛星の位置情報が公開されているため、誰もがその利点を活用できます。重機メーカーは、GPSガイダンス システムメーカーと連携して、1990 年代後半から重機用の GPS ガイダンス システムを共同開発してきました。これらのシステムにより、重機のオペレーターは GPS 位置データを使用して、実際の勾配と設計上の特徴に基づいて決定を下すことができます。一部の重機ガイダンス システムでは、特定の作業現場用に作成された設定設計に基づいて、機械の器具を自動的に操作することもできます。GPS ガイダンス システムの許容範囲は 2 ～ 3 センチメートルと小さいため、オペレーターのスキル レベルに依存する場合と比べて非常に正確です。機械の GPS システムには設計勾配から外れたことを認識する機能があるため、特定の作業に必要な測量費と資材費を削減できます。

GPS 技術は、1990 年代後半に土木機械の誘導システムとして正式に導入されました。このときから、多くの土木機械メーカーが工場オプションとして GPS やその他の誘導システムを提供しています。また、土木業界向けの GPS 誘導システムを後付けオプションとして販売している企業も数多くあります。重機誘導システムの主要 2 社は、TrimbleとTopconです。2002 年 4 月、Trimble とCaterpillar Inc. は、Caterpillar Trimble Controls Technology LLC (CTCT) という合弁会社を設立しました。「この合弁会社は、現場設計情報と正確な測位技術を組み合わせて、ブルドーザーブレードやその他の工作機械を自動的に制御する機械制御製品を開発しています。」 ^[1]既存の機械を GPS 誘導用に後付けするためのアフターマーケットキットはさまざまな企業から入手可能でしたが、Caterpillar Inc. は、ディーラーから ARO (Attachment Ready Option) と呼ばれる工場オプションとして GPS 誘導システムを提供した最初の重機メーカーでした。^[2] ジョンディアは2006年に「統合グレードコントロール」と呼ばれる独自のAROバージョンを多くのトラック型トラクター（TTT）とモーターグレーダー（MG）に搭載しました。^[3]

現在、重機業界ではさまざまな GPS システムが使用されていますが、それらは通常、「表示のみ」または「完全自動」のいずれかに分類できます。^[4]どちらのシステムも、1 つまたは 2 つの GPS 受信機を利用できます。GPS受信機を1 つだけ使用すると、誘導システムが機械の位置を現場設計に対してどのように方向付けるかが制限されます。GPS 受信機を 2 つ使用すると、誘導システムは 2 つの位置ポイントを取得し、機械が現場計画に対してどの角度にあるかを計算できます。以下では、「表示のみ」と「完全自動」について詳しく説明します。

表示のみでは、GPS の位置情報を使用してオペレーターをガイドします。使用するシステムによっては、土木プロジェクト用に作成された特定の設計サイト上に機械の位置を表示できます。このシステムでは、オペレーターがサイトの設計に合わせて機械の器具を操縦および移動します。表示のみのシステムは、機械の器具制御システムに接続するためのハードウェアを必要としないため、通常は安価で複雑ではありません。表示のみのシステムは通常、機械自体に取り付けられた単一の GPS 受信機を使用し、角度センサーを使用して機械の傾斜を計算できます。これらのシステムの精度は、サイトにサイト固有の補正を中継できるベース ステーションがあるかどうかによって異なります。サイトにベース ステーションがない場合、表示のみのシステムは衛星情報のみを使用できますが、精度は通常 1 ～ 2 メートルの範囲です。ベース ステーションを使用すると、サイト固有の補正をマシンに送信できるため、リアルタイム キネマティクス^[5] (RTK) によって精度が向上します。サイト固有の補正により、表示のみのシステムの精度は約 2 ～ 3 センチメートル向上します。一般的に使用される機械は、土壌圧縮機 (SC)、トラック型トラクター (TTT)、モーター グレーダー (MG) のみです。ベース ステーションの使用は、プロジェクトの精度要件によって異なります。鉱山現場で TTT を使用して表土を除去するプロジェクトでは、MG を使用して道路の基盤を整地する場合ほど 2 ～ 3 センチメートルの精度は必要でない場合があります。

完全自動システムでは、機械の器具を GPS ガイダンス システムで制御できます。これは通常、所定の設計または勾配で正確なレベルの材料を移動する必要がある精密グレーディング アプリケーションで使用されます。このシステムの利点は、GPS と RTK で達成できる精度によるものですが、オンサイト ベース ステーションが必要です。これらのシステムでは、1 つまたは 2 つの GPS 受信機を使用でき、機械のブレードに取り付けられます。より高度なシステムでは、機械を 3 次元設計で制御できるため、2 つの受信機を使用します。完全自動システムでは、GPS ガイダンス システムを機械の器具制御に統合する必要があります。一部のメーカーは、オプションとしてこれらの制御が機械にすでに統合された状態で機械を販売しています。既存の機械を完全自動制御に改造できるアフターマーケット キットが利用可能ですが、GPS システムが機械の器具制御とインターフェイスする必要があります。これは通常、2 つの方法のいずれかで行われます。機械の器具が電気油圧式 (EH) を使用して制御されている場合、GPS システムは機械の器具レバーと並行してレバー コマンドを入力できます。 GPS システムからの出力は、機械の電子制御モジュールによって、オペレーターが与えたレバー コマンドとして解釈され、それに応じて作業機が移動します。機械の作業機制御に GPS を統合する 2 番目の方法は、機械のパイロット油圧バルブと並列に 2 番目のパイロット油圧バルブを追加することです。この 2 番目のバルブは GPS システムによって制御され、システム設計とブレードの位置に応じて作業機バルブを移動します。完全自動 GPS システムを使用する機械の種類には、TTT と MG があります。

土木業界で GPS をうまく活用するには、正確な現場設計が鍵となります。通常、エンジニアリング会社によって作成される現場設計は、元の設計ファイルから機械の GPS ディスプレイにインポートできます。ほとんどの GPS ガイダンス システムには、特定の設計がなくても、オペレーターが特定の勾配高度または勾配角度を定義できる機能もあります。次に、GPS ガイダンス システムを利用する一般的な機械アプリケーションについて説明します。

トラック型トラクター TTT は、特に細かい整地に使用される小型モデルにおいて、GPS ガイダンス システム用の非常に人気のあるマシン プラットフォームです。Caterpillar Inc. と John Deere は、これらのモデルの一部に工場オプションとして完全自動統合 GPS を提供しています。TTT で GPS が使用される例としては、道路プロジェクトが挙げられます。

モーターグレーダーも、GPS の精度を活用できる細かい整地作業も実行できるため、人気の高い機械プラットフォームです。Caterpillar Inc. と John Deere も GPS を統合したモデルを提供しています。

油圧ショベルは GPS 技術の統合が始まったばかりで、通常は指示のみです。ショベルは GPS 技術を、機械のブーム、スティック、バケットに統合された角度センサーと組み合わせて使用​​します。これにより、オペレーターは実際のバケットの位置を GPS ディスプレイ上の現場設計と比較することで、掘削の深さを確認できます。近年、コマツは半自動機能を備えたショベルをリリースしました。これらの機能により、機械はブームとバケットを自動的に上昇させ、所定の設計勾配を維持します。これらの機械には自動停止機能もあり、バケットとブームの機能が所定の設計勾配を超えて下がるのを防ぎます。https://www.youtube.com/watch?v=X0ELceB420I

スクレーパーは GPS 技術を使用しており、通常は指示のみです。GPS アンテナは通常、スクレーパーのボウルに取り付けられており、オペレーターは切断の深さを現場計画と比較できます。これにより、大量の材料を移動する際における曖昧さが大幅に軽減されます。

GPS 技術は、ゴミ圧縮機と土壌圧縮機の両方に採用されています。一般的なシステムは、圧縮機が移動した場所を記録し、そのエリアの圧縮マップを作成します。通常、ディスプレイには、機械がエリアを圧縮したことを示すさまざまな色が表示されます。

GPS システムの初期コストは通常​​、機械 1 台あたり約 10 万ドルと高額です。GPS を適切に使用すると、従来の方法に比べて生産性を平均で 30% 向上させることができます。また、高精度を実現できるため、必要な材料が少なくなるため、材料費も削減できます。建設プロジェクトによっては、効率性の利点によりプロジェクト全体のコストを削減できるため、GPS の使用が必須となる場合もあります。GPS システムの中には、ユーザーがシステムを他の機械に切り替えることができるものもあり、このツールは非常に多用途です。請負業者は、作業の 1 つの側面を 30% 向上させても、別の領域が追いつかない可能性があるため、全体の効率は向上しない可能性があるため、効率性の向上を計画する必要があります。「すべてを正しく行い、全体の生産性をたとえば 30% 向上させると、将来的に 30% 多く作業するか、作業員を早めに帰宅させる必要があります」。^[4]

GPS は土木業界で非常に多用途ですが、限界もあります。GPS 衛星信号は、雲を除いて空が遮られていない場合にのみ受信できます。たとえば、請負業者が建物内のコンクリート床の準備のために整地作業を行う場合、屋根が GPS 衛星の視界を遮り、システムが機能しなくなります。また、構造物に近づきすぎると、機械から空が見えなくなり、デッド ゾーンが生じる可能性があります。高圧電力線の下で作業する場合も、デッド ゾーンが生じる可能性があります。GPS 衛星の受信範囲は、一日のうちの特定の時間帯に弱くなる場合があり、機械のシステムが使用できる衛星の数が減ります。これはすべて、地理的な場所と一日の時間帯によって異なります。GPS 技術の向上と GLONASS (ロシアの GNSS 衛星) 衛星の追加により、この問題は軽減されました。前述のように、GPS の全体的な精度を高めるには、ベース ステーションを購入して使用する必要があり、これには追加コストがかかります。

GPS は建設業界に引き続き導入され、まもなく業界標準となるでしょう。GPS を活用した自律走行車が現在開発中であり、将来的には土木業界にもそのような機能が組み込まれる可能性があります。すでに、工場から GPS が組み込まれた新しい機械が出荷されています。可能性は無限であり、土木業界で GPS が他にどのような実用的な用途で利用されるかは誰にもわかりません。

3Dマシン制御の将来のユーザー向けの最初のユーザー指向のWebリソースは、2010年に作成されました。ケロッグレポート^[6]は、市場で入手可能な主要なシステムの詳細な比較を公開し、200を超えるシステム機能を評価しました。このレポートは、テクノロジーの進化に合わせて更新され続けています。