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

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
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NI Developer Community
"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。"
(
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白石雅嗣, 株式会社錢高組（The Zenitaka Corporation） (http://www.zenitaka.co.jp/)
)
エンジニアや研究者
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で、最新のサンプル
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アルを検索したり共
同作成したりできます。
(
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ナショナルインスツ
ルメンツとは
ナショナルインスツルメンツは、テス
ト、制御、および組込設計アプリケー
ション用グラフィカルシステム開発プ
ラットフォームを提供することによっ
て、システムの設計、試作、および実
装のあり方に変革をもたらしていま
す。
(
http://www.ni.com/company/standardize.htm
)‌NIについてもっと知る (
http://www.ni.com/company/standardize.htm
)
(
課題:
/cms/images/casestudies/zenitakagumi_fig4.png?size
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。
ユーザ事例の続きを読む
お客様名:
白石雅嗣 - 株式会社錢高組（The Zenitaka Corporation） (http://www.zenitaka.co.jp/)
平澤啓 - 株式会社イー・アイ・ソル（EISOL） (http://www.ei-sol.co.jp/)
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
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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。
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図1. 開発したシステムの概念図
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。
図2. CompactRIO によって構成した制御端末
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。
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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。
図3. 入坑者や作業環境の情報を表示する画面
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）。
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図4. 消費電力を可視化した結果
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
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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。
お客様情報:
白石雅嗣
株式会社錢高組（The Zenitaka Corporation） (http://www.zenitaka.co.jp/)
Tokyo
日本
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
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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
法律関連事項
このユーザ事例（この「ユーザ事例」）はナショナルインスツルメンツ（「NI」）の顧客によって作成されたものです。このユー
ザ事例は「現状のまま」提供され、一切の保証を伴いません。また、このユーザ事例の使用については、本サイトの使
用条件でより具体的に記載されているとおり、一定の制限を受けます。
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サポートリクエスト (
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NIについて (http://www.ni.com/company/ja/)
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