HPE ProLiant ML310e Gen8とNI CompactRIOを採用し、
イー・アイ・ソルと共同でシステムを開発。作業環境の安全管理と省エネを同時に実現

「HPE ProLiant ML310e Gen 8とNI 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りました。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んでいます。」

株式会社錢高組 技術本部 技術研究所 主任研究員 白石 雅嗣氏
株式会社イー・アイ・ソル 営業部 部長 平澤 啓氏

 

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。

業界

建築・土木

目的

  • 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の構築。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おこなえるようにすること。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。

アプローチ

  • HPE ProLiant ML310e Gen 8とNI CompactRIOを使用し、作業員や車両の検知、粉塵(ふんじん)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おこなうことによって無駄な消費電力を削減する。

ITの効果

  • RFIDとIoTの活用により、作業員の入坑管理や行動履歴、車両の位置などを電子的に可視化。さらに、そのデータを基に、実際の粉塵やガスの濃度だけでなく、様々なデータを総合的に分析し、照明や換気などの動作最適化を実現
  • 制御端末としてNI CompactRIOを採用。またこれらの端末と双方向通信し、情報を処理するための管理サーバーとして、管理性とコストパフォーマンスに優れたHPE ProLiant ML310e Gen8を導入

ビジネスの効果

  • 作業環境の綿密な管理により、火災や落盤などの緊急事態にも誰がどこにいるの か即時に把握できる環境を整え、作業の安全性が向上
  • 照明や換気の自動制御により、莫大な電力を消費するトンネル工事の省電力化を実現
 

チャレンジ


消費電力の可視化と確実な入坑管理

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おこな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」による入坑管理がおこな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、適切な管理がおこなわれていない状態に陥ってしまうことになる。

 

ソリューション


情報収集と制御をNI CompactRIOで実現、サーバーで情報を処理

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おこな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おこな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。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様々な提案をおこなった。そのなかで、システムを具現化するための手段として、ヒューレット・パッカード エンタープライズ(HPE)と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HPE ProLiant ML310e Gen 8とNI CompactRIOの組み合わせ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ーと、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リーダー、粉塵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100mごとに配備されている分電盤に取り付けられ、サーバー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、それらをサーバーに送信する。サーバー側では受信したデータの分析/処理をおこない、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で相互通信をおこなって自動的に消費電力を削減するための制御をおこなう仕組みだ。
CompactRIOを利用した分散計測システムでは、CompactRIOで測定をおこなってデータを処理し、結果をサーバー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ではサーバーからCompactRIO側へのダウンストリームもおこなう。そうした双方向通信を利用している点が特徴の1つだ。


図1. 開発したシステムの概念図

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



 

ベネフィット


電子化された入坑情報を活用し、坑内環境を自動調整

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おこなう。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おこなう。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おこなっても構わない。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)。


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



スムーズな運用と効率的な省エネを両立

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50m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、濃度の測定もおこなっている。それらの情報に基づいて、坑内でどのような作業がおこな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おこな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・ソルはこのシステムをTUNNEL EYEの名称で外部に販売していきたいと考えており、国土交通省の新技術情報提供システム「NETIS」にも登録(KT-160070-A)した。


「安全管理や省エネを目的とするシステムはすでに存在しますが、それらを同時に実現するシステムは見当たりません。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と考えています。」

株式会社イー・アイ・ソル 営業部 部長 平澤 啓氏


 

会社概要

株式会社 錢高組

所在地:大阪市西区西本町2丁目2番11号 なにわ筋ツインズウエス

URL:http://www.zenitaka.co.jp/ 


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