大阪工業大学、鋼材に吸着するドローンでトンネル切羽の3Dデータを取得するシステムを実用化

大阪工業大学は、清水建設、演算工房、シュルード設計と共同で、山岳トンネル工事における切羽形状測定作業を無人化する鋼材吸着ドローン測定システム「Perch-RIM（Perch-Realtime Inspection & Monitoring）」を開発し、実用化しました。このシステムは、切羽近くの鋼製支保工にドローンを吸着させ、切羽形状の高精度な絶対座標付き点群データをリアルタイムで取得するものです。これにより、工事関係者が切羽付近へ立ち入ることなく測定作業が可能となり、安全性が格段に向上します。

山岳トンネルの切羽付近では、「肌落ち」と呼ばれる掘削面からの岩石剥落により重篤な労働災害が発生することがあります。近年、災害発生件数は下げ止まり傾向にあり、依然として切羽前に三脚を設置して測定作業を行うケースが少なくありません。そのため、測定作業の完全な無人化が喫緊の課題とされていました。

「Perch-RIM」は、永電磁石とLiDAR（レーザーセンサー）を搭載したドローン、およびドローンの絶対座標を計測するトータルステーションから構成されます。測定手順として、まず切羽から安全な距離を保った場所からドローンを飛行させ、切羽付近の鋼製支保工の天端に磁力で吸着させます。次に、切羽後方に設置したトータルステーションでドローンの3次元座標を取得します。最後に、ドローンのLiDARによるセンシングで切羽面の3次元点群データを取得し、両方の座標値を組み合わせることで、精緻な切羽形状の絶対座標を算出します。

この測定方法がもたらす最大の利点は、余掘りや掘削不足などを絶対座標で定量的に評価できることに加え、工事関係者が切羽付近に立ち入る必要がなくなるため、肌落ち災害のリスクを完全に排除できる点です。また、作業時間が大幅に短縮されることで、人員配置の最適化、工期短縮、ひいてはコスト削減にも貢献します。さらに、ドローンに標準搭載されているカメラを活用すれば、遠隔からの坑内巡回、切羽監視、粉塵や有害ガスの環境モニタリングなど、多様な業務へも展開可能です。

本システムは、中央自動車道 新小仏トンネル工事、米子自動車道 三平山トンネル工事、北海道新幹線 渡島トンネル（上二股）の各現場で実証試験が行われ、その有効性が確認・検証されています。今後も建設現場での実証を継続し、切羽付近の作業のさらなる自動化・遠隔化を推進していく方針です。

開発においては、清水建設がシステム全体の構想化と評価、演算工房が3次元点群データの計測ソフトウェア開発、シュルード設計がドローンシステム設計をそれぞれ担当し、大阪工業大学ロボット工学科の東善之准教授がシステム全体の監修を行いました。