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トンネル照明灯具清掃車の運転操作支援システム開発
JARI Research Journal 20150203 【研究活動紹介】 トンネル照明灯具清掃車の運転操作支援システム開発 Development of a Driving Support System for a Tunnel Light Cleaning Truck 鈴木 儀匡*1 Yoshitada SUZUKI 河島 宏紀*1 青木 啓二*2 Hiroki KAWASHIMA Keiji AOKI 2km/h 程度となり車線規制が不可欠であった． 1. はじめに (一財)日本自動車研究所は，(独)新エネルギー・ 現在は，キャビテーション現象を活用した清掃 産業技術総合開発機構（NEDO）からの委託を受 を行っている．キャビテーションとは，高圧で噴 け， 2008 年度から 2012 年度までの 5 年計画で 「エ 射される洗浄水の中のごく微小な気泡が物体に接 ネルギーITS 推進事業」による「自動運転・隊列 触して，気体から液体に戻る時に大きな衝撃波を 走行技術の研究開発」を実施した 1).その一環にて 発生する現象である 3)．図 1 にキャビテーション 開発した車線保持制御技術を応用し,トンネル照 清掃車両を示す． 明灯具清掃車へ導入する開発を，中日本高速道路 株式会社（以下，NEXCO 中日本）と共同で行い， 試験自動車に関する国土交通大臣認定を受けた． 本稿では，2011～2013 年度に実施した NEXCO 中日本との共同研究について紹介する． 図 1 トンネル照明灯具清掃車清掃風景 2. トンネル照明灯具清掃車 2. 1 トンネル照明灯具の必要性 照明灯具を均一に清掃するためには，ドライバは 高速道路のトンネル照明灯具（トンネル内のラ 照明灯具とキャビテーションノズルとの距離を一 イト）は，入り口から徐々に暗くなっている．ド 定に維持し走行することが求められる 4)．また， ライバ（人間）は明るい場所から暗い場所へ移動 作業速度は 20～50km/h と以前に比べれば大幅に する場合には，目の感度が高まる．しかし，その 向上したものの，片側 2 車線（走行・追越車線が 明るさに慣れるためには一定の時間が必要（暗順 ある区間）を清掃する際には，一般車両との速度 応）である．そのため，トンネル内部の照明は， 差が生じるため，衝突事故の防止など安全確保の ドライバが安全に走行できるよう，徐々に暗くな 面から車線規制が必要となる．また，車線規制に るように設定されている 2)． よる渋滞発生など道路の利用効率も低下すること から，一層の高速化が求められている．こうした 2. 2 照明灯具清掃方法と課題 背景を受け，NEXCO 中日本では，将来的には， 実際のトンネルでは，自動車の排ガスやタイヤ が巻上げる塵・埃などが照明に付着し，照明の明 ト ン ネ ル 照明 灯 具 清掃車 を 交 通 規制 が 不 要な 80km/h で運用することを目標に掲げている 5)． るさが徐々に低下する．そのため，定期的な清掃 2. 3 NEXCO 中日本と JARI の共同研究 により設定した明るさを維持する必要がある． 過去のトンネル照明灯具清掃は，高所作業車を 現在用いられているトンネル照明灯具清掃装置 用いた人力での作業や，回転ブラシを装備した特 は，もともと 80km/h での運用が可能なよう設計 殊車両により行われており，作業速度が約 1～ 開発されているが，その清掃能力を 100%発揮す ＊1 一般財団法人日本自動車研究所 ITS研究部 ＊2 先進モビリティ株式会社 代表取締役 るには，照明灯具とキャビテーションノズルの間 JARI Research Journal － 1 － (2015.2) 隔を常に一定距離に保ちながら高速走行する必要 験路にて走行試験を行い，車線維持支援装置のソ がある．しかし，作業速度が上がるほど，ドライ フトウエア等の改良を図る． バには正確な運転技術が要求され，手動でハンド なお，技術指針に適合しない 1000R 以下での車 ルを操作するのは難しくなる．そのため，トンネ 線維持支援走行は，計画当初は，試験自動車とし ル照明灯具清掃車の高速作業の実現に向け，照明 て国土交通大臣認定を取得する必要があったが， 灯具とキャビテーションノズルの間隔を常に一定 2014 年 6 月 10 日，自動車の安全確保に関する国 に保持し走行が可能な高精度の運転支援システム 際的な整合性を図るため加入している国連の「車 を求める NEXCO 中日本と，自動運転・隊列走行 両等の型式認定相互承認協定」の対象となり，一 プロジェクトにて「車道外側線（白線） 」と車両を 定の要件を満たせば国土交通大臣認定を新たに取 一定の距離に保つ高精度な車線維持制御装置を開 得することが不要となった 6)． 発した JARI が共同研究を行うこととなった． 4. 車線維持支援システム 4. 1 システム概要 3. 開発計画 国土交通省の「車線維持支援装置の技術指針」 図 2 に，照明灯具，白線，カメラ，キャビテー では，車線維持支援に適合する走行線形は 1000R ションノズルヘッドとの位置関係を示す．ここで 以上となっており，第 1 フェーズではこれに適合 L は照明灯具とキャビテーションノズルヘッドと する仕様で開発する． の距離，Xf は前方白線端部と車両側面の距離，Xr 次に第 2 フェーズでは，制御精度の向上，道路 線形への対応 （きついカ－ブへの対応） を加味し， は後方白線端部と車両側面の距離を示す．Xf と Xr を用いて，白線と車両の角度を算出する． 1000R 以下での走行を可能とする 2 段階で行うこ 車線維持支援システムでは「Xf の距離（横偏差） ととした．それぞれのフェーズの目標仕様を表 1 が一定」であること，また「白線と車両の角度（廻 に示す． 頭角）が曲率に応じた規定の角度」になるよう前 また，技術指針に適合しない 1000R 以下での車 輪タイヤ角を制御し，白線との間隔を一定に保つ 線維持支援走行は，試験自動車として国土交通大 ことで，トンネル照明灯具と清掃車に取り付けら 臣認定を取得する必要がある． れたキャビテーション噴射ノズルのヘッドとの距 離を一定に保持することが可能となる． 表 1 目標仕様 フェーズ 目標仕様 最高速度 最低速度 制御精度 走行線形 第1フェーズ 80km/h 50km/h ±0.2m R=1000m以上 第2フェーズ 80km/h 10km/h ±0.15m R=300m以上 開発にあたっては，車線維持支援装置の設計・ 製作を行った後，清掃車に搭載し，テストコース 制御設定値 直線路での車線維持制御性能目標を達成する．次 に，HMI（Human Machine Interface）等の改良 と併せ， 新東名高速道路およびテストコースにて， 1000R 以上での走行実験を実施し，大臣認定に向 けて必要なデータを取得，試験自動車として国土 項目 目標照明灯具と キャビテーションノズルヘッドとの距離（L） 前方白線端部と車両側面の距離（Xf） （目標車線制御値） 設定値 0.35～0.4m 0.6m 図 2 トンネル照明灯具との制御位置関係 交通大臣認定を取得する． 次に，1000R 以下での走行実現に向けて，公道 での走行試験を重ねるとともに，300R 以上の実 JARI Research Journal － 2 － (2015.2) 4. 2 システム構成 を行うためそれぞれデュアルポートラム トンネル照明灯具清掃車は，トンネルの左右に （DPRAM）を介してフェールセーフ比較器にセ 設置された照明灯具を洗浄するため，カメラを車 ットされる.演算結果を比較照合した結果，一致の 両の左右に搭載している. 場合は CPU は次の処理へ移る．反対に，不一致 車両制御装置では車両と白線の距離が一定にな の場合は CPU 停止となり，運転支援を中止する． るよう横偏差と廻頭角を用いて前輪タイヤ角をフ 具体的には，フェールセーフ比較器と CPU 暴 ィードバック（FB）制御する．なお，前輪タイヤ 走検知器（WDT）は，フェールセーフリレードラ 角はステアリングコラムに取り付けた自動操舵モ イバに対してそれぞれ交番信号（パルス）を出力 ータにて駆動させる．また，曲線部では，FB 制 する．CPU 比較照合の不一致，または暴走検知時 御の遅れ等による車線維持制御性能の低下を防止 には，交番信号が停止する．フェールセーフリレ するため，道路曲率および横断勾配，速度，車両 ードライバは，この交番信号により正常リレーを 重量等を基にステアリング角度（あて舵量）を算 動作させているため，異常発生時は正常リレーを 出するフィードフォワード（FF）制御を行う．図 オフにすることで出力ポートがカットされ，誤出 3 にシステム構成，図 4 に開発車両概観を示す． 力を防止できる．異常が検知された場合には， HMI の指示に従い，ドライバは手動操舵を再開す る． ま た ， 操 舵 制 御 ア ル ゴ リ ズ ム は ， Path Following 制御 8)の概念に従っている．また，車 両のコーナリング係数は，テストコースで同定試 験を行い求めている． 車線維持支援システムのアプリケーションは MATLAB/Simulink によりモデルベースで実装 図 3 システム構成 を行った． 図 4 開発車両概観 図 5 フェールセーフ回路 5. 第 1 フェーズ評価検証 4. 3 車線維持支援システムアプリケーション 車線維持支援システムのアプリケーションは， 5. 1 未供用道路での性能評価 ECU）に搭 車線維持制御性能を評価するため，独立行政法 載された OS（基本ソフト）上で動作を行う．FS 人産業技術総合研究所（以下,産総研）北サイトの ECU は CPU（中央演算処理装置）を 2 重（A 系 テストコース直線部，供用前の新東名高速道路の ／B 系）に実装しており，この 2 つの CPU 演算 清水連絡道と静岡トンネル区間を使用し，1000R 結果が一致している時のみ制御可能となる． および 4000R の評価試験を実施した．新東名高速 フェールセーフコンピュータ 7)（FS 図 5 にフェールセーフ回路を示す．A 系，B 系 道路の実験区間と実験風景を図 6 に示す． の 2 つの CPU で演算されたデータは，比較照合 JARI Research Journal － 3 － 1000R での走行実験は，清水連絡道下り線約 (2015.2) 400m，4000R は新間トンネル～内牧トンネル間 5. 2 走行データ収集・蓄積 の下り線約 800m，直線走行は産総研北サイトテ 新東名高速での実験は日程に制限があるため， ストコース直線部 400m を使用した．なお，車両 産総研北サイトのテストコースに 1000R，2000R， は空車（タンクに水が入っていない状態）で実施 3000R の白線を仮設し，実験では，コースを順 した． 走・逆走し，右カーブ／左カーブ両方での走行デ ータの収集・蓄積を行った．図 7 に仮設コースで の実験風景を示す． 走行データ収集後，2013 年 7 月に国土交通大 臣認定の申請を行い，9 月に大臣認定の申請が受 理され，試験自動車としてのナンバーを取得した （図 8） ． a) 清水連絡道下り線（供用前） b) 静岡トンネル（供用前） 図 7 仮設コースでの実験風景 図 6 新東名高速道路実験風景 表 2 に車線維持制御性能評価結果を示す．表中 の左最大値・右最大値とは，横偏差と制御目標値 （0.6m）の差分を意味する．ここでは，車両が制 御目標値よりも左へ移動した場合（白線へ寄る場 合）を正とし，右へ移動した場合（白線から遠ざ かる場合） を負としている． 車線維持制御誤差は， 直線，1000R，4000R の走行において，速度 50， 60，70，80km/h のいずれも±0.2m 以内の目標仕 図 8 ナンバー取得したトンネル照明灯具清掃車 様（制御精度）を満たす結果となった． 6. ITS 世界会議でのデモンストレーション 中日本高速道路では，このトンネル照明灯具清 表 2 車線維持制御性能評価結果 区間 計測距離 [m] 速度 50 直線部 1000R 4000R 400 400 800 実験回数 [km/h] ()内は参考 2(+2) 左最大値 右最大値 平均 標準偏差 [m] [m] [m] [m] 0.050 -0.040 0.008 0.017 60 2(+2) 0.060 -0.120 -0.009 0.034 70 2(+2) 0.050 -0.100 -0.007 0.029 80 2(+2) 0.050 -0.120 -0.025 0.034 50 2(+1) 0.040 -0.130 -0.060 0.035 60 2(+2) 0.090 -0.170 -0.021 0.046 70 2 0.070 -0.180 -0.068 0.048 掃車開発の成果公表として，2013 年 10 月に開催 された ITS 世界会議の場を活用した「運転操作支 援システムの走行デモンストレーション（図 9）」 を行った．その後，11 月 9 日には高速道路 IC ヤ ード内にての記者発表を実施した． トンネル照明灯具清掃車は高速道路での使用を 前提としているため，50km/h 以上で作動する仕 80 2 0.070 -0.160 -0.046 0.041 50 2(+2) -0.010 -0.130 -0.088 0.020 60 2(+2) 0.010 -0.110 -0.056 0.023 70 2(+2) 0.070 -0.100 -0.025 0.030 解除し，IC ヤード内で走行が可能な 15km/h で走 80 2(+2) 0.060 -0.110 -0.040 0.029 行できるよう変更した. JARI Research Journal 様である．そこで，デモ期間中に限り速度制限を － 4 － (2015.2) トンネル照明灯具清掃車の開発，自動車技術vol.68， p94 6) 自動車基準の国際調和，認証の相互承認等に関する「道 路運送車両の保安基準」 ， 「装置型式指定規則」及び「道 路運送車両の保安基準の細目を定める告示」等の一部 改正について， http://www.mlit.go.jp/common/001042413.pdf 7) 河島宏紀ほか：フェールセーフECUの開発（第2報）， 自動車研究，Vol33，No10，p.31-34（2011） 8) 杉町ほか：Path Followingにおける操舵制御ゲインの 図 9 デモンストレーション風景 セルフチューニング，自動車技術会学術講演会前刷集， 9) 19-12，p1-4 9) 世界会議デモ 7. おわりに 運転操作支援システム付きトンネル照 明清掃車両， 2011～2013 年度に実施した大臣認定に向けた http://www.youtube.com/watch?v=TU-WIRGOTwc 車両開発と，第 1 フェーズ評価検証のためのデー タ取得結果を報告した．評価の結果，公道での走 行に問題がないことを確認し，試験自動車として 国土交通大臣認定を取得した．今後は，公道での 車両試験を予定しており，公道試験に向けての準 備と第 2 フェーズに向けた開発を進めている． 本プロジェクトで開発した技術は，自動運転実 現に向けて必要な技術の一つとなる横方向制御技 術の実用化の一歩であるだけでなく，今後，さら に普及が進む運転支援システム技術の高度化に向 けても期待される研究開発に位置づけられる活動 である. 最後に本開発にあたり多大なご協力をいただい た関係各所に謹んで感謝の意を示す． 参考文献 1) 「エネルギーITS推進事業（成果報告会） 」発表資料， http://www.nedo.go.jp/events/report/ZZDA_100006.h tml 2) ト ン ネ ル 照 明 に お け る 視 認 性 ， Kensetsu Denki Gijyutsu，Vol.145 2004.3，P22-23 http://www.kendenkyo.or.jp/pdf/technology/145_basi c.pdf 3) 時枝寛之，建設の施工企画‘08.10キャビテーション噴 流技術を用いた高速清掃装置の開発と応用， http://jcma.heteml.jp/bunken-search/wp-content/upl oads/2008/10/044.pdf 4) youtube，キャビテーション清掃車清掃状況06， https://www.youtube.com/watch?v=2X_7Z-W8DL0 5) 笹川陽平，日本初! 運転操作支援システムを搭載した JARI Research Journal － 5 － (2015.2)