南山城村【高山橋】橋梁点検実証実験に参加しました

昨年11月末に開催されたインフラメンテナンス国民会議ビッチイベントでシーズ提案を行なった、「橋梁点検に係る目視点検代替技術」の技術実証として２社が課題解決の可能性が高いシーズとして実証実験対象に選出され、南山城村で「第21回実証実験」を2023年10月4日に実施しました。現場踏査から技術検証を含めて約１年間のプロジェクトでした。

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名張川架橋【高山橋】

実証実験の場は京都府の南端、南山城村を流れる名張川に係る吊り橋。トラス構造のフレームの上に主桁が乗ってる構造で、鉄骨部とコンクリート構造物部の両方を見なければならず、全体をくまなく点検するとなるとなかなか骨が折れそうな構造の橋。

道路の幅員は５m程しかなく、トラス構造部分はさらに２m程幅広であるため、点検車を使うと通行止めや車線の規制が長期に渡り必要になる。また、桁下高は30mを軽く超えているので、橋の下から見ることも不可。よってドローンを使って空から橋梁構造物に接近、写真や動画データを以って目視点検に代替できるのではという提案です。

実際に、橋梁点検分野においてドローン、特にRPASに該当する遠隔操作型無人航空機は、かなり前から目視点検の代替工法としてある程度確立されていて、実際に2018年ごろからコンクリート橋の点検現場にも複数回足を運んでいます。ただ、今回は「トラス構造の吊り橋」という、おそらく橋梁点検の中でも一番面倒臭い構造の橋で、ドローンを使っても点検作業完了には結構時間がかかる事が予想される。ということで、限られた時間の中で、主桁の裏や、鉄骨の交差部分などを撮って飛び回っての撮影となりました。

使用機材

「出来るだけコストを掛けずに」が主目的でもある今回の実証実験。市販されているドローン機材を用いてどの程度まで変質の状態を見られるかがポイントになります。

セレクトした機体は３種。

DJI Mavic 3

35mm判換算で160mm相当の望遠機能を搭載したカメラが特徴で、対象との距離を適切に保った状態で近接撮影も可能な機材です。見ようと思えば橋の上を歩くハエまで見える詳細点検に特化した撮影ができます。２台のカメラでスクリーニングと詳細撮影を１機でこなす事が可能で、実用時間で30分を超える連続飛行可能時間も魅力です。

前後左右上下の全てに向けた障害物検知用のビジョンセンサーを搭載し、死角の無い障害物検知が可能で、フライトオペレーターに掛かる負担が著しく軽減されますが、プロペラの回転径を含めると全幅が500mmを超えてしまうため、トラス構造の内部への侵入には注意が必要です。

シリーズモデルとして、中望遠レンズを追加したMavic 3 Proが追加されています。より実用的な焦点距離の望遠撮影をメインカメラと同じ高画質のイメージセンサーで撮影が可能です。

DJI Mini 3 Pro

ビギナー向けにと開発された小型ドローンのDJI Miniシリーズ。その上位グレードに当たるDJI Mini 3 Proは、インフラ点検の現場でもその能力を遺憾無く発揮してくれます。

小型軽量ながら、大容量のバッテリーを搭載し、カタログスペック上の航続可能時間は最大46分、実用域でも30分ほどの連続飛行が可能なモデルです。カメラセンサーはワイド（35mm判換算で24mm）レンズ仕様のみですが、カメラの仰角が最大60°まで向けられるため、主桁下面の点検も可能です。

DJI Mini シリーズも、実証実験を行う直前にDJI Mini 4 Proが発売され、こちらは航続可能時間が10分ほど短くなった代わりに全方位障害物検知機能が搭載。ビジョンセンサーの配置の関係上、上方向の検知には難が有りそうですが従来モデルになかった左右方向の検知は可能になったのは大きな進歩です。おそらくこちらの方が今回の点検用途に向いています。

Skydio 2+ Enterprise

国内はインフラ点検用ドローンとして知られるSkydio 2+。DJIのMavicシリーズと同規模の機体に、Visual-SLAMを搭載し操縦操作の大部分を自動化しています。また、このドローンの特徴として、撮影用カメラの最大仰角が90°、真上を向くので、橋梁の桁下点検や構造物の床板下面の点検にも活用できる他、別売りの3D Scan Systemを使用すれば、構造物の三次元モデリングデータ取得を目的とした飛行と撮影を自律制御で行うことが可能です。

しかし、フライトアプリケーションや操縦系統のUIがDJI製品に対して圧倒的に後塵を拝している事、機材価格が１桁違うなどの理由から、今回は参考機としての選出です。

実証実験成果・活動報告

第21回実証実験

インフラメンテナンス国民会議近畿本部フォーラムHPにて、実証実験報告が公開されています。

見えてきた更なる課題

1. オペレーションの属人化

ドローンを用いる作業全てに共通する課題ではありますが、RPAS型を用いる場合、どうしても操縦技能レベルの個人差がミッションの遂行に大きな影響を与えることになります。様々な要因が重なって、高い操縦技能を有するフライトオペレーターが育ちにくい環境になってしまっている日本国内において、成果を上げられるオペレーターの確保（ハイスキルオペレータの確保や人材の発掘・育成）が急務となっています。

2. 工期短縮と安全性向上にはなるがコストはそこまで下がらない

「点検にかかるコストを抑えたい。」今回の様な郡部の自治体案件だと、真っ先に上がる要望です。確かに、ドローンを用いることで工期は1/3から半分程度に短縮出来ますし、点検車やロープアクセス等の従来工法を用いるより、作業効率も高く、人が介在しない分安全です。

残念ながた昨今のドローン運用にかかるコストは増加傾向で、工期は短くはなるものの、作業に係る人員の数が従来の様に減らせなくなってしまった以上、人件費によるコストアップや各種届出にかかる費用は相当なものになります（現行法令に合わせて機体の認証を取ろうとすると、数百万円規模で費用がかかります）。

3. 天候に左右されやすい

ドローンを用いた点検業務を行う場合、作業日の天候は最も重い要素になります。晴れていれば良いというわけではなく、橋の構造によっては風向風速も作業に大きな影響を及ぼします。

一般的な天気予報も、最近では10日以上先の予報を出していて、短期予報では雨が降り出すタイミングや、数時間毎の風向風速なども見られる様になってはいます。

データ取りと実証実験当日の２日とも、点検を行うには問題のない風速で

反対に、点検用途だと晴れである必要はなく、ある程度の明るさが確保出来ていれば曇りでも問題ありません。寧ろ薄曇りくらいの方が、桁下にも光が回りやすくなって、撮影データのコントラストが低く抑えられるメリットがあります。

4. その先をどうする？

「見れればOK。」そう言っていただけると、作業費用も安く済みます。しかし、５年に１回行わなければならない橋梁点検だと、５年後に行われる点検時に過年度の点検データとの照合が必要になるわけです。「撮ってお終い」だと撮影した場所が何処なのかも分からない。次また同じ場所を見に行く為の目印も無いことになってしまいます。

スクリーニングとして見る分には、動画を撮影して後から大きな異常箇所をピックアップする。で十分かもしれませんが、撮影したデータをどのように活用して点検調書として落とし込んでいくのかが、「ドローンは当たり前に飛ぶ」の次に求められる課題です。

変質箇所の自動検出を行うAIシステムは機会学習がかなり進んでいて、動画や写真データから、クラックや部材の剥離、鉄筋露出 etc.が高い精度で可能になっているとのことで、今後そう言ったシステムの併用を検討していく段階にきています。

5. ズレた日本のドローン飛行規制

世界的に見て、ドローンの運用に係る法規として柔軟な部類に入るとされている日本の航空法規ですが、法律以外のところで雁字搦めの規制を敷くことに於いて匠の技を持つ日本政府や行政機関によって、法律条文以上にドローンが使えない状況に陥っている現状があります。

幸い同業者の中でも現場経験の豊富な方はこの現状に問題意識を持っている方も居られる様で、その点については今後の法規制最適化に期待が持てるのですが、そもそも今の制度導入を止められなかった（寧ろ推し進めた）業界に見切りをつけて、屋外でのドローン運用から足を洗ってしまったドローンオペレーターもちらほら。

おもちゃの様なラジコンヘリに150万円ほどかけて申請する機体認証や、操縦技量を図るには易しすぎる国家試験の操縦実技など、問題は山積み。現行法規はこんな状態である事を念頭に、どの様な改革が必要なのかを今一度考える礎になれば幸いです。

• 機体重量100gを少し超える様なトイドローンでも、屋外で飛行させるには機体登録が必須で、特定飛行に該当する場合は飛行許可・承認を取らないといけないこと。ICAO加盟各国では500g未満のドローン等に係る規制を緩和し、250g未満のドローン等は既に無人航空機から除外されていることを考えると、そもそも此処が全ての元凶であると言える。
• 目視外飛行の定義が法律と制度設計の段階で差異があり、統一見解で制度設計が成されていないため、チグハグな制度運用がされている。
• 機体認証制度が運用実態からかけ離れた制度になっていること、実用機を製造している主要４社が日本の型式認証制度に対応しない決定をしたため、現状全ての実用機が認証外機となっている。
• 機体認証の取得ハードルが高すぎるため、市街地でのインフラ点検等でドローンが道路上空を飛行する場合、第三者の往来のないタイミングで飛行を行うか、道路の通行止めが必要であり、ドローンを使う意味が無い。
• ドローンの活用例として物流での利用や空飛ぶクルマとしての活用を主眼に置いてしまっているため、現在主流となっている運用事例から逸脱した制度になっている。

トラス構造の吊り橋を制するには・・・

今回の実証実験では、橋梁全体のうち1/3程度の範囲を「ざっくりと見る」程度で、一定の成果として認めてもらえるプロジェクトだったので、作業の遂行難易度としても決して高いものではなく、現場の環境からしても比較的恵まれた環境だと言えるでしょう。しかし、先に挙げた様に「橋梁点検」としての成果をあげようとすると、データの精度はもとより飛行そのものの精度を上げなければならなくなります。

支柱一本一本を外側から内側かた舐め回すように撮影し、撮り漏れのないようにデータ集積を行う。もちろん高額なレーザースキャナを搭載したカメラを使えば、最終成果物となるデータの精度はさらに向上します。ただ、産業用ドローンは軒並み機体サイズが１回り以上大きくなるので、複雑な構造のトラス橋だと見られる範囲は小さくなり、小型機との併用が重要になってくるのだと思います。