GPS定位优化技术在路桥工程监测中的应用

2018-03-25段晓东

山西建筑 2018年34期

段晓东

(山西远方路桥(集团)有限责任公司，山西大同 037006)

目前，路桥工程监测管理逐步向智能化、可视化方向发展，既能够对工程设备的位置、轨迹、速度等进行实时查看，又能够结合航空影像对施工现场、各类材料进行安全检查和日常管理。但是，以GPS接收机进行定位时会受到施工现场环境的影响，导致定位数据回传错误，甚至出现数据丢失现象。针对此问题，本文提出采用GPS定位优化技术进行数据处理和分析，规避粗差、停留点以及部分数据丢失给路桥工程监测管理系统造成的消极影响。

1 GPS定位在路桥工程监测中存在的问题

1.1 GPS数据受多类误差干扰，定位数据存在粗差

GPS是卫星导航定位系统，由空间部分、地面控制部分、用户设备部分构成。空间部分的卫星和地面控制部分的监测站、主控制站和地面天线都比较稳定，而用户设备部分的GPS信号接收机会受到多类干扰，包括施工现场各类电磁波、噪声、反射信号等。在施工过程中，设备上安装带有GPS定位功能的传感器常常回传错误定位信息，使定位数据偏离真实位置，尤其在多云天气、电压较高、大面积水域存在的时候。此外，当施工现场过于狭长时，处于现场边缘位置的设备定位数据会因为与其他设备接收的卫星定位信息不同而出现偏差，影响对施工设备的实时跟踪。

1.2 GPS保留多个停留点数据，干扰设备轨迹识别

GPS定位数据随着时间定期产生，与车辆设备运动与否、材料转运与否没有关系。当车辆停留在一个地方长期不动时，工程监测平台就会出现以实际位置为中心的众多定位数据，会掩盖掉部分设备定位信息，大大干扰了对真实运动物体轨迹的判断。此类问题常常出现在施工休息期、设备检修期以及施工规划调整期。对于路桥工程监测平台而言，重复性停留点是冗杂数据，既不能够提供价值性信息，又无法辅助工作人员判断其他设备的运动轨迹。反而会给平台数据储存、设备轨迹识别带来消极影响。如果一味采取人工手动删除数据点，工作量是非常巨大的，是不符合施工现场监测需求的，必须依靠计算机进行智能化处理。

1.3 高大物体遮挡，导致GPS部分数据丢失

GPS依靠卫星电磁波传递过程中存在的时间差进行定位，一旦电磁波被阻挡，那么，GPS接收机便无法得到定位数据。无论是在城市的高大建筑物、高大树木下，还是在隧道、地下公路中，GPS接收机都会因高大物体的遮挡而造成数据丢失。当施工现场处于山区时，车辆驶出施工场地便会进入高大树木遮盖的盘山公路，其定位数据时有时无；当施工现场处于闹市区中，干扰源则更多，数据丢失现象也更为明显。总之，无论在山区还是城市，GPS定位数据都存在丢失现象。这给路桥工程监测平台的信息展示带来了极大挑战，也需要借助数据分析技术进行恢复处理，才能实现实时监测的可视化。

1.4 GPS定位点分布不均，轨迹拟合与预测偏离度高

GPS定位数据是定期产生的，而不是随施工设备的移动速度均匀产生的，在空间分布上具有严重的不均衡性。路桥平台的监测系统展示的轨迹实为轨迹拟合后的效果，而不是逐点定位产生的结果。由此，若不加以条件约束，设备的运动轨迹便是偏离实际位置的曲线。比如，对缺少拐弯点定位数据的设备进行路线拟合，其拟合线便是没有直角的弧形线段。同样，在对设备的运动进行预测时，不考虑道路通行情况和固有运动路线的规律，也会出现运动方向的误判，从而造成明显偏离。针对此问题，以往常常采用最小二乘拟合法，通过多余观测数据进行拟合，优化参数值。然而，道路的多变性、车辆轨迹数据的偏离使曲线拟合难度增加，三次多项式仍不能满足平台对轨迹预测的需求。

2 GPS定位数据后期优化技术的分析

1)动态阈值技术剔除GPS粗差，增强数据准确性。受自然条件的影响，带有GPS定位的传感器会回传带有粗差的定位信息，采用动态阈值技术进行剔除，从而增强平台整体数据的准确性。首先，考虑到同一设备在不同施工区域位置移动速度和方向的不同，对同一设备的GPS定位信息数据分区域统计；然后，将新的定位数据传入监测平台后，对其与区域均值、方差运算，与3倍中误差标准对比，超出标准后，立刻剔除；若处于2倍与3倍中误差之间，则根据此前连续的十个定位数据进行最小二乘拟合分析，符合预测规律便保留；最后，对于剔除的粗差点根据预测算法进行补充。为避免定位数据剔除错误，设计了数据预留存储位置，当后续的数据点也符合规律时，才将粗差点彻底删除。2)停留点归纳技术降低数据冗杂，增强设备轨迹。停留点是造成路桥施工监测平台数据冗杂的主要原因，有必要采用归纳算法技术对停留点进行删除，以增强设备轨迹。首先，通过两定位数据点之间距离的差来判断车辆是否在移动，通过连续两两定位点之间方向角度的差来判断车辆的移动方向是否变化。若对距离、方向的判断都小于设定阈值，则判定为停留点；然后，对此设备全部落入以停留点为中心圆形区域的数据设为停留点点集，以20次定位数据为一组，判断设备是否开始移动，若仍保持停留点特征，便从数据存储中剔除；最后，结合空间方面的轨迹特征，对设备路线数据量进行压缩，即直线运动轨迹剔除中间多余定位数据点。由此，路桥工程监测平台才能持续高效地运行。3)数据滤波算法补充遮挡数据，形成连贯轨迹线。数据滤波算法在剔除粗差、停留点的基础上，对纯净轨迹数据进行滤波处理，形成连贯轨迹线。首先，根据设备目标在各个区域内定位数据点的空间分布，设定状态转移方程和初值，运用卡尔曼滤波迭代算法和已有的定位数据，进行模型参数优化，从而对缺失的部分预测、补充；然后，对拟合模型的数据进行定期更新，一般而言，设备数据超过7 d便不再参与模型参数优化，以免过时数据对设备目标新轨迹参数的错误拟合；最后，对圆曲线、缓曲线曲率变化速度快的路段进行数据补充，以曲率计算公式添加相应的拐点，从而增强轨迹预测的拟合效果，做好路桥工程智能监测。4)道路约束拟合技术扩充定位点，优化拟合和预测效果。通过以上数据处理步骤后，路桥工程监测平台的定位数据量已经能够满足实时监测的需求，只需通过道路约束进行拟合，便能够实现监测状态的可视化。首先，提供施工现场以及周围区域的道路底图，为定位数据点增加道路约束，实现道路与定位数据点的联合分析；然后，结合道路形状、拐点、曲线弧度对定位点、补充定位点进行二次纠正和调整，规避设备自身小幅度偏移造成的拟合干扰，从而使定位数据拟合效果更加理想；最后，借助计算机拟合出的运动轨迹，设定设备的预测路线，当设备偏离预测路线或长期停留在重要位置时，便可以进行及时指挥。对于路桥工程监测的管理者而言，道路约束技术下做出的拟合轨迹和预测具有现实指挥意义，有助于提高工作效率。