段 曉 東

(山西遠(yuǎn)方路橋(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 大同 037006)

目前，路橋工程監(jiān)測(cè)管理逐步向智能化、可視化方向發(fā)展，既能夠?qū)こ淘O(shè)備的位置、軌跡、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，又能夠結(jié)合航空影像對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)、各類材料進(jìn)行安全檢查和日常管理。但是，以GPS接收機(jī)進(jìn)行定位時(shí)會(huì)受到施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)回傳錯(cuò)誤，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出采用GPS定位優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，規(guī)避粗差、停留點(diǎn)以及部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失給路橋工程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)造成的消極影響。

1 GPS定位在路橋工程監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題

1.1 GPS數(shù)據(jù)受多類誤差干擾，定位數(shù)據(jù)存在粗差

GPS是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，由空間部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分構(gòu)成。空間部分的衛(wèi)星和地面控制部分的監(jiān)測(cè)站、主控制站和地面天線都比較穩(wěn)定，而用戶設(shè)備部分的GPS信號(hào)接收機(jī)會(huì)受到多類干擾，包括施工現(xiàn)場(chǎng)各類電磁波、噪聲、反射信號(hào)等。在施工過(guò)程中，設(shè)備上安裝帶有GPS定位功能的傳感器常?；貍麇e(cuò)誤定位信息，使定位數(shù)據(jù)偏離真實(shí)位置，尤其在多云天氣、電壓較高、大面積水域存在的時(shí)候。此外，當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)過(guò)于狹長(zhǎng)時(shí)，處于現(xiàn)場(chǎng)邊緣位置的設(shè)備定位數(shù)據(jù)會(huì)因?yàn)榕c其他設(shè)備接收的衛(wèi)星定位信息不同而出現(xiàn)偏差，影響對(duì)施工設(shè)備的實(shí)時(shí)跟蹤。

1.2 GPS保留多個(gè)停留點(diǎn)數(shù)據(jù)，干擾設(shè)備軌跡識(shí)別

GPS定位數(shù)據(jù)隨著時(shí)間定期產(chǎn)生，與車輛設(shè)備運(yùn)動(dòng)與否、材料轉(zhuǎn)運(yùn)與否沒有關(guān)系。當(dāng)車輛停留在一個(gè)地方長(zhǎng)期不動(dòng)時(shí)，工程監(jiān)測(cè)平臺(tái)就會(huì)出現(xiàn)以實(shí)際位置為中心的眾多定位數(shù)據(jù)，會(huì)掩蓋掉部分設(shè)備定位信息，大大干擾了對(duì)真實(shí)運(yùn)動(dòng)物體軌跡的判斷。此類問(wèn)題常常出現(xiàn)在施工休息期、設(shè)備檢修期以及施工規(guī)劃調(diào)整期。對(duì)于路橋工程監(jiān)測(cè)平臺(tái)而言，重復(fù)性停留點(diǎn)是冗雜數(shù)據(jù)，既不能夠提供價(jià)值性信息，又無(wú)法輔助工作人員判斷其他設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡。反而會(huì)給平臺(tái)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、設(shè)備軌跡識(shí)別帶來(lái)消極影響。如果一味采取人工手動(dòng)刪除數(shù)據(jù)點(diǎn)，工作量是非常巨大的，是不符合施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需求的，必須依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化處理。

1.3 高大物體遮擋，導(dǎo)致GPS部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失

GPS依靠衛(wèi)星電磁波傳遞過(guò)程中存在的時(shí)間差進(jìn)行定位，一旦電磁波被阻擋，那么，GPS接收機(jī)便無(wú)法得到定位數(shù)據(jù)。無(wú)論是在城市的高大建筑物、高大樹木下，還是在隧道、地下公路中，GPS接收機(jī)都會(huì)因高大物體的遮擋而造成數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)處于山區(qū)時(shí)，車輛駛出施工場(chǎng)地便會(huì)進(jìn)入高大樹木遮蓋的盤山公路，其定位數(shù)據(jù)時(shí)有時(shí)無(wú)；當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)處于鬧市區(qū)中，干擾源則更多，數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象也更為明顯?？傊?，無(wú)論在山區(qū)還是城市，GPS定位數(shù)據(jù)都存在丟失現(xiàn)象。這給路橋工程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的信息展示帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)，也需要借助數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行恢復(fù)處理，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可視化。

1.4 GPS定位點(diǎn)分布不均，軌跡擬合與預(yù)測(cè)偏離度高

GPS定位數(shù)據(jù)是定期產(chǎn)生的，而不是隨施工設(shè)備的移動(dòng)速度均勻產(chǎn)生的，在空間分布上具有嚴(yán)重的不均衡性。路橋平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展示的軌跡實(shí)為軌跡擬合后的效果，而不是逐點(diǎn)定位產(chǎn)生的結(jié)果。由此，若不加以條件約束，設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡便是偏離實(shí)際位置的曲線。比如，對(duì)缺少拐彎點(diǎn)定位數(shù)據(jù)的設(shè)備進(jìn)行路線擬合，其擬合線便是沒有直角的弧形線段。同樣，在對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，不考慮道路通行情況和固有運(yùn)動(dòng)路線的規(guī)律，也會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的誤判，從而造成明顯偏離。針對(duì)此問(wèn)題，以往常常采用最小二乘擬合法，通過(guò)多余觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，優(yōu)化參數(shù)值。然而，道路的多變性、車輛軌跡數(shù)據(jù)的偏離使曲線擬合難度增加，三次多項(xiàng)式仍不能滿足平臺(tái)對(duì)軌跡預(yù)測(cè)的需求。

2 GPS定位數(shù)據(jù)后期優(yōu)化技術(shù)的分析

1)動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)剔除GPS粗差，增強(qiáng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。受自然條件的影響，帶有GPS定位的傳感器會(huì)回傳帶有粗差的定位信息，采用動(dòng)態(tài)閾值技術(shù)進(jìn)行剔除，從而增強(qiáng)平臺(tái)整體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。首先，考慮到同一設(shè)備在不同施工區(qū)域位置移動(dòng)速度和方向的不同，對(duì)同一設(shè)備的GPS定位信息數(shù)據(jù)分區(qū)域統(tǒng)計(jì)；然后，將新的定位數(shù)據(jù)傳入監(jiān)測(cè)平臺(tái)后，對(duì)其與區(qū)域均值、方差運(yùn)算，與3倍中誤差標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，超出標(biāo)準(zhǔn)后，立刻剔除；若處于2倍與3倍中誤差之間，則根據(jù)此前連續(xù)的十個(gè)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合分析，符合預(yù)測(cè)規(guī)律便保留；最后，對(duì)于剔除的粗差點(diǎn)根據(jù)預(yù)測(cè)算法進(jìn)行補(bǔ)充。為避免定位數(shù)據(jù)剔除錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)預(yù)留存儲(chǔ)位置，當(dāng)后續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)也符合規(guī)律時(shí)，才將粗差點(diǎn)徹底刪除。2)停留點(diǎn)歸納技術(shù)降低數(shù)據(jù)冗雜，增強(qiáng)設(shè)備軌跡。停留點(diǎn)是造成路橋施工監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)冗雜的主要原因，有必要采用歸納算法技術(shù)對(duì)停留點(diǎn)進(jìn)行刪除，以增強(qiáng)設(shè)備軌跡。首先，通過(guò)兩定位數(shù)據(jù)點(diǎn)之間距離的差來(lái)判斷車輛是否在移動(dòng)，通過(guò)連續(xù)兩兩定位點(diǎn)之間方向角度的差來(lái)判斷車輛的移動(dòng)方向是否變化。若對(duì)距離、方向的判斷都小于設(shè)定閾值，則判定為停留點(diǎn)；然后，對(duì)此設(shè)備全部落入以停留點(diǎn)為中心圓形區(qū)域的數(shù)據(jù)設(shè)為停留點(diǎn)點(diǎn)集，以20次定位數(shù)據(jù)為一組，判斷設(shè)備是否開始移動(dòng)，若仍保持停留點(diǎn)特征，便從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中剔除；最后，結(jié)合空間方面的軌跡特征，對(duì)設(shè)備路線數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮，即直線運(yùn)動(dòng)軌跡剔除中間多余定位數(shù)據(jù)點(diǎn)。由此，路橋工程監(jiān)測(cè)平臺(tái)才能持續(xù)高效地運(yùn)行。3)數(shù)據(jù)濾波算法補(bǔ)充遮擋數(shù)據(jù)，形成連貫軌跡線。數(shù)據(jù)濾波算法在剔除粗差、停留點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)純凈軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，形成連貫軌跡線。首先，根據(jù)設(shè)備目標(biāo)在各個(gè)區(qū)域內(nèi)定位數(shù)據(jù)點(diǎn)的空間分布，設(shè)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和初值，運(yùn)用卡爾曼濾波迭代算法和已有的定位數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化，從而對(duì)缺失的部分預(yù)測(cè)、補(bǔ)充；然后，對(duì)擬合模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行定期更新，一般而言，設(shè)備數(shù)據(jù)超過(guò)7 d便不再參與模型參數(shù)優(yōu)化，以免過(guò)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備目標(biāo)新軌跡參數(shù)的錯(cuò)誤擬合；最后，對(duì)圓曲線、緩曲線曲率變化速度快的路段進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，以曲率計(jì)算公式添加相應(yīng)的拐點(diǎn)，從而增強(qiáng)軌跡預(yù)測(cè)的擬合效果，做好路橋工程智能監(jiān)測(cè)。4)道路約束擬合技術(shù)擴(kuò)充定位點(diǎn)，優(yōu)化擬合和預(yù)測(cè)效果。通過(guò)以上數(shù)據(jù)處理步驟后，路橋工程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的定位數(shù)據(jù)量已經(jīng)能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，只需通過(guò)道路約束進(jìn)行擬合，便能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)狀態(tài)的可視化。首先，提供施工現(xiàn)場(chǎng)以及周圍區(qū)域的道路底圖，為定位數(shù)據(jù)點(diǎn)增加道路約束，實(shí)現(xiàn)道路與定位數(shù)據(jù)點(diǎn)的聯(lián)合分析；然后，結(jié)合道路形狀、拐點(diǎn)、曲線弧度對(duì)定位點(diǎn)、補(bǔ)充定位點(diǎn)進(jìn)行二次糾正和調(diào)整，規(guī)避設(shè)備自身小幅度偏移造成的擬合干擾，從而使定位數(shù)據(jù)擬合效果更加理想；最后，借助計(jì)算機(jī)擬合出的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)定設(shè)備的預(yù)測(cè)路線，當(dāng)設(shè)備偏離預(yù)測(cè)路線或長(zhǎng)期停留在重要位置時(shí)，便可以進(jìn)行及時(shí)指揮。對(duì)于路橋工程監(jiān)測(cè)的管理者而言，道路約束技術(shù)下做出的擬合軌跡和預(yù)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)指揮意義，有助于提高工作效率。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)剔除粗差、歸納停留點(diǎn)、濾波算法補(bǔ)充數(shù)據(jù)、道路約束擬合擴(kuò)充定位點(diǎn)幾項(xiàng)技術(shù)對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，減少了外界干擾，能夠滿足路橋工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。在此基礎(chǔ)上，路橋工程監(jiān)測(cè)還有必要與GIS系統(tǒng)相結(jié)合，增強(qiáng)定位數(shù)據(jù)的分析功能，以便發(fā)揮出更大價(jià)值。