摘 要：沉降觀測是精密工程測量的一個重要組成部分，其廣泛應用于高速鐵路線下工程、地鐵、建筑物的變形監(jiān)測領(lǐng)域之中。傳統(tǒng)的沉降觀測方法存在測量數(shù)據(jù)質(zhì)量低、成本高效率低、異常數(shù)據(jù)反饋滯后等缺陷。為了解決這些缺陷，對基于Android系統(tǒng)應用開發(fā)、藍牙通訊技術(shù)、平差算法、數(shù)據(jù)加密技術(shù)等方面的分析與研究，設(shè)計實現(xiàn)了一套沉降觀測系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于Android的沉降數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)管理軟件，能夠通過串口轉(zhuǎn)藍牙設(shè)備遙控電子水準儀進行沉降觀測，并將測量數(shù)據(jù)加密存儲在SQLite數(shù)據(jù)庫中，減少外界因素的影響，從而提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；測量過程中通過文字和語音的方式實時進行超限提示，并且可在測量任務結(jié)束后立刻進行精密平差，測量人員在現(xiàn)場立刻能夠判斷是否存在異常數(shù)據(jù)，內(nèi)外業(yè)一體化的同時加快了異常數(shù)據(jù)的反饋速度。

關(guān)鍵詞：沉降觀測；藍牙；Android；SQLite；AES

引言

沉降觀測是精密工程測量中的一種，具有工作量大、重復性作業(yè)多、觀測周期長、精度要求高、數(shù)據(jù)影響大等特點。傳統(tǒng)的沉降觀測方法作業(yè)方式使測量人員利用水準儀進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，測量結(jié)束后室內(nèi)利用精密平差軟件進行數(shù)據(jù)平差處理，然后將平差結(jié)果文件導入評估軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析與管理，這種作業(yè)方式存在測量數(shù)據(jù)質(zhì)量低、內(nèi)外業(yè)隔離、異常數(shù)據(jù)反饋滯后等諸多問題。一種測量數(shù)據(jù)質(zhì)量高、內(nèi)外業(yè)一體化、具備異常數(shù)據(jù)快速反饋機制的沉降觀測系統(tǒng)亟待研發(fā)。

1 系統(tǒng)分析

1.1 傳統(tǒng)沉降觀測方法缺陷分析

傳統(tǒng)的沉降觀測方法測量數(shù)據(jù)質(zhì)量低、成本高工作效率低、異常數(shù)據(jù)反饋滯后，這些缺陷已經(jīng)對沉降觀測生產(chǎn)造成越來越大的負面影響。

1.1.1 測量數(shù)據(jù)質(zhì)量低

外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，需要專職的內(nèi)業(yè)人員進行數(shù)據(jù)平差計算和成果匯總，這個過程出現(xiàn)操作失誤不易發(fā)現(xiàn)；另外由于數(shù)據(jù)導出過程難以監(jiān)督，測量人員對不合格數(shù)據(jù)進行修改成為可能，甚至會出現(xiàn)人為編造數(shù)據(jù)以假亂真的現(xiàn)象。沉降觀測數(shù)據(jù)采集通過水準儀獲取，臨時存儲于儀器，或手工記錄以保存數(shù)據(jù)，再通過手工導入或錄入平差軟件等可用于數(shù)據(jù)處理的軟件中進行人工數(shù)據(jù)處理分析，數(shù)據(jù)處理全程處于人工干預狀態(tài)[1]，最終導致的結(jié)果是數(shù)據(jù)的真實性難以得到保障，數(shù)據(jù)質(zhì)量低。

1.1.2 成本高效率低

傳統(tǒng)的沉降觀測方法內(nèi)業(yè)和外業(yè)作業(yè)人員一般由不同的人員擔任，即內(nèi)外業(yè)是隔離的。外業(yè)測量人員白天進行野外沉降數(shù)據(jù)采集，晚上內(nèi)業(yè)人員在辦公室對數(shù)據(jù)進行平差計算和匯總。這種作業(yè)方式增加了人員的投入，造成了成本高而工作效率低的現(xiàn)象。

1.1.3 異常數(shù)據(jù)反饋滯后

傳統(tǒng)的沉降觀測方法只有等內(nèi)業(yè)人員平差計算、數(shù)據(jù)成果匯總后才能知道測量數(shù)據(jù)是否合格、是否存在突變點、是否存在測量錯誤，測量員不具備在現(xiàn)場發(fā)異常數(shù)據(jù)的條件，無法及時進行觀測目標的重測和檢驗工作，異常數(shù)據(jù)信息反饋滯后比較嚴重。

1.2 業(yè)務活動分析

通過對傳統(tǒng)的沉降觀測方法缺陷的分析，提出研發(fā)一種能夠提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、降低成本提高效率、加快異常數(shù)據(jù)反饋速度的沉降觀測系統(tǒng)。如圖1業(yè)務活動圖所示：

沉降觀測系統(tǒng)業(yè)務流程圖分為兩個垂直泳道，分別表示沉降觀測作業(yè)中的外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個方面。查看泳道中的活動即可了解不同方面所承擔的職責，而不同活動之間的過渡幫助我們了解不同活動之間的依賴關(guān)系。

1.3 可行性分析

1.3.1 技術(shù)可行性分析

考慮到電子水準儀在現(xiàn)階段幾何水準測量中應用廣泛[2]，系統(tǒng)主要面向高精度的電子水準儀進行開發(fā)；研發(fā)團隊成員具備基于Android的移動應用開發(fā)和沉降平差算法實現(xiàn)的能力；通過電子水準儀機身上的RS232串口轉(zhuǎn)換成外接藍牙設(shè)備，從而具備了電子水準儀和Android移動設(shè)備通過藍牙進行雙向通信的基礎(chǔ)；測量數(shù)據(jù)無法存儲在存儲卡上，而是通過RS232串口直接上發(fā)到移動設(shè)備上，并試用256位AES對稱加密技術(shù)進行加密處理，以密文的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，不受人為篡改等外界因素的干擾，從而提高測量數(shù)據(jù)質(zhì)量；為建立順暢的信息反饋渠道及完善的信息反饋流程[3]，系統(tǒng)超限提示等預警措施提高了異常數(shù)據(jù)反饋的時效性。

1.3.2 經(jīng)濟可行性分析

內(nèi)外業(yè)可由同一個測量人員擔任，減少測量人員分配的同時降低了數(shù)據(jù)平差工作量，從而提高工作效率，具備了在沉降觀測領(lǐng)域廣泛應用的經(jīng)濟可行性。

1.4 沉降觀測系統(tǒng)需求概括

測量人員可利用裝有Android操作系統(tǒng)的平板電腦或手機，通過操作沉降觀測系統(tǒng)來遙控電子水準儀進行沉降數(shù)據(jù)采集。測量所得數(shù)據(jù)通過RS232串口轉(zhuǎn)藍牙方式上發(fā)給平板電腦或手機上，避免外界因素的干擾保障測量數(shù)據(jù)質(zhì)量。系統(tǒng)能在測量作業(yè)完成后立刻進行精密平差和成果文件的輸出。原始數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)可在系統(tǒng)中進行瀏覽，沉降曲線則非常直觀地展示測點或斷面沉降量隨時間的變化情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 概要設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)分析的輸出成果進行系統(tǒng)概要設(shè)計，將沉降觀測系統(tǒng)設(shè)計為三層架構(gòu)，兩種存儲模式相結(jié)合的軟件體系結(jié)構(gòu)。界面主要是人機交互的媒介，表現(xiàn)為一個供測量人員操作的可見軟件；業(yè)務邏輯層則實現(xiàn)了沉降觀測系統(tǒng)的功能需求；數(shù)據(jù)訪問層是數(shù)據(jù)持久化的一個通道；數(shù)據(jù)庫和成果文件則是測量數(shù)據(jù)的兩種不同的數(shù)據(jù)存儲模式。如圖2序列圖所示：

2.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

測前設(shè)置：沉降觀測作業(yè)前，對儀器、線路、限差進行設(shè)置。

沉降觀測：系統(tǒng)遙控電子水準儀進行沉降觀測工作。

平差計算：對原始數(shù)據(jù)的平差計算及平差結(jié)果數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)瀏覽：瀏覽數(shù)據(jù)成果和沉降曲線圖，并可對其進行分享。

統(tǒng)計分析：對沉降變形狀態(tài)作出評估、判斷和預測，為工程的進一步施工提供了可靠的資料[4]。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.3.1 命名設(shè)計規(guī)范

（1）對象名稱應當準確完整地描述對象的含義。

（2）數(shù)據(jù)庫對象的命名應當避免和系統(tǒng)原有的對象名稱（如：系統(tǒng)表、系統(tǒng)存儲過程等）混淆。

（3）對象名稱中不同的單詞間應當能夠方便的區(qū)分開。

（4）整體上使用Pascal命名規(guī)則。

（5）規(guī)范格式：t_表名（字母全部小寫），例如，測量原始數(shù)據(jù)信息表定義為：t_bclass。

（6）表字段的定義：字段名稱全部小寫，特殊字段可大小寫混用，根據(jù)需要可添加下劃線。例如，表t_bclass中的字段標識Id定義為：_id。

（7）表字段類型為日期類型時的定義：一般日期型的字段設(shè)為datetime類型。

（8）E-R圖即實體（Entity）和聯(lián)系（Relationship）關(guān)系圖。

（9）其他數(shù)據(jù)庫表邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計所規(guī)定的內(nèi)容。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫選型

SQLite數(shù)據(jù)庫是一個輕量級、跨平臺的嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。它是進程內(nèi)的數(shù)據(jù)庫引擎，因此不存在客戶端和服務器，一般只需要帶上它的一個動態(tài)庫就可以使用它的全部功能，使用起來方便，而且開源、免費。鑒于以上優(yōu)點，沉降觀測系統(tǒng)選用SQLite數(shù)據(jù)庫來存儲和管理沉降觀測數(shù)據(jù)。

2.3.3 概念數(shù)據(jù)模型設(shè)計

概念數(shù)據(jù)模型（CDM）提供了表示實體型、屬性和聯(lián)系的方法。

實體：用矩形表示，矩形框頂部寫明實體名。

屬性：用字段表示，放置在實體名下方。

聯(lián)系：用帶數(shù)量的線表示，線旁寫明聯(lián)系名。

根據(jù)要設(shè)計的數(shù)據(jù)庫對其中涉及到的實體、實體屬性和實體間的聯(lián)系進行分析和設(shè)計。沉降觀測系統(tǒng)主要實體如下：項目實體、斷面實體、測點實體、測量員實體、工作基點實體、成果數(shù)據(jù)實體、原始數(shù)據(jù)實體、線路實體、電子水準儀實體等。

2.3.4 數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計

文章以原始數(shù)據(jù)表的邏輯結(jié)構(gòu)為例，如表1原始數(shù)據(jù)表所示：

2.4 指令集合設(shè)計

文章以徠卡DNA03電子準儀指令為例描述常用操作所對應的指令，具體內(nèi)容如表2徠卡DNA03電子水準儀指令所示：

3系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)分析與設(shè)計成果，使用Eclipse軟件開發(fā)工具、Java開發(fā)語言，對沉降觀測系統(tǒng)進行編碼實現(xiàn)，其具體表現(xiàn)形式為一款運行在Android操作系統(tǒng)上的應用程序。沉降觀測系統(tǒng)軟件界面如圖3儀器設(shè)置、圖4沉降觀測、圖5平差計算、圖6原始數(shù)據(jù)瀏覽、圖7成果數(shù)據(jù)瀏覽、圖8沉降曲線所示：

4結(jié)束語

系統(tǒng)研發(fā)完成后先后通過區(qū)間試點、用戶試用、第三方單位評測、專家組評審，目前已在北京十余條地鐵線中推廣應用，取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。軟件通過對大量沉降觀測數(shù)據(jù)的積累，可以找出與監(jiān)測目標實際沉降變形過程規(guī)律比較匹配的有實用價值的變形規(guī)律[5]，為高鐵、地鐵等工程建設(shè)的施工階段管理和危情預警提供高時效的決策支持。

參考文獻

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[2]羅維揚，劉少靖.電子水準儀在沉降觀測中的應用分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2015，10（34）：55-56.

[3]周小莉，張立鋒，巫山.信息化地鐵監(jiān)測方法研究[J].地理空間信息，2017，1（15）：82-84.

[4]孫清娟，師軍良.回歸分析在大橋沉降監(jiān)測預測中的應用[J].測繪通報，2016，7：90-93.

[5]郭子良.高速鐵路路基沉降觀測與預測評估技術(shù)簡介[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，6：119-120.

作者簡介：沈松雨，本科，研究方向為工程測量、地理信息系統(tǒng)工程。