基于Android的沉降觀測系統的設計與實現

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、建筑物的變形監測領域之中。傳統的沉降觀測方法存在測量數據質量低、成本高效率低、異常數據反饋滯后等缺陷。為了解決這些缺陷，對基于Android系統應用開發、藍牙通訊技術、平差算法、數據加密技術等方面的分析與研究，設計實現了一套沉降觀測系統。系統是基于Android的沉降數據采集與數據管理軟件，能夠通過串口轉藍牙設備遙控電子水準儀進行沉降觀測，并將測量數據加密存儲在SQLite數據庫中，減少外界因素的影響，從而提高數據質量；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束后立刻進行精密平差，測量人員在現場立刻能夠判斷是否存在異常數據，內外業一體化的同時加快了異常數據的反饋速度。

關鍵詞：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、重復性作業多、觀測周期長、精度要求高、數據影響大等特點。傳統的沉降觀測方法作業方式使測量人員利用水準儀進行外業數據采集，測量結束后室內利用精密平差軟件進行數據平差處理，然后將平差結果文件導入評估軟件實現對數據的統計分析與管理，這種作業方式存在測量數據質量低、內外業隔離、異常數據反饋滯后等諸多問題。一種測量數據質量高、內外業一體化、具備異常數據快速反饋機制的沉降觀測系統亟待研發。

1 系統分析

1.1 傳統沉降觀測方法缺陷分析

傳統的沉降觀測方法測量數據質量低、成本高工作效率低、異常數據反饋滯后，這些缺陷已經對沉降觀測生產造成越來越大的負面影響。

1.1.1 測量數據質量低

外業數據采集結束后，需要專職的內業人員進行數據平差計算和成果匯總，這個過程出現操作失誤不易發現；另外由于數據導出過程難以監督，測量人員對不合格數據進行修改成為可能，甚至會出現人為編造數據以假亂真的現象。沉降觀測數據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據，再通過手工導入或錄入平差軟件等可用于數據處理的軟件中進行人工數據處理分析，數據處理全程處于人工干預狀態[1]，最終導致的結果是數據的真實性難以得到保障，數據質量低。

1.1.2 成本高效率低

傳統的沉降觀測方法內業和外業作業人員一般由不同的人員擔任，即內外業是隔離的。外業測量人員白天進行野外沉降數據采集，晚上內業人員在辦公室對數據進行平差計算和匯總。這種作業方式增加了人員的投入，造成了成本高而工作效率低的現象。

1.1.3 異常數據反饋滯后

傳統的沉降觀測方法只有等內業人員平差計算、數據成果匯總后才能知道測量數據是否合格、是否存在突變點、是否存在測量錯誤，測量員不具備在現場發異常數據的條件，無法及時進行觀測目標的重測和檢驗工作，異常數據信息反饋滯后比較嚴重。

1.2 業務活動分析

通過對傳統的沉降觀測方法缺陷的分析，提出研發一種能夠提高數據質量、降低成本提高效率、加快異常數據反饋速度的沉降觀測系統。如圖1業務活動圖所示：

沉降觀測系統業務流程圖分為兩個垂直泳道，分別表示沉降觀測作業中的外業數據采集和內業數據處理兩個方面。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系。

1.3 可行性分析

1.3.1 技術可行性分析

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

1.3.2 經濟可行性分析

內外業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據平差工作量，從而提高工作效率，具備了在沉降觀測領域廣泛應用的經濟可行性。

1.4 沉降觀測系統需求概括

測量人員可利用裝有Android操作系統的平板電腦或手機，通過操作沉降觀測系統來遙控電子水準儀進行沉降數據采集。測量所得數據通過RS232串口轉藍牙方式上發給平板電腦或手機上，避免外界因素的干擾保障測量數據質量。系統能在測量作業完成后立刻進行精密平差和成果文件的輸出。原始數據和成果數據可在系統中進行瀏覽，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 系統設計

2.1 概要設計

根據系統分析的輸出成果進行系統概要設計，將沉降觀測系統設計為三層架構，兩種存儲模式相結合的軟件體系結構。界面主要是人機交互的媒介，表現為一個供測量人員操作的可見軟件；業務邏輯層則實現了沉降觀測系統的功能需求；數據訪問層是數據持久化的一個通道；數據庫和成果文件則是測量數據的兩種不同的數據存儲模式。如圖2序列圖所示：

2.2 功能結構設計

測前設置：沉降觀測作業前，對儀器、線路、限差進行設置。

沉降觀測：系統遙控電子水準儀進行沉降觀測工作。

平差計算：對原始數據的平差計算及平差結果數據處理。

數據瀏覽：瀏覽數據成果和沉降曲線圖，并可對其進行分享。

統計分析：對沉降變形狀態作出評估、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 數據庫設計

2.3.1 命名設計規范

（1）對象名稱應當準確完整地描述對象的含義。

（2）數據庫對象的命名應當避免和系統原有的對象名稱（如：系統表、系統存儲過程等）混淆。

（3）對象名稱中不同的單詞間應當能夠方便的區分開。

（4）整體上使用Pascal命名規則。

（5）規范格式：t_表名（字母全部小寫），例如，測量原始數據信息表定義為：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為datetime類型。

（8）E-R圖即實體（Entity）和聯系（Relationship）關系圖。

（9）其他數據庫表邏輯結構設計所規定的內容。

2.3.2 數據庫選型

SQLite數據庫是一個輕量級、跨平臺的嵌入式關系型數據庫。它是進程內的數據庫引擎，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。鑒于以上優點，沉降觀測系統選用SQLite數據庫來存儲和管理沉降觀測數據。

2.3.3 概念數據模型設計

概念數據模型（CDM）提供了表示實體型、屬性和聯系的方法。

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。

聯系：用帶數量的線表示，線旁寫明聯系名。

根據要設計的數據庫對其中涉及到的實體、實體屬性和實體間的聯系進行分析和設計。沉降觀測系統主要實體如下：項目實體、斷面實體、測點實體、測量員實體、工作基點實體、成果數據實體、原始數據實體、線路實體、電子水準儀實體等。

2.3.4 數據庫邏輯設計

文章以原始數據表的邏輯結構為例，如表1原始數據表所示：

2.4 指令集合設計

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，具體內容如表2徠卡DNA03電子水準儀指令所示：

3系統實現

根據系統分析與設計成果，使用Eclipse軟件開發工具、Java開發語言，對沉降觀測系統進行編碼實現，其具體表現形式為一款運行在Android操作系統上的應用程序。沉降觀測系統軟件界面如圖3儀器設置、圖4沉降觀測、圖5平差計算、圖6原始數據瀏覽、圖7成果數據瀏覽、圖8沉降曲線所示：

4結束語

系統研發完成后先后通過區間試點、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，取得顯著的經濟效益和社會效益。軟件通過對大量沉降觀測數據的積累，可以找出與監測目標實際沉降變形過程規律比較匹配的有實用價值的變形規律[5]，為高鐵、地鐵等工程建設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

[1]王騰華.鐵路線下工程沉降觀測信息化管理技術與運用[J].科技創新與應用，2017，1：6-10.

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

[3]周小莉，張立鋒，巫山.信息化地鐵監測方法研究[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簡介[J].中國新技術新產品，2016，6：119-120.

作者簡介：沈松雨，本科，研究方向為工程測量、地理信息系統工程。