物聯網與云技術支持下的水平角測量信息化實訓教學設計

鄭　闊，薄志毅，李長青，趙小平，陳緒軍

(1. 北京工業職業技術學院，北京 100042； 2. 北京奧騰巖石科技有限公司，北京 100176)

教育信息化是國家信息化的重要組成部分，是改革教育理念和模式的深刻革命[1]。隨著物聯網和云技術的快速發展，相關技術也已經普遍運用到信息化教學中。但是在工程測量基礎教學，尤其是基于全站儀的實訓教學中，相關技術還鮮有應用。本文基于拓普康WINCE全站儀開發物聯網與云模塊，實現了水平角測量實訓云教學平臺。該技術對其他全站儀、測量機器人相關教學及實際生產工作均具有借鑒意義。

1　水平角測量實訓教學分析

本次實訓內容選自高職高專十二五規劃教材《建筑工程測量》課程項目3“水平角測量”，課時設計為4學時。水平角測量是建筑施工測量、竣工測量、變形監測等工程中的基礎內容，主要方法有測回法和方向法，使用的主要儀器有經緯儀、全站儀。本實訓以施工測量放樣點角度檢核任務為依托，使用全站儀測回法進行放樣點與已知方向水平角測量工作。通過本項目的訓練，完成知識、技能、素質培養與提高的教學目標。

本項目授課對象為建筑工程技術專業二年級學生，學生前期已經學習了相關專業課程，對測量知識有了需求認知，但是面對全站儀結構圖，感覺復雜不直觀、測角原理抽象難理解，儀器操作還需規范。

由教學內容和學情分析確定本次教學的重點為全站儀水平角測量操作；教學的難點為水平角測量原理與精度判定。

2　水平角測量實訓教學策略

根據對教學重點和難點的剖析，本次教學要點為原理理解、結構認知、儀器操作、數據計算。

水平角為地面上一點到兩目標的方向線投影到水平面上的夾角，水平角的測量是利用平行于水平面的水平刻度盤和觀測方向線在刻度盤上讀數的指標進行的。

針對水平角定義和測角原理，通過二維動畫、游標經緯儀視頻，將抽象原理形象化，便于學生理解掌握，解決教學難點問題。

全站儀結構復雜，功能構件多，因此熟練認知操作是水平角測量的重要基礎技能。

針對以上問題，通過三維虛擬仿真軟件，學生可360°熟悉儀器部件，反復練習。

水平角測量流程可分解為對中整平、瞄準調焦、盤左盤右一測回觀測3大環節。各環節獨立練習，提高了學習效率。同時對每個環節制定學習內容和要求標準，輔以信息化手段，加強操作練習效果，解決教學重點問題。

結合實際記錄案例，動態布置在Excel表中設計制作水平角測量記錄手簿任務，加深學生對水平角觀測記錄計算精度判定的理解與掌握。

通過對全站儀軟硬件的開發，實現了水平角測量云教學平臺，使實訓教學與管理高效化。平臺由機載水平角測量軟件、服務器及網頁端、全站儀無線云模塊組成。整個實訓教學從重難點出發制定教學流程，對應不同的教學方法，采用高效的信息化手段達到預定的教學目標。

3　水平角測量云教學平臺

3.1　全站儀無線云模塊

云教學系統最核心的功能為首次在全站儀上實現了測量數據云端管理的數據管理模式，即俗稱的“云模式”。在拓普康品牌的OS、DS、PS、MS系列等采用WinCE平臺的全站儀設備，只需要將云模塊通過USB口安裝到全站儀上，就可以直接使用，無需任何儀器改裝，真正做到即插即用。而且，數據的云端管理還只是系統模塊的最基本功能，它內含GNSS定位模塊、3.5 G網絡通信模塊等，優良的做工及完善的后處理軟件的支持，使整個全站儀測量教學與工作產生了革命性的改進。云模塊功能構成如圖1所示。

3.2　機載水平角測量軟件

全站儀工作時不僅要保證測量數據的高精度及準確性，更要注重數據的安全性和整體工作的高效率。在以往工作中，時常會出現由于儀器損壞造成的數據丟失、數據管理問題造成的漏測和錯誤測量，以及最常見的由于控制數據和測量數據進行交互耗費大量的時間精力導致的整體工作效率低下，因此配套開發了水平角測量系統機載軟件，利用邊測邊

上傳的模式，杜絕了數據丟失的尷尬問題；利用隨時調用服務器控制數據及當前測量任務，徹底避免了返工的情況發生；利用實時得到的外業信息，極大加快了內業的作業效率。軟件主要工作界面如圖2所示。

圖1　云模塊功能構成

圖2　水平角測量系統

3.3　服務器及網頁端

實訓教學通過云平臺進行全過程監督與管理。首先教師在服務器錄入學生信息，觀測前學生通過機載軟件按學號登錄服務器，觀測過程中學生除了現場記錄計算外，測量數據隨測、隨傳、隨存、隨查，合格數據可生成成果報告；教師實時了解學生測量過程數據質量并及時指導，監督學生實測數據的真實性，避免涂改原始數據，培養學生誠信意識。云管理功能構成如圖3所示。

圖3　云管理功能構成

4　教學實施

課前教師利用水平角測量知識微信微傳單發放預習資料，學生可以隨時隨地自主學習、理解原理。

教師通過網絡課程發布任務書和輔助學習資料，學生以小組為單位接收任務、學習知識、完成測試。教師批改作業，根據學習反饋調整教學設計。

課堂促做過程分為仿真操作(45 min)、任務創設(10 min)、教師演示(35 min)、學生練習(45 min)、任務完成(30 min)5個教學環節。

4.1　仿真操作

全站儀操作過程復雜，靈敏度高，操作不當容易導致設備損壞，因此采用先模擬練習、后實操的教學方式。

模擬操作包括學習訓練和任務考核。其中學習訓練模塊學生可靈活選擇水平角測量的不同環節進行練習，實現個性化、差異化教學。

任務考核模塊學生可及時自行考核，系統自動評定成績。

4.2　任務創設

模擬仿真結束后進入任務創設階段，在實習現場指導學生對已知方向OA、測站O、待檢核點B的踏勘，布置儀器架設與水平角測量任務。

4.3　教師演示

在學生實測之前，教師先進行示范。首先是對中整平，教師與學生互動操作，做中教，做中學。

瞄準目標的步驟為粗略瞄準、精確瞄準、消除視差。教師在此環節講解儀器構件名稱、使用方法及安全注意事項。

觀測分為盤左盤右兩個半測回。①首先盤左瞄準目標A，配度盤至0000′00″，讀取a1。順時針旋轉儀器照準部瞄準目標B，讀取b1。則上半測回角值:β1=b1-a1。②盤右瞄準目標B，讀取b2，逆時針旋轉照準部瞄準目標A，讀取a2。則下半測回角值:β2=b2-a2。若β1β2較差小于限差要求，則取均值為水平角角度值。

觀測過程中及時將觀測數據記錄到手簿中，采取偶舍奇進原則計算一測回角度值，檢查數據是否合格。

4.4　學生練習

教師完成示范教學后，各小組首先操作練習，教師分別指導，及時解決問題。

4.5　任務完成

任務完成階段，采用小組競賽的方式，教師與學生共同裁判。水平角測量在線管理如圖4所示。

圖4　水平角測量在線管理

5　結　論

信息技術改變了傳統教學。本次實訓教學的創新點主要有：

(1) 實現了測量實訓云教學平臺，增強了教學指導針對性，避免了學生測量不規范行為。

(2) 虛擬仿真與電子手簿制作與使用，通過獨具特色的教學方式使學生對儀器操作的規范度提高，對知識掌握的理解加深，能有效解決教學重點難點，具備獨立解決問題的能力，使得學生參加各級技能大賽的積極性和成績逐年提高。

此外，基于本系統的設計理念，水平角云教學平臺可以推廣為包括學生管理、設備管理、成績管理等內容的完整實訓教學與管理系統，并進一步開發為基于全站儀的遠程測量與管理系統。鑒于學生成績與測量數據的客觀性與保密性，系統可進一步進行權限管理與加密功能。通過對用戶的權限等級設置，可以具有不同的控制數據能力，如最高權限的管理員，可以查看到使用設備的作業地點、狀態、工作時間、數據使用情況甚至是遠程鎖定及修改數據等，具有完全支配設備的權力。同樣，負責內業數據處理的人員則可以實時地進行數據級別的調取和查看，而對設備本身的工作狀態等信息無法查看。因此可以根據工作人員所負責的具體工作，制定不同的管理權限方案，在批量設備的大型項目上發揮至關重要的管理幫助。權限等級設置功能見表1。

表1　權限等級設置

參考文獻：

[1] 教育部職業院校信息化教學指導委員會賽事工作專門委員會(籌).全國職業院校信息化教學大賽部分優秀作品點評[M].北京：高等教育出版社，2016.

[2] 徐茂林，張賀，李海銘，等.基于測量機器人的露天礦邊坡位移監測系統[J].測繪科學，2015，40(1)：38-41.

[3] 王盼，吳兆福，張懷亮.測量機器人遠程控制應用設計[J].工程勘察，2017(2)：49-52.

[4] 杜永文，屈應照，龍淼.信息推送服務在農業物聯網中的應用研究[J].工業儀表與自動化裝置，2017(2)：22-26，34.

[5] 魏葉青，岳建平，齊冬梅.基于WinCE的嵌入式工業測量系統研究與開發[J].測繪通報，2009(10)：38-40.

[6] 王佩賢，馬真安，孫艷崇.基于GPRS的WinCE GTS-720全站儀數據自動傳輸研究[J].測繪科學，2008，33(6)：36-38.

[7] 孟小亮，邊馥苓.空間信息與傳感器網絡課程建設實踐探索[J].測繪通報，2014(12)：122-124.

[8] 劉經南.大數據與位置服務[J].測繪科學，2014，39(3)：3-9.

[9] 何壽福.無線通信技術在測繪工程中的應用研究[J].通信技術，2012(7)：94-96.

[10]余騰，胡伍生，周立，等.高校測繪工程專業“測量儀器學”課程的改革與實踐[J].測繪通報，2017(5)：147-151.

[11]吳戰廣，張獻州，張瑞，等.基于物聯網三層架構的地下工程測量機器人遠程變形監測系統[J].測繪工程，2017，26(2)：42-47，51.

[12]孫光林,陶志剛,宮偉力.邊坡災害監測預警物聯網系統及工程應用[J].中國礦業大學學報，2017，46(2)：285-291.

[13]張秀麗.地鐵隧道施工實時監測系統及應用研究[D].沈陽：東北大學，2013.

[14]梅文勝，張正祿，郭際明.測量機器人變形監測系統軟件研究[J].武漢大學學報(信息科學版)，2002，27(2)：165-171.

[15]王宇會，蔣利龍．GeoCOM對測量機器人的開發與應用[J]．礦山測量，2009，4(2)：56-57.