基于Android 的基坑變形自動化監測軟件設計與實現

鄭 暉，付 凱

（1. 武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022）

城市基坑開挖具有施工風險高、難度大等特點。隨著大型城市土地供求關系的日趨緊張，大型建（構）筑物都開始向上和向下拓展空間，因此基坑工程的開挖也越來越深。為保障基坑施工安全，對基坑監測提出了更高的要求。地下土體性質不明、荷載條件復雜、施工環境各異等不確定因素均對基坑施工安全構成威脅，因此基坑變形監測已成為確保基坑施工安全必不可少的重要環節。基坑監測通常采用測量機器人對監測點的水平和垂直位移進行監測，需要在作業現場通過數據線連接PC 和全站儀或測量機器人，然后使用PC 中的軟件將測量儀器上的監測數據下載到計算機，最后進行內業處理[1-2]。一方面，監測人員不僅需面對復雜的基坑工程現場施工環境，還需攜帶笨重的筆記本電腦和冗長的數據線，無形中增加了基坑變形監測作業的風險；另一方面，實際工作中一般需部署多臺測量設備才能覆蓋整個基坑變形監測范圍，這就使得監測人員需在多個觀測站之間重復下載各測站的監測數據，在PC 和測量儀器上頻繁插拔數據線，將在一定程度上降低儀器和線纜接口的使用壽命[3]。

目前搭載Android 操作系統的智能手機普遍內置了藍牙模塊。藍牙傳輸技術具有靈活、方便、快捷的特點，已在各行業得到廣泛應用[4-7]。本文擬基于輕便的Android 智能手機、無線藍牙通信技術和網絡通信技術開發基坑變形監測數據自動采集軟件。通過該軟件操作測量機器人實現基坑變形監測數據的自動采集、解析和存儲，實現測量儀器與后臺服務器的通信，實時獲取儀器測量信息和服務端測量信息，實時計算和檢核，以保證監測的即時性；同時采用便攜的Android 設備完成基坑巡檢和工況錄入，為基坑變形監測提供豐富的信息。

1 變形監測軟件數據通信鏈路

根據與Android 設備連接的硬件不同，可將變形監測軟件的數據通信鏈路分為3 個部分（圖1）：An?droid 設備與測量機器人的通信鏈路、Android 設備與服務器端的通信鏈路和Android 設備與其他移動終端協同的通信鏈路。這3 條通信鏈路相互協作，實現了基坑變形監測的內外業一體化作業，可提高基坑變形監測的便捷性、準確性、及時性和規范性。

圖1 基于Android系統的自動化監測軟件數據通信框架

1.1 Android設備與測量機器人的通信鏈路

為了解決傳統基坑監測外業觀測與內業處理脫節導致的監測成果準確性和實時性降低的問題，同時考慮傳輸距離、功耗、硬件成本等因素，軟件采用藍牙作為測量機器人與Android 設備的通信紐帶。若測量機器人未內置藍牙模塊，可外接藍牙適配器完成儀器RS232串口到藍牙的轉換，進而建立儀器與Android設備的藍牙通信。建立藍牙數據鏈路后，Android 設備可通過藍牙調用GeoCOM 接口向測量儀器發送ASCII指令[8]；測量機器人可自動獲取儀器信息、配置度盤和控制儀器觀測[9]。在完成初始學習后，正式觀測時測量機器人將請求的信息、配置結果、觀測結果返回給An?droid設備[10]。獲取儀器觀測數據后，軟件將自動記錄并實時處理監測數據；再將監測結果與測量規范進行比對，若閉合差等檢核量超限，設備將自動重測測點/測回；最后軟件將監測點本期監測結果與往期數據進行比對，若發現本次變形或累計變形超過預定閾值，則將視預警級別的不同向特定用戶發送預警信息[11]。Android設備與測量機器人的通信鏈路如圖2所示。

圖2 Android設備與測量機器人的通信鏈路

1.2 Android設備與服務器端的通信鏈路

通常采用XML 或JSON 文件格式進行數據交互，以實現Android移動端設備與服務器端的通信[12]。根據交互內容的不同，軟件將通信內容分為3 種：①初始化監測配置，移動端在選定監測項目后，將項目編號發送到服務器端，服務器端向移動端反饋該項目編號監測的配置信息，如監測對象、測項、測點等；②監測方案配置，在正式開始監測前，移動端需向服務器端請求具體的監測方案，服務器端將具體的監測方法、使用規范、權限參數以及預警閾值等反饋給移動端，以便指導移動端實施具體的監測；③觸發定期任務，服務器端根據預設流程，定期將計劃任務下達到移動端，移動端收到任務后，開展定期巡檢并記錄工況，再將記錄上傳至服務器端。Android 設備與服務器端的通信鏈路如圖3所示。

圖3 Android設備與服務器端的通信鏈路

1.3 Android設備與其他移動終端協同的通信鏈路

Android 設備獲取到測量機器人的觀測數據后，可通過互聯網將監測數據上傳至服務器，其他An?droid或iOS移動終端可從服務器上下載當前項目的觀測數據。這些移動終端可用于外業人員繪制草圖、觀測數據核查和反饋、基坑巡檢或工況記錄等工作，工作內容全部在移動端完成并采用流程表單管控，從而使內業數據處理和數據質檢更加科學規范。

2 軟件技術路線

2.1 軟件架構設計

軟件整體采用模型—視圖—控制器的架構進行設計。模型層存儲基本數據，實現業務邏輯處理對象的屬性定義和操作，為控制層提供數據和操作支撐，如數據庫存取操作、網絡操作、采集方式、采集方法、數據格式解析、耗時的任務等可重用的組件和功能模型；視圖層作為人機交互的界面，負責加載模型層的數據結果，顯示視圖層的繪制以及響應用戶的輸入；控制器層接收用戶在視圖層的輸入，并調用模型和視圖去完成用戶的請求。控制器作為聯系模型和視圖的紐帶，本身不輸出任何內容，其主要用來管理模型層與視圖層之間的數據傳遞，同時響應由視圖層觸發的各種事件[13]。

2.2 藍牙通信管理

藍牙技術是一種基于低成本的近距離無線鏈接技術，可為固定和移動設備建立無線通信渠道，從而使數據傳輸變得更加迅速高效。手機藍牙模塊的通信距離一般在15 m 以內。Android 平臺的藍牙模塊是基于BlueZ 協議棧實現的，該協議棧的底層協議層包括邏輯鏈路控制和適配協議（L2CAP）、服務發現協議（SDP）、電纜替代協議（RFCOMM）[14-15]等眾多協議。Android 的底層開發框架為開發者提供了操作藍牙功能的各類API，應用程序通過調用相應的API 即可連接其他藍牙設備，通過無線通信來操控藍牙設備。軟件基于Android Studio 3.5 集成開發環境，采用Java 語言開發。按照藍牙設備搜索、發現藍牙設備、建立藍牙鏈接、藍牙數據交互、關閉藍牙鏈接的流程實現Android設備與測量機器人的交互。

2.3 監測方案配置化管理

由于基坑安全等級要求的不同，各類基坑監測所需的監測內容各不相同。為了適應各類監測應用場景，系統預定義了與基坑監測有關的所有測項（圖4）、監測方法、監測頻率、報告模板、消息模板等，用戶按需從配置項中勾選符合應用場景的監測參數并保存，Andorid 移動端會向服務器請求并同步選定監測項目的監測方案配置化信息，方便外業作業人員開展實際監測工作。

圖4 基坑監測的測項配置勾選內容

3 軟件功能模塊

基坑變形自動化監測軟件根據基坑工程現場變形監測需求，設計并實現了項目管理、數據采集、數據分析、監測巡檢、工況錄入5個功能模塊。

3.1 項目管理模塊

用戶打開Android 終端上安裝的基坑監測軟件后，默認以列表的形式展示該用戶參與的所有基坑監測項目（圖5a），為了方便用戶掌握項目的大致位置，可切換到項目的地圖瀏覽模式（圖5b）。用戶選定待監測的基坑項目后，系統會讀取服務器中預設的該監測項目所有的監測對象，點擊監測對象后，將顯示為該監測對象配置的各種監測項。

圖5 基坑監測項目列表和地圖瀏覽模式

3.2 數據采集模塊

用戶選擇基坑監測項后，再選擇該監測項實際監測作業采用的測量機器人型號。軟件支持本地文件、U 盤文件、儀器文件3 種監測數據來源，選擇對應的文件后，軟件會按照各儀器廠商的數據編碼結構對數據進行解碼。解碼后的數據以直觀形象的表格形式進行展示（圖6a），確認數據以及各項參數設置正確后，可將數據上傳至服務器（圖6b）。

圖6 觀測數據解析與上傳

3.3 數據分析模塊

測量機器人在完成初始學習后，會按照預設的流程自動進行觀測。當觀測數據累積到可進行監測指標計算后，軟件立即對可檢核的誤差指標進行計算，如距離較差、半測回歸零差、一測回2C 值與互差、各測回的較差等，若指標超限，軟件將記錄超限指標日志，并自動進行重測或加測。每一測回完成后都將計算一次測點坐標，并與觀測點的初值和上期坐標進行對比，計算兩期數據周期的變形量和變形速率，若指標超限，將立刻發送預警信息至服務器，由內業作業人員核實預警信息，核實無誤后再將預警信息以短信、微信、郵件等形式推送給需接收預警信息的用戶。

3.4 監測巡檢模塊

每個基坑監測項目都會定期進行變形監測，這種監測主要針對容易產生變形的監測點，監測數據也只能準確反映監測點的變形情況。為了確保基坑結構安全，軟件提供了巡檢功能，可按照基坑的安全等級設定巡檢的頻次。到了設定的時間，軟件會自動發起巡檢（圖7a）。外業作業人員可根據設定的巡檢項清單對基坑結構進行全方位的巡檢，并按實際巡檢結果如實填寫巡檢記錄，若巡檢過程中發現異常項可通過文字、圖片、視頻記錄安全隱患，所有巡檢記錄將統一上傳至服務器存檔（圖7b）。

圖7 基坑巡檢和工況記錄

3.5 工況錄入模塊

由于基坑支護結構建立后，施工單位會在基坑中連續挖土，導致基坑支護結構所受荷載頻繁變化，如果施工方法或工藝選擇不當，將影響基坑支護結構的安全性，因此施工工況也屬于基坑監測的重要組成部分。軟件提供了工況記錄功能，監測人員可利用軟件以文字、圖片、視頻的方式對基坑施工各階段的工況進行記錄，所有工況信息將上傳至服務器，便于后期進行工況回溯。

4 結 語

作為基坑工程施工中的一個重要環節，基坑監測需采用各種監測手段對基坑的巖土性狀、支護結構變形和周圍環境條件變化情況進行持續的記錄和分析，并及時反饋監測結果，確保基坑施工安全。本文設計了一套基于Android 設備的基坑變形自動化監測軟件，實現了基坑監測數據的自動采集、檢核和存儲，便于內業開展基坑變形情況分析，實時上報基坑工程巡檢和工況記錄，讓監測者和管理者能及時了解基坑的安全情況。實際應用效果表明，該軟件將施工現場測量機器人觀測的信息與服務器端工程信息綜合在一起，提升了監測作業效率，確保了監測數據的準確性和完整性，可滿足當前基坑變形監測便捷、準確、及時、規范的工作要求。