手機測量助手在鐵路工程監理中的應用研究

杜紅星，楊菲菲

(西安鐵一院工程咨詢管理有限公司,陜西 西安 710076)

0 引言

隨著科學技術的發展,人們越來越關注智能手機的開發研究。如果能將測繪成果復核驗收工作所需要的數據處理軟件和質量目標,結合工程設計要素,通過現代科學技術移植到Android移動智能手機中,就可大大改善監理工作人員對測繪成果驗收的工作效率,并降低工程建設監理測量成果驗收對測量專業人員在數量和技術水平的依賴。

本研究項目是基于Android操作系統移動智能手機的測量復核助手,能夠實現在野外實時采集數據,并實現快速數據處理,同時,以圖表形式,現場分析和展示監理工作中的測量復核結果,從而提高測量監理復核工作效率,降低對測量專業人員的要求。

1 國內外施工測量技術發展

國內在基于PC機平臺和Android平臺開發的全站儀、水準儀等行業通用測量軟件不少,如“科傻”“平差易”“測量員”“道路勘測大師”“工程測量大師”等等,大多數是測繪行業的測量數據處理軟件。其軟件計算簡單、功能單一、界面干凈、無冗余功能,擁有包括控制測量、水準高程計算、坐標正反算、交會定點、面積計算等多種功能,是工程施工測量技術人員的好助手。但其缺點是要么僅實現平差功能,要么僅實現數據采集或計算功能,且均缺少數據對比分析和圖表展示功能。

另外,現有基于全站儀、水準儀測量的APP軟件均是施工測量工作的前端,僅完成測量數據采集和簡易的數據處理,后期還需要專業測量技術人員,在PC機平臺上,利用其他測量數據處理軟件與文本編輯軟件進行測量數據的后處理,完成測量數據的對比分析和測量復核成果所需的圖表繪制等工作,最后再編寫并形成測量復核報告。

現階段,基于Android平臺,專門用于鐵路、地鐵工程建設監理行業應用的專業監理測量復核APP軟件還沒有。

2 監理測量復核工作情況

在工程監理行業,測量成果復核是非常常見和重要的日常工作,是工程建設測量成果質量驗收中的必備程序。現階段,既有工程監理的測量復核就是測量專業人員利用專業測量設備進行現場數據采集,并記錄或導出電子數據文件后,把數據記錄拿回到辦公室,利用PC機和既有專業測量數據處理軟件,對其進行計算,然后把計算成果和相關《測量規范》或《驗收標準》所規定的精度指標進行對比分析,并繪制相關圖表。當成果整理完成后,再按照檔案管理要求編寫監理測量復核報告,上交歸檔。

因此,針對工程測量監理的復核驗收需要多種應用軟件和平臺的集成,即便是便攜式筆記本電腦也很難解決測量驗收工時長,以及對專業技能要求高的問題。很難做到現場數據采集、實時計算和數據比對的一體化,并實時展示測量復核結果和所需要的圖表形式。不利于提高監理測量復核工作效率。這和現階段工程監理項目多、測量復核任務重、專業人員少、技術水平低的特點不匹配。則希望采用多功能集成的手段,以減少對測量專業技能的依賴和提高測量監理復核工作效率。

3 測量監理助手設計思想

利用既有成熟測量技術和智能手機,結合測量監理復核技術,實現一種基于Android操作系統移動智能手機的便攜式監理測量復核工具。它具有在野外實時進行數據采集(自動、手動)與測量成果的處理分析,同時,以圖表形式展示監理測量復核工作的結果等功能,從而提高測量監理復核工作效率。另外,通過專業化的區域管理與技術支持,可有效的降低對測量專業人員的數量和技能要求,從而促進測量監理工作的行業變革。具體設計思想如下。

3.1 手機助手測量基準

手機助手的測量基準是線路測量模型。就是利用線路測量參數和線路設計參數,通過三維建模原理建立線路測量模型。

1)線路測量參數。線路測量參數包含了線路的平面曲線(如表1所示)和豎曲線(如表2所示)。其線元參數均包含了線路的起止點坐標和交點坐標,以及曲線半徑等參數。

表1 交點數據格式

表2 坡度線數據格式

2)設計參數。線路設計參數包括用于線路上所有建構筑物測量的平面位置設計圖和結構立面圖。平面設計圖展示了建構筑物和線路的平面位置關系,結構立面圖展示建構筑物和線路的立面圖形關系。平面位置設計圖和結構立面圖的組合可全面顯示線路上某建構筑物的三維模型。

3)測量模型建立。三維模型的繪制在OpenGL ES框架內實現。Android圖形界面內的3D模型是通過OpenGL ES來渲染。OpenGL ES與硬件設備緊密相關,三維控件提供較高的繪制幀率。OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)是OpenGL三維圖形API的子集,針對手機、PDA和游戲主機等嵌入式設備而設計。

利用設計院提供的橋隧路基設計資料,依據線路測量基準和三維可視化BIM技術,建立車站、路基、隧道(見圖1)、橋梁(如圖2所示)等相關建構筑物的三維可視化可量測BIM模型,能夠更好的體現出BIM技術的綜合性優勢,保證工程各部分結構的直觀性。三維可視化不僅使得數據處理更加科學高效,也令監理人員對項目本身有更加清晰直觀的認識,可控性強,合理性得到優化。

3.2 結構點位設計坐標獲取

可量測三維可視化BIM模型上任意坐標的獲取是以線路設計線元為基準,依據結構設計模型關系,參照操作者的目標要求,依據工程測量原理[1],在BIM模型上計算任意結構物任意點坐標。數據計算依據線型不同,可分為直線和曲線等模式,計算原理如下:

1)直線段:已知線路直線段起點為S,終點為E,起點里程K0,平面坐標X,Y,直線的方向角α,對于里程為Kl處的中線P的坐標計算步驟為:

第一步:計算Kl處至該直線段起始里程K0處的長度l:l=Kl-K0;

第二步:利用公式Xl=X+l×cosα;Yl=Y+l×sinα計算Kl處坐標(Xl,Yl)。

2)緩和曲線段:設緩和曲線段起始點即ZH點里程為K0,平面坐標X,Y,緩和曲線起點的切線方向a,以及緩和曲線的總長度ls,半徑為R。

l為ZH點到中線點P的長度,沿里程增加方向向右拐時,則局部坐標系為式(1),沿里程增加方向向左拐時,則局部坐標系為式(2):

(1)

(2)

3)圓曲線段:設圓曲線段起始里程為K0,平面坐標X,Y,圓曲線起點的切線方向a,以及圓曲線的總長度ls,半徑為R。對于里程為Kl處的i點中線坐標計算步驟為:

a.計算Kl處至該直線段起始里程K0處的長度l:l=Kl-K0。

c.計算局部坐標系的坐標,線路右拐時計算式為式(3),線路左拐時為式(4)。

(3)

(4)

3.3 結構點位實測坐標獲取

利用既有成熟的藍牙或數據線聯機模式,實現手機測量監理助手APP和全站儀、水準儀、GPS接收機等設備的有效連接,實現測量儀器采集成果和智能手機的現場同步傳遞。如果APP增加測量儀器驅動功能,測量人員就可實時獲取測量點位坐標信息。

3.4 測量成果對比分析和圖表展示

監理測量成果與設計成果的對比分析和圖表輸出是手機測量監理助手的核心功能。主要包括測量成果的對比分析和圖表展示及成果報告輸出等。

1)數據對比分析:主要實現用全站儀等測量設備實測的數據和設計數據(三維結構模型讀取)的對比,依據相關技術參數確認實測數據是否滿足設計要求。其計算公示如下:

X=X實測-X設計模型;Y=Y實測-Y設計模型;Z=Z實測-Z設計模型。

2)成果圖表展示:主要是針對既有鐵路構筑物的監測變形數據或實測數據和設計模型的數據進行對比分析,以圖形和表格的形式展示監測數據的變化趨勢和監測結果,方便監理人員讀取和使用,以判斷施工現場的結構物安全性和結構物定位的準確性,如表3,圖3所示。

表3 某段鐵路道床豎向位移比較表

3)成果輸出:主要依據既有通用歸檔模板填寫相關測量數據實現測量監理復核成果報表的輸出,同時,依據既有數據自動繪制相關曲線圖和建立臺賬,根據報表要求進行輸出,方便監理人員歸檔整理,提高作業效率。

4 測量監理助手的實現

目前市面上主流的移動智能終端大多數搭載有蘋果的IOS系統和google的安卓系統,google的安卓系統自2007年正式公布以來,市場占有率較高,具有很強的開放性,方便技術人員在此基礎上研發出功能強大的第三方軟件[2]。從系統的成本和應用范圍考慮,本項目研發考慮采用基于google的安卓系統的平臺技術。

4.1 系統框架設計

移動端Android采集系統,開發框架采用MVP框架。應用程序使用MVC模式可以將處理數據邏輯的Model層和顯示用戶界面的View層的實現代碼進行分離,這樣即使要改變用戶界面也可以不依賴業務邏輯。為保證當Model改變時View也能同步更新,主要是通過Controller層來控制Model和View的同步。

View層主要是通過xml布局文件來實現Android應用程序界面的描述。Model層主要是對Android應用程序的數據通過模型對象進行存取。客戶端要處理的數據主要存儲在SQLite數據庫和SharedPreferences中,也通過Adapter將數據實體適配到View控件上。Controller層主要是從Model層或服務器端讀取數據,并通過Listener對點擊按鈕、選中Checkbox 等事件進行監聽,利用Activity,Service對事件進行處理,處理后將數據發送給View層,展示給用戶。

本系統所提供的功能不僅在客戶端的界面上顯示,也需要服務器端的后臺支持。用戶在系統上進行數據處理、成果對比分析、監測變形曲線分析等功能時,需要與服務器交換數據,對服務器端相應數據庫中的數據進行深加工處理。

4.2 手機測量助手APP

測量復核手機助手是采用云端數據庫技術和公司既有監理信息管理系統融合,基于Android系統移動智能手機的測量復核作業模式,其突破傳統外業、內業相互隔離的測量模式,實現了內外業一體化,使測量、分析、糾錯工作有效集成并可互相聯動,充分解放生產力,保障工程質量,提升生產效益,具有重要的現實意義。

監理測量復核助手系統主要由三部分組成:服務器、客戶端、數據采集器。服務器主要用于測量和監測數據庫的存儲;數據采集器(測量儀器)主要用于在建結構物測量數據的采集;客戶端(手機)主要是獲取測量記錄,在既有測量數據基礎上,對新增測量成果進行數據處理和對比分析,形成監理復核與分析報告,并上傳服務器歸檔保存。

軟件系統主要安裝在移動端手機上,通過手機藍牙連接的方式控制水準儀/全站儀進行觀測。所有測量數據的相關計算、分析都在手機上完成,測完之后實時計算出測點的結果。然后調用在建項目設計模型,通過線路設計模塊計算出該點的設計值,接著進行實測成果和設計成果的對比分析,分析完成后,依據報告模板編寫監理測量復核報告,并歸檔保存。具體作業流程如圖4所示。

4.3 功能模塊設計

測量復核手機助手主要功能模塊組成見圖5。其主要模塊的功能為:

1)項目管理:針對不同工程監理項目建立不同的項目管理模塊。

2)線路設計與指標管理:可以導入設計的平曲線和豎曲線資料、橋梁、隧道、路基等相對應的技術設計資料;系統內置目前高鐵和地鐵常用的復核限差指標(也可以支持自定義線差設置),滿足測量復核需求。

3)線路計算:依據設計參數,批量計算任意結構的坐標數據。

4)數據采集管理:連接測量儀器進行數據采集(需要配置自動化測量儀器—預留),并存儲到APP中;通過藍牙傳輸方式連接測量儀器,可將測量數據批量傳輸到APP中。

5)控制點復核:針對項目測量的控制點數據進行數據處理和復核成果的對比分析并形成驗收結論,支持導線網、水準高程網平差。

6)施工測量復核:分為單點數據和多點數據;單點數據是根據測量輸入的隧道、橋梁、路基、附屬結構的特征點坐標,依據設計參數計算該點的設計坐標,進而進行復核比較,輸出差異結果,并進行圖形化展示;多點復核是通過導入或者藍牙傳輸測量的隧道、橋梁、路基、附屬結構的特征點坐標,依據設計參數計算該點的設計坐標,進而進行復核比較,輸出差異結果,并進行圖形化展示。

7)監測數據管理:根據導入或者藍牙傳輸的監測數據,可進行不同時期雙方監測數據的對比分析,并進行某點或某工點的變形趨勢分析。輸出相關圖表。

8)圖表展示:可以根據用戶的需求展示測量監理成果數據、變形監測曲線,數據分析結果以曲線圖和報表的模式展示。

9)圖標輸出:可以根據用戶提供的數據成果模塊導出相關的圖形和報表數據。

5 測量監理助手的應用

利用上述設計思想初步完成了測量監理的手機復核基本功能,并在某高鐵項目進行了實驗,取得了良好效果。表現在:1)現場可以提交測量復核成果報告,有效提升監理工作效率;2)現場土建監理工程師可承擔測量監理復核工作,降低對人員技能的要求。下面舉例說明手機助手APP的使用效果。

5.1 某高鐵項目橋梁樁基的測量復核

某高鐵監理項目,全部為橋梁工程,測量專業人員使用手機助手APP監理設計基準后,交由土建工程師開展墩身樁基的測量復核工作,經過3個月的使用,完成了76根樁基和18個承臺的檢測,效果良好。

5.2 某高鐵地下車站圍護結構定位的測量報告

某地鐵項目的車站為地下車站,采用地連墻圍護結構,依據設計圖紙,監理對施工單位提交的定位成果進行測量復核,復核完成后利用手機助手APP功能輸出了監理復核成果表,圖6為監理測量復核記錄。

6 總結與展望

基于Android平臺的學生成績管理手機助手系統的設計[3]和面向老年人的Android手機健康助手APP的設計[4],已經在某大學成功研制和應用。基于智能手機的控制點測量成果管理助手[5]也已經在某測繪單位成功應用。

監理測量復核助手的應用研究是在既有施工測量軟件編程基礎上,融合成熟的監理測量復核技術和云端數據庫技術進行開發的,目前僅實現了數據對比分析和圖表顯示等功能,基本滿足了工程測量監理的工作需要,和全站儀、水準儀、GPS接收機等測量設備的聯機驅動,以及與既有信息管理平臺融合管理等功能還需進一步開發實現。

在實踐中,隨著既有功能的完善和越來越多的人對《監理測量復核手機助手》APP軟件掌握,可有效地降低對測量專業技術人員的技術素質和數量的要求,從而減少對測量專業人員的依賴,節省人力需求,實現監理測量復核工作的行業變革。