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        基于Android的沉降觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2017-04-26 19:22:18沈松雨
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年10期
        關(guān)鍵詞:沉降觀測(cè)藍(lán)牙

        摘 要:沉降觀測(cè)是精密工程測(cè)量的一個(gè)重要組成部分,其廣泛應(yīng)用于高速鐵路線下工程、地鐵、建筑物的變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域之中。傳統(tǒng)的沉降觀測(cè)方法存在測(cè)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(duì)基于Android系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)、藍(lán)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(jì)實(shí)現(xiàn)了一套沉降觀測(cè)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(lán)牙設(shè)備遙控電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降觀測(cè),并將測(cè)量數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中,減少外界因素的影響,從而提高數(shù)據(jù)質(zhì)量;測(cè)量過程中通過文字和語音的方式實(shí)時(shí)進(jìn)行超限提示,并且可在測(cè)量任務(wù)結(jié)束后立刻進(jìn)行精密平差,測(cè)量人員在現(xiàn)場(chǎng)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(shí)加快了異常數(shù)據(jù)的反饋速度。

        關(guān)鍵詞:沉降觀測(cè);藍(lán)牙;Android;SQLite;AES

        引言

        沉降觀測(cè)是精密工程測(cè)量中的一種,具有工作量大、重復(fù)性作業(yè)多、觀測(cè)周期長(zhǎng)、精度要求高、數(shù)據(jù)影響大等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的沉降觀測(cè)方法作業(yè)方式使測(cè)量人員利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,測(cè)量結(jié)束后室內(nèi)利用精密平差軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)平差處理,然后將平差結(jié)果文件導(dǎo)入評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與管理,這種作業(yè)方式存在測(cè)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(cè)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(jī)制的沉降觀測(cè)系統(tǒng)亟待研發(fā)。

        1 系統(tǒng)分析

        1.1 傳統(tǒng)沉降觀測(cè)方法缺陷分析

        傳統(tǒng)的沉降觀測(cè)方法測(cè)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(duì)沉降觀測(cè)生產(chǎn)造成越來越大的負(fù)面影響。

        1.1.1 測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)平差計(jì)算和成果匯總,這個(gè)過程出現(xiàn)操作失誤不易發(fā)現(xiàn);另外由于數(shù)據(jù)導(dǎo)出過程難以監(jiān)督,測(cè)量人員對(duì)不合格數(shù)據(jù)進(jìn)行修改成為可能,甚至?xí)霈F(xiàn)人為編造數(shù)據(jù)以假亂真的現(xiàn)象。沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)采集通過水準(zhǔn)儀獲取,臨時(shí)存儲(chǔ)于儀器,或手工記錄以保存數(shù)據(jù),再通過手工導(dǎo)入或錄入平差軟件等可用于數(shù)據(jù)處理的軟件中進(jìn)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(yù)狀態(tài)[1],最終導(dǎo)致的結(jié)果是數(shù)據(jù)的真實(shí)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(cè)方法內(nèi)業(yè)和外業(yè)作業(yè)人員一般由不同的人員擔(dān)任,即內(nèi)外業(yè)是隔離的。外業(yè)測(cè)量人員白天進(jìn)行野外沉降數(shù)據(jù)采集,晚上內(nèi)業(yè)人員在辦公室對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)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(cè)方法只有等內(nèi)業(yè)人員平差計(jì)算、數(shù)據(jù)成果匯總后才能知道測(cè)量數(shù)據(jù)是否合格、是否存在突變點(diǎn)、是否存在測(cè)量錯(cuò)誤,測(cè)量員不具備在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)異常數(shù)據(jù)的條件,無法及時(shí)進(jìn)行觀測(cè)目標(biāo)的重測(cè)和檢驗(yàn)工作,異常數(shù)據(jù)信息反饋滯后比較嚴(yán)重。

        1.2 業(yè)務(wù)活動(dòng)分析

        通過對(duì)傳統(tǒng)的沉降觀測(cè)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(cè)系統(tǒng)。如圖1業(yè)務(wù)活動(dòng)圖所示:

        沉降觀測(cè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖分為兩個(gè)垂直泳道,分別表示沉降觀測(cè)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(gè)方面。查看泳道中的活動(dòng)即可了解不同方面所承擔(dān)的職責(zé),而不同活動(dòng)之間的過渡幫助我們了解不同活動(dòng)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(zhǔn)儀在現(xiàn)階段幾何水準(zhǔn)測(cè)量中應(yīng)用廣泛[2],系統(tǒng)主要面向高精度的電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行開發(fā);研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員具備基于Android的移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)和沉降平差算法實(shí)現(xiàn)的能力;通過電子水準(zhǔn)儀機(jī)身上的RS232串口轉(zhuǎn)換成外接藍(lán)牙設(shè)備,從而具備了電子水準(zhǔn)儀和Android移動(dòng)設(shè)備通過藍(lán)牙進(jìn)行雙向通信的基礎(chǔ);測(cè)量數(shù)據(jù)無法存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡上,而是通過RS232串口直接上發(fā)到移動(dòng)設(shè)備上,并試用256位AES對(duì)稱加密技術(shù)進(jìn)行加密處理,以密文的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,不受人為篡改等外界因素的干擾,從而提高測(cè)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(yù)警措施提高了異常數(shù)據(jù)反饋的時(shí)效性。

        1.3.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

        內(nèi)外業(yè)可由同一個(gè)測(cè)量人員擔(dān)任,減少測(cè)量人員分配的同時(shí)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(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性。

        1.4 沉降觀測(cè)系統(tǒng)需求概括

        測(cè)量人員可利用裝有Android操作系統(tǒng)的平板電腦或手機(jī),通過操作沉降觀測(cè)系統(tǒng)來遙控電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)采集。測(cè)量所得數(shù)據(jù)通過RS232串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙方式上發(fā)給平板電腦或手機(jī)上,避免外界因素的干擾保障測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量。系統(tǒng)能在測(cè)量作業(yè)完成后立刻進(jìn)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(jìn)行瀏覽,沉降曲線則非常直觀地展示測(cè)點(diǎn)或斷面沉降量隨時(shí)間的變化情況。

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 概要設(shè)計(jì)

        根據(jù)系統(tǒng)分析的輸出成果進(jìn)行系統(tǒng)概要設(shè)計(jì),將沉降觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層架構(gòu),兩種存儲(chǔ)模式相結(jié)合的軟件體系結(jié)構(gòu)。界面主要是人機(jī)交互的媒介,表現(xiàn)為一個(gè)供測(cè)量人員操作的可見軟件;業(yè)務(wù)邏輯層則實(shí)現(xiàn)了沉降觀測(cè)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(gè)通道;數(shù)據(jù)庫(kù)和成果文件則是測(cè)量數(shù)據(jù)的兩種不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式。如圖2序列圖所示:

        2.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        測(cè)前設(shè)置:沉降觀測(cè)作業(yè)前,對(duì)儀器、線路、限差進(jìn)行設(shè)置。

        沉降觀測(cè):系統(tǒng)遙控電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降觀測(cè)工作。

        平差計(jì)算:對(duì)原始數(shù)據(jù)的平差計(jì)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(duì)其進(jìn)行分享。

        統(tǒng)計(jì)分析:對(duì)沉降變形狀態(tài)作出評(píng)估、判斷和預(yù)測(cè),為工程的進(jìn)一步施工提供了可靠的資料[4]。

        2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

        2.3.1 命名設(shè)計(jì)規(guī)范

        (1)對(duì)象名稱應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確完整地描述對(duì)象的含義。

        (2)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的命名應(yīng)當(dāng)避免和系統(tǒng)原有的對(duì)象名稱(如:系統(tǒng)表、系統(tǒng)存儲(chǔ)過程等)混淆。

        (3)對(duì)象名稱中不同的單詞間應(yīng)當(dāng)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(cè)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(biāo)識(shí)Id定義為:_id。

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

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

        (9)其他數(shù)據(jù)庫(kù)表邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所規(guī)定的內(nèi)容。

        2.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)選型

        SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)輕量級(jí)、跨平臺(tái)的嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。它是進(jìn)程內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎,因此不存在客戶端和服務(wù)器,一般只需要帶上它的一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)就可以使用它的全部功能,使用起來方便,而且開源、免費(fèi)。鑒于以上優(yōu)點(diǎn),沉降觀測(cè)系統(tǒng)選用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)來存儲(chǔ)和管理沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)。

        2.3.3 概念數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

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

        實(shí)體:用矩形表示,矩形框頂部寫明實(shí)體名。

        屬性:用字段表示,放置在實(shí)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(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其中涉及到的實(shí)體、實(shí)體屬性和實(shí)體間的聯(lián)系進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。沉降觀測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)體如下:項(xiàng)目實(shí)體、斷面實(shí)體、測(cè)點(diǎn)實(shí)體、測(cè)量員實(shí)體、工作基點(diǎn)實(shí)體、成果數(shù)據(jù)實(shí)體、原始數(shù)據(jù)實(shí)體、線路實(shí)體、電子水準(zhǔn)儀實(shí)體等。

        2.3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)

        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(jì)

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

        3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        根據(jù)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)成果,使用Eclipse軟件開發(fā)工具、Java開發(fā)語言,對(duì)沉降觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn),其具體表現(xiàn)形式為一款運(yùn)行在Android操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序。沉降觀測(cè)系統(tǒng)軟件界面如圖3儀器設(shè)置、圖4沉降觀測(cè)、圖5平差計(jì)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(diǎn)、用戶試用、第三方單位評(píng)測(cè)、專家組評(píng)審,目前已在北京十余條地鐵線中推廣應(yīng)用,取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。軟件通過對(duì)大量沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累,可以找出與監(jiān)測(cè)目標(biāo)實(shí)際沉降變形過程規(guī)律比較匹配的有實(shí)用價(jià)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(yù)警提供高時(shí)效的決策支持。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王騰華.鐵路線下工程沉降觀測(cè)信息化管理技術(shù)與運(yùn)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017,1:6-10.

        [2]羅維揚(yáng),劉少靖.電子水準(zhǔn)儀在沉降觀測(cè)中的應(yīng)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(cè)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(cè)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2016,7:90-93.

        [5]郭子良.高速鐵路路基沉降觀測(cè)與預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù)簡(jiǎn)介[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2016,6:119-120.

        作者簡(jiǎn)介:沈松雨,本科,研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量、地理信息系統(tǒng)工程。

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