范 恩， 李乾坤， 胡珂立， 吳瑞潛

1(深圳大學(xué) 信息工程學(xué)院， 深圳 518060)

2(紹興文理學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院， 紹興 312000)

3(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院， 紹興 312000)

近年來， 由于智能手機集成無線連接、多傳感器傳信息融合以及智能信息處理等技術(shù)， 它們被廣泛地應(yīng)用于諸多領(lǐng)域[1-3]. 考慮到智能手機系統(tǒng)具有開放的操作系統(tǒng)、人性化的用戶界面、高性能的計算能力以及良好的擴展性， 基于智能手機系統(tǒng)的移動應(yīng)用軟件開發(fā)也逐漸受到許多研究人員和軟件工程師的關(guān)注[4，5]. 盡管這類移動應(yīng)用軟件被大量開發(fā)和廣泛使用， 但是專業(yè)的移動應(yīng)用軟件依然不足， 其市場需求量還在不斷增加.

在野外地質(zhì)勘測工作中， 使用記錄紙記錄測量數(shù)據(jù)， 具有一定的局限性， 不僅工作量大、容易出錯， 而且攜帶測量儀器也非常不方便， 因而極大地限制了土木工程師野外勘測的工作效率[6-8]. 例如， 在巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀信息的測量過程中， 需要對結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角等參數(shù)進行測量， 然而目前仍然采用電子羅盤作為主要的測量工具. 考慮到智能手機先進的集成技術(shù)以及便攜優(yōu)勢， 基于智能手機的移動應(yīng)用軟件為自動記錄野外地質(zhì)測量數(shù)據(jù)提供了一種很好的解決方案[2]. 針對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理的整個過程， 均可以采用移動應(yīng)用軟件來實現(xiàn). 其中， 測量數(shù)據(jù)的自動采集和存儲， 主要包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、核檢與查詢， 實現(xiàn)這些功能的移動應(yīng)用軟件通常被稱為電子手簿[7，9，10].

為了處理地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)， 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所開發(fā)出一套智能數(shù)據(jù)助手 (Intelligent Digital Assistant， IDA)系統(tǒng). 它主要由手機端APP和PC端軟件組成. 為了保證系統(tǒng)功能的準確性， IDA系統(tǒng)針對智能手機的底層感應(yīng)器進行適當(dāng)修改. 然而由于IDA系統(tǒng)對智能手機機型有一定要求， 其應(yīng)用范圍也受到一定限制. 類似地， 清華大學(xué)水利電工系開發(fā)出一款地質(zhì)助手(GeoHelper) APP系統(tǒng)[11]. 雖然GeoHelper系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)的產(chǎn)狀測量功能， 并增加了繪圖功能和巖石特征查詢功能， 但是在繪圖過程中仍然需要手動輸入數(shù)據(jù)， 同樣也增加了用戶記錄數(shù)據(jù)的負擔(dān). 因此， 為了讓地質(zhì)勘測過程變得更加快捷和高效， 要求設(shè)計的APP系統(tǒng)在自動記錄數(shù)據(jù)的同時， 不僅能獲取精準的測量數(shù)據(jù)， 而且能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)及時保存. 此外， 還需要考慮土木工程師野外勘測的習(xí)慣， 以方便工程師后期對數(shù)據(jù)進一步分析和處理.

考慮到智能手機Android系統(tǒng)的快速發(fā)展， 2003年Android系統(tǒng)開始研發(fā)， 2007年Android 1.0上線，2018年Android P測試版已經(jīng)發(fā)布， 經(jīng)歷短短十五年的發(fā)展， 目前Anroid系統(tǒng)在智能手機市場的占有率高達80%以上[12]. 為此， 本文采用Android Studio作為開發(fā)工具， 開發(fā)一款基于Android平臺的土木工程地質(zhì)測量電子手簿APP系統(tǒng). 該系統(tǒng)首先利用SQLite數(shù)據(jù)庫對測量數(shù)據(jù)進行保存， 然后集成百度地圖作為工點定位工具， 最后采用Socket技術(shù)實現(xiàn)測試設(shè)備與電子手簿APP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互. 在具體的開發(fā)過程中， 結(jié)合野外地質(zhì)勘測環(huán)境的特點以及土木工程師的工作習(xí)慣， 進一步優(yōu)化該APP系統(tǒng)應(yīng)用界面的布局， 并不斷調(diào)試軟件操作的合理性， 使系統(tǒng)功能盡量貼近用戶的操作習(xí)慣， 從而提高土木工程師野外地質(zhì)勘測的工作效率. 與傳統(tǒng)的地質(zhì)測量電子手簿相比，本文開發(fā)的電子手薄APP系統(tǒng)在實現(xiàn)自動測量和自動記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 利用局域網(wǎng)實現(xiàn)測試設(shè)備與APP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互， 從而進一步降低測試過程中人工讀取數(shù)據(jù)的負擔(dān). 特別是在電荷載實驗中， 由于需要對不規(guī)則石塊進行壓力測試， 通過局域網(wǎng)傳輸測量數(shù)據(jù)， 較大地降低了石塊碎裂時可能產(chǎn)生的風(fēng)險.

1 系統(tǒng)的設(shè)計思想

為了減輕土木工程師在野外勘測工作中記錄數(shù)據(jù)的負擔(dān)， 本文開發(fā)的電子手簿系統(tǒng)通過調(diào)用智能手機所集成的先進技術(shù)， 能夠?qū)崿F(xiàn)多模測量數(shù)據(jù)的自動錄入. 為此， 本文以數(shù)據(jù)記錄為核心功能， 開發(fā)一款基于Android平臺的土木工程地質(zhì)測量電子手簿APP系統(tǒng).其主要功能包括: (1)利用SQLite數(shù)據(jù)庫保存野外采集的數(shù)據(jù)； (2)利用百度地圖作為定位工具， 獲取工點的定位信息； (3)利用陀螺儀傳感器， 采集巖體結(jié)構(gòu)面傾向和傾角信息； (4)利用智能手機的拍照、錄音等功能對巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀信息進行數(shù)據(jù)的多樣化采集； (5)利用Socket技術(shù)實現(xiàn)硬件測量設(shè)備與手機電子手簿APP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互， 輔助對巖石樣本的電荷載實驗.在具體開發(fā)過程中， 同時實現(xiàn)對象測量和數(shù)據(jù)記錄， 而且不需要進行額外的手工記錄工作， 極大地方便工程師后續(xù)對存儲的數(shù)據(jù)進一步分析和處理.

2 系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示， 系統(tǒng)由5個模塊組成: 項目管理、工點記錄、定位瀏覽、影音記錄以及電子羅盤. 其中， 項目工程記錄對應(yīng)項目管理模塊， 輔助的測量工具主要包括地圖定位模塊和電子羅盤模塊. 由于Android Studio作為谷歌官方推薦的開發(fā)工具， 相比Eclipse開發(fā)平臺， 它具有更高的開發(fā)效率[13]. 為此， 本系統(tǒng)使用Android Studio作為開發(fā)工具， 同時采用Java作為主要開發(fā)語言. 系統(tǒng)開發(fā)以測量數(shù)據(jù)的自動錄入為核心， 為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理等操作提供一系列的輔助工具， 使野外地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)的記錄或處理過程變得更加方便、準確和高效. 此外， 為了做到軟硬件結(jié)合， 測試過程中只需要用戶少量的確認操作就可以獲得一組實驗數(shù)據(jù).

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計在系統(tǒng)開發(fā)過程中尤為重要， 其合理性將直接影響整個程序的開發(fā)進度. 圖2給出了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模型. 其中， c_project為工程表， 所記錄結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測量信息都會對應(yīng)一個項目工程， 可以通過添加該表單來記錄工點結(jié)構(gòu)面信息屬于哪個表單. 在實際中， 每個工程項目均由一位工程師負責(zé)數(shù)據(jù)的記錄和管理， 每個項目都需要保存記錄人的基本信息. 因此，在表中， 通過姓名保存對應(yīng)工程師的信息. 另外， 工點也是項目中主要記錄信息之一， 是制定數(shù)據(jù)庫時必需的表單. 每個工點表都詳細地記錄工作地點的位置、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息. 側(cè)線是以一個工點為基點， 延伸出若干條側(cè)線信息. 這些側(cè)線都保存了各自的傾向與傾角信息.

在數(shù)據(jù)存儲方面， 本系統(tǒng)將每個項目單獨存儲為一個數(shù)據(jù)庫文件， 并將項目名稱作為數(shù)據(jù)庫文件名. 在單個項目中可能存在多地點工程， 每個工程信息存儲在表c_project中. 這里暫時存儲工程名稱、負責(zé)人id以及工程開始時間等信息. 工程的負責(zé)人id指向人員表， 在一個工程中會有許多工程師負責(zé)工程的不同的業(yè)務(wù). 表c_person記錄工程中每個人員的名字信息；c_point作為數(shù)據(jù)記錄的一個重要環(huán)節(jié)， 記錄項目的工點信息. 其中， 工點信息包含具體的工作地點(經(jīng)緯度)，以及該地點的地質(zhì)環(huán)境信息. 由于一個工點可以延伸多個側(cè)線信息， 根據(jù)側(cè)線與工點的關(guān)系， 可以記錄側(cè)線與工點的對應(yīng)關(guān)系以及側(cè)線的傾向和傾角， 同時在側(cè)線表l_record中生成側(cè)線的相關(guān)信息. 在每條側(cè)線上，可能存在多個結(jié)構(gòu)面信息， 根據(jù)該結(jié)構(gòu)面信息， 可以在結(jié)構(gòu)面表c_order中生成它的基本信息.

圖2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

除上述這些必要的數(shù)據(jù)外， 由于采用智能手機記錄測量數(shù)據(jù)， 還可以為工程和工點添加音頻格式和圖片格式的數(shù)據(jù)資料， 并保存在本地文件中. 根據(jù)文件的路徑、所屬工程和工點， 自動在影音表 multi_mechanices中添加對應(yīng)的信息記錄.

2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用Android Studio軟件進行開發(fā)， 使用Java語言進行操作邏輯編寫， 利用可擴展標記語言(XML)， 編輯界面布局， 采用SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)移動端數(shù)據(jù)存儲； 同時， 集成百度地圖獲取工點的定位信息， 并結(jié)合智能手采集的相關(guān)信息， 經(jīng)過處理后呈現(xiàn)在電子羅盤界面 上； 然后根據(jù)數(shù)據(jù)和界面顯示信息更新顯示指向， 完成對指針的旋轉(zhuǎn)， 從而顯示正確的指向. 通過電子羅盤可以減少物理羅盤操作過程中繁瑣的步驟， 而且讀數(shù)更加方便、快捷.

2.3.1 工點記錄

工點記錄模塊是對工點的一些基本信息進行保存，如圖3所示. 其中， 日期、記錄人以及編號是在根據(jù)使用者和系統(tǒng)當(dāng)前時間由系統(tǒng)自動生成； 定位信息在點擊R后， 跳轉(zhuǎn)界面獲取定位信息， 并將數(shù)據(jù)返回到當(dāng)前界面的對應(yīng)信息欄； 類似地， 產(chǎn)狀也是通過點擊R后，跳轉(zhuǎn)界面獲取到產(chǎn)狀信息后， 提交返回到當(dāng)前界面指定的信息欄中. 當(dāng)完成所有的信息錄入后， 點擊保存，實現(xiàn)將工點信息自動錄入到數(shù)據(jù)庫.

2.3.2 項目管理

項目管理的核心是實現(xiàn)對SQLite數(shù)據(jù)庫db文件的操作， 如圖 4 所示. 這里， 一個文件代表一個項目， 項目的新建和刪除都是通過Android系統(tǒng)對文件的操作完成. 由于一個項目可以包含多個工程， 因此在數(shù)據(jù)庫文件中可以通過工程新建一個表結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)信息的保存.

2.3.3 電子羅盤

電子羅盤是基于手機中陀螺儀傳感器實現(xiàn)的， 其設(shè)計界面如圖5所示. 首先獲取陀螺儀采集的相關(guān)信息， 經(jīng)過處理后呈現(xiàn)在智能手機顯示界面上， 再通過數(shù)據(jù)和界面顯示信息更新顯示指向， 完成對指針的旋轉(zhuǎn)，從而顯示正確的指向.

2.3.4 電荷載實驗

電荷載實驗需要采用WiFi網(wǎng)絡(luò)與外部測試設(shè)備連接， 從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互. 其中， 智能手機作為客戶端，通過Socket連接測試設(shè)備的內(nèi)置WiFi模塊， 同時建立socketServer服務(wù)， 最后通過傳輸協(xié)議實現(xiàn)外部測試設(shè)備與智能手機的數(shù)據(jù)通信. 相關(guān)傳輸指令包括開始實驗、數(shù)據(jù)字段和實驗結(jié)束等， 在電荷載試驗界面中分別對應(yīng)不同的按鈕， 如圖6所示.

圖3 工點記錄界面

圖4 項目管理界面

3 系統(tǒng)測試

3.1 項目管理測試

新建項目是新建一個以項目名為文件名的數(shù)據(jù)庫db文件， 并修改當(dāng)前工作項目為新建項目， 后續(xù)操作的數(shù)據(jù)庫文件為選中的數(shù)據(jù)庫文件. 在工程管理中， 可以通過預(yù)先定義的字段記錄數(shù)據(jù)， 從而規(guī)范數(shù)據(jù)類型， 保證記錄數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一. 然后， 將記錄數(shù)據(jù)的SQL文件保存在移動端， 為后續(xù)數(shù)據(jù)交互提供更多的可能性. 如文件復(fù)制， SQL文件可以在多類平臺上進行查看和修改.

具體測試流程如下: 首先， 在項目管理界面， 單擊新建工程， 彈出對話框， 輸入項目的名稱； 然后， 在指定文件目錄下創(chuàng)建同名的數(shù)據(jù)庫文件， 為該項目的數(shù)據(jù)存儲提供一個數(shù)據(jù)庫容器； 同時， 新建項目后， 系統(tǒng)會自動刷新上面的項目目錄， 重新在指定文件夾下， 遍歷所有的項目文件， 并更新界面數(shù)據(jù)信息； 選中新建的項目， 作為當(dāng)前運行的測試項目. 測試結(jié)果如圖7和表1.

圖5 電子陀螺儀測試

3.2 工點記錄測試

工點記錄通過利用手機中自帶的傳感器等工具實現(xiàn)土木工程勘測數(shù)據(jù)的實時記錄， 能夠?qū)⒂涗涍^程的誤差降到最低， 從而為后續(xù)數(shù)據(jù)分析做好準備. 工點記錄界面會根據(jù)界面啟動時收到的工點id來判斷是新增工點信息還是修改工點信息. 如果需要修改工點信息， 系統(tǒng)會獲取該工點信息， 自動填充到工點界面相應(yīng)控件. 工點添加屬于對信息的錄入， 在錄入過程中會調(diào)用百度地圖獲取的定位信息和電子羅盤獲取的傾向傾角信息， 最后一起回傳給數(shù)據(jù)記錄界面， 并添加到對應(yīng)的輸入框中.

圖6 電荷載界面

圖7 新建項目測試結(jié)果

具體測試流程如下: 首先， 在主界面單擊工點記錄，先判斷用戶是否選擇正在運行的項目； 選擇確定后， 自動在項目數(shù)據(jù)庫下查找該項目的所有工程. 如果存在多個工程， 在界面左上角會出現(xiàn)切換工程的下拉列表(默認第一個). 選擇工程后， 更新界面中的工點信息， 此時用戶可以編輯工程中的工點信息. 單擊新增， 跳轉(zhuǎn)到工點信息輸入界面， 然后輸入工點的數(shù)據(jù)信息， 程序在添加過程中會自動驗證數(shù)據(jù). 如果數(shù)據(jù)不符合規(guī)定， 會提示用戶信息輸入有誤， 從而保證數(shù)據(jù)存儲的規(guī)范性和格式統(tǒng)一. 相關(guān)測試結(jié)果如圖8所示.

表8 測試記錄數(shù)據(jù)

圖8 工點記錄測試結(jié)果

3.3 電荷載實驗測試

如圖9所示， 電荷載實驗是與硬件設(shè)備協(xié)同工作的一部分， 需要連接到硬件的WiFi模塊. 選擇采用WiFi傳輸數(shù)據(jù)， 主要因為其傳輸速率遠大于藍牙的傳輸速率. WiFi連接成功后， 實驗立刻開始， 系統(tǒng)會以硬件為服務(wù)端、智能手機為客戶端建立一個Socket連接進行數(shù)據(jù)傳輸. 在使用測試設(shè)備對巖石施加壓力的測試過程中， 測量壓力值會周期地傳輸?shù)绞謾C端， 系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后會對數(shù)據(jù)進行自動解析、提取出壓力數(shù)據(jù)并繪制折線圖， 同時顯示在電荷載測試界面上， 最后將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中.

具體測試流程如下:

(1) 開啟設(shè)備電源: 巖石力學(xué)設(shè)備開啟后， 會自動啟動WiFi模塊， 連接手機APP.

(2) 單擊“工點記錄”: 新建工點測試項目文件， 進入測試界面.

(3) 單擊“連接”: 創(chuàng)建手機端與設(shè)備端的Socket連接(如果連接成功， 界面會自動提示用戶).

(4) 單擊“開始”: 設(shè)備自動進行初始化校準， 同時開始測試， 手機端收到測試數(shù)據(jù)后， 會根據(jù)傳輸協(xié)議自動解析數(shù)據(jù)， 并繪制曲線圖， 同時記錄數(shù)據(jù)， 如圖10所示.

(5) 單擊“保存”: 測試結(jié)束時， 手機端可以保存測試數(shù)據(jù)， 并更新巖石力學(xué)測試數(shù)據(jù)列表， 同時關(guān)閉測試界面.

在測試過程中， 如果測試樣本碎裂， 則實驗成功，發(fā)送結(jié)束指令到手機端； 否則實驗失敗， 單擊開始， 重新校準儀器， 手機端自動清除上次數(shù)據(jù)， 并重復(fù)步驟(4).

4 結(jié)語

在實際野外地質(zhì)勘測中， 使用記錄紙記錄測量數(shù)據(jù)具有一定的局限性. 為此， 針對野外地質(zhì)勘測中需要記錄大量數(shù)據(jù)的實際需求， 本文采用Java語言開發(fā)一款基于Android平臺的地質(zhì)測量電子手簿APP系統(tǒng).該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于野外地質(zhì)勘測工作中， 同時獲得用戶的廣泛認可. 該電子手簿利用SQLite數(shù)據(jù)庫保存項目獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)， 集成百度地圖采集工點的定位信息， 借助陀螺儀測量巖石面的傾向和傾角， 最后采用Socket技術(shù)連接硬件設(shè)備， 同時獲取巖體電荷載的實驗數(shù)據(jù). 通過使用本軟件可以提高野外地質(zhì)勘測工作的效率， 減輕測量工作的負擔(dān)， 同時測量數(shù)據(jù)的電子文檔化也便于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析與處理.

圖9 巖石力學(xué)實測實驗

圖10 手機端測試結(jié)果

相對傳統(tǒng)的土木工程地質(zhì)測量電子手簿APP系統(tǒng)， 本系統(tǒng)在實現(xiàn)自動記錄測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 進一步將軟硬件結(jié)合， 通過局域網(wǎng)實現(xiàn)測試設(shè)備與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互， 從而使數(shù)據(jù)的獲取過程變得更加自動化. 此外，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r， 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動記錄數(shù)據(jù)， 從而減少人工記錄過程所產(chǎn)生的誤差. 因此， 本文所開發(fā)的電子手簿在實際野外地質(zhì)勘測工作中具有一定的使用價值和借鑒意義. 在系統(tǒng)開發(fā)后期， 還將根據(jù)已記錄的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息， 在APP中顯示對應(yīng)的施密特網(wǎng)圖，以滿足地質(zhì)勘測工作中更多的功能需求.