鄭 暉，付 凱

（1. 武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022）

城市基坑開挖具有施工風(fēng)險(xiǎn)高、難度大等特點(diǎn)。隨著大型城市土地供求關(guān)系的日趨緊張，大型建（構(gòu)）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(duì)基坑監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。地下土體性質(zhì)不明、荷載條件復(fù)雜、施工環(huán)境各異等不確定因素均對(duì)基坑施工安全構(gòu)成威脅，因此基坑變形監(jiān)測(cè)已成為確?；邮┕ぐ踩夭豢缮俚闹匾h(huán)節(jié)?；颖O(jiān)測(cè)通常采用測(cè)量機(jī)器人對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平和垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過數(shù)據(jù)線連接PC 和全站儀或測(cè)量機(jī)器人，然后使用PC 中的軟件將測(cè)量?jī)x器上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)，最后進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理[1-2]。一方面，監(jiān)測(cè)人員不僅需面對(duì)復(fù)雜的基坑工程現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，還需攜帶笨重的筆記本電腦和冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)線，無形中增加了基坑變形監(jiān)測(cè)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，實(shí)際工作中一般需部署多臺(tái)測(cè)量設(shè)備才能覆蓋整個(gè)基坑變形監(jiān)測(cè)范圍，這就使得監(jiān)測(cè)人員需在多個(gè)觀測(cè)站之間重復(fù)下載各測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在PC 和測(cè)量?jī)x器上頻繁插拔數(shù)據(jù)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(tǒng)的智能手機(jī)普遍內(nèi)置了藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙傳輸技術(shù)具有靈活、方便、快捷的特點(diǎn)，已在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[4-7]。本文擬基于輕便的Android 智能手機(jī)、無線藍(lán)牙通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)開發(fā)基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件。通過該軟件操作測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、解析和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器與后臺(tái)服務(wù)器的通信，實(shí)時(shí)獲取儀器測(cè)量信息和服務(wù)端測(cè)量信息，實(shí)時(shí)計(jì)算和檢核，以保證監(jiān)測(cè)的即時(shí)性；同時(shí)采用便攜的Android 設(shè)備完成基坑巡檢和工況錄入，為基坑變形監(jiān)測(cè)提供豐富的信息。

1 變形監(jiān)測(cè)軟件數(shù)據(jù)通信鏈路

根據(jù)與Android 設(shè)備連接的硬件不同，可將變形監(jiān)測(cè)軟件的數(shù)據(jù)通信鏈路分為3 個(gè)部分（圖1）：An?droid 設(shè)備與測(cè)量機(jī)器人的通信鏈路、Android 設(shè)備與服務(wù)器端的通信鏈路和Android 設(shè)備與其他移動(dòng)終端協(xié)同的通信鏈路。這3 條通信鏈路相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了基坑變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)，可提高基坑變形監(jiān)測(cè)的便捷性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性和規(guī)范性。

圖1 基于Android系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件數(shù)據(jù)通信框架

1.1 Android設(shè)備與測(cè)量機(jī)器人的通信鏈路

為了解決傳統(tǒng)基坑監(jiān)測(cè)外業(yè)觀測(cè)與內(nèi)業(yè)處理脫節(jié)導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)成果準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性降低的問題，同時(shí)考慮傳輸距離、功耗、硬件成本等因素，軟件采用藍(lán)牙作為測(cè)量機(jī)器人與Android 設(shè)備的通信紐帶。若測(cè)量機(jī)器人未內(nèi)置藍(lán)牙模塊，可外接藍(lán)牙適配器完成儀器RS232串口到藍(lán)牙的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而建立儀器與Android設(shè)備的藍(lán)牙通信。建立藍(lán)牙數(shù)據(jù)鏈路后，Android 設(shè)備可通過藍(lán)牙調(diào)用GeoCOM 接口向測(cè)量?jī)x器發(fā)送ASCII指令[8]；測(cè)量機(jī)器人可自動(dòng)獲取儀器信息、配置度盤和控制儀器觀測(cè)[9]。在完成初始學(xué)習(xí)后，正式觀測(cè)時(shí)測(cè)量機(jī)器人將請(qǐng)求的信息、配置結(jié)果、觀測(cè)結(jié)果返回給An?droid設(shè)備[10]。獲取儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)后，軟件將自動(dòng)記錄并實(shí)時(shí)處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；再將監(jiān)測(cè)結(jié)果與測(cè)量規(guī)范進(jìn)行比對(duì)，若閉合差等檢核量超限，設(shè)備將自動(dòng)重測(cè)測(cè)點(diǎn)/測(cè)回；最后軟件將監(jiān)測(cè)點(diǎn)本期監(jiān)測(cè)結(jié)果與往期數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，若發(fā)現(xiàn)本次變形或累計(jì)變形超過預(yù)定閾值，則將視預(yù)警級(jí)別的不同向特定用戶發(fā)送預(yù)警信息[11]。Android設(shè)備與測(cè)量機(jī)器人的通信鏈路如圖2所示。

圖2 Android設(shè)備與測(cè)量機(jī)器人的通信鏈路

1.2 Android設(shè)備與服務(wù)器端的通信鏈路

通常采用XML 或JSON 文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以實(shí)現(xiàn)Android移動(dòng)端設(shè)備與服務(wù)器端的通信[12]。根據(jù)交互內(nèi)容的不同，軟件將通信內(nèi)容分為3 種：①初始化監(jiān)測(cè)配置，移動(dòng)端在選定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目后，將項(xiàng)目編號(hào)發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端向移動(dòng)端反饋該項(xiàng)目編號(hào)監(jiān)測(cè)的配置信息，如監(jiān)測(cè)對(duì)象、測(cè)項(xiàng)、測(cè)點(diǎn)等；②監(jiān)測(cè)方案配置，在正式開始監(jiān)測(cè)前，移動(dòng)端需向服務(wù)器端請(qǐng)求具體的監(jiān)測(cè)方案，服務(wù)器端將具體的監(jiān)測(cè)方法、使用規(guī)范、權(quán)限參數(shù)以及預(yù)警閾值等反饋給移動(dòng)端，以便指導(dǎo)移動(dòng)端實(shí)施具體的監(jiān)測(cè)；③觸發(fā)定期任務(wù)，服務(wù)器端根據(jù)預(yù)設(shè)流程，定期將計(jì)劃任務(wù)下達(dá)到移動(dòng)端，移動(dòng)端收到任務(wù)后，開展定期巡檢并記錄工況，再將記錄上傳至服務(wù)器端。Android 設(shè)備與服務(wù)器端的通信鏈路如圖3所示。

圖3 Android設(shè)備與服務(wù)器端的通信鏈路

1.3 Android設(shè)備與其他移動(dòng)終端協(xié)同的通信鏈路

Android 設(shè)備獲取到測(cè)量機(jī)器人的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，可通過互聯(lián)網(wǎng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，其他An?droid或iOS移動(dòng)終端可從服務(wù)器上下載當(dāng)前項(xiàng)目的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些移動(dòng)終端可用于外業(yè)人員繪制草圖、觀測(cè)數(shù)據(jù)核查和反饋、基坑巡檢或工況記錄等工作，工作內(nèi)容全部在移動(dòng)端完成并采用流程表單管控，從而使內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)檢更加科學(xué)規(guī)范。

2 軟件技術(shù)路線

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件整體采用模型—視圖—控制器的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型層存儲(chǔ)基本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯處理對(duì)象的屬性定義和操作，為控制層提供數(shù)據(jù)和操作支撐，如數(shù)據(jù)庫存取操作、網(wǎng)絡(luò)操作、采集方式、采集方法、數(shù)據(jù)格式解析、耗時(shí)的任務(wù)等可重用的組件和功能模型；視圖層作為人機(jī)交互的界面，負(fù)責(zé)加載模型層的數(shù)據(jù)結(jié)果，顯示視圖層的繪制以及響應(yīng)用戶的輸入；控制器層接收用戶在視圖層的輸入，并調(diào)用模型和視圖去完成用戶的請(qǐng)求?？刂破髯鳛槁?lián)系模型和視圖的紐帶，本身不輸出任何內(nèi)容，其主要用來管理模型層與視圖層之間的數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)響應(yīng)由視圖層觸發(fā)的各種事件[13]。

2.2 藍(lán)牙通信管理

藍(lán)牙技術(shù)是一種基于低成本的近距離無線鏈接技術(shù)，可為固定和移動(dòng)設(shè)備建立無線通信渠道，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。手機(jī)藍(lán)牙模塊的通信距離一般在15 m 以內(nèi)。Android 平臺(tái)的藍(lán)牙模塊是基于BlueZ 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的，該協(xié)議棧的底層協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）、電纜替代協(xié)議（RFCOMM）[14-15]等眾多協(xié)議。Android 的底層開發(fā)框架為開發(fā)者提供了操作藍(lán)牙功能的各類API，應(yīng)用程序通過調(diào)用相應(yīng)的API 即可連接其他藍(lán)牙設(shè)備，通過無線通信來操控藍(lán)牙設(shè)備。軟件基于Android Studio 3.5 集成開發(fā)環(huán)境，采用Java 語言開發(fā)。按照藍(lán)牙設(shè)備搜索、發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備、建立藍(lán)牙鏈接、藍(lán)牙數(shù)據(jù)交互、關(guān)閉藍(lán)牙鏈接的流程實(shí)現(xiàn)Android設(shè)備與測(cè)量機(jī)器人的交互。

2.3 監(jiān)測(cè)方案配置化管理

由于基坑安全等級(jí)要求的不同，各類基坑監(jiān)測(cè)所需的監(jiān)測(cè)內(nèi)容各不相同。為了適應(yīng)各類監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)預(yù)定義了與基坑監(jiān)測(cè)有關(guān)的所有測(cè)項(xiàng)（圖4）、監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)頻率、報(bào)告模板、消息模板等，用戶按需從配置項(xiàng)中勾選符合應(yīng)用場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)參數(shù)并保存，Andorid 移動(dòng)端會(huì)向服務(wù)器請(qǐng)求并同步選定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)方案配置化信息，方便外業(yè)作業(yè)人員開展實(shí)際監(jiān)測(cè)工作。

圖4 基坑監(jiān)測(cè)的測(cè)項(xiàng)配置勾選內(nèi)容

3 軟件功能模塊

基坑變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件根據(jù)基坑工程現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測(cè)巡檢、工況錄入5個(gè)功能模塊。

3.1 項(xiàng)目管理模塊

用戶打開Android 終端上安裝的基坑監(jiān)測(cè)軟件后，默認(rèn)以列表的形式展示該用戶參與的所有基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目（圖5a），為了方便用戶掌握項(xiàng)目的大致位置，可切換到項(xiàng)目的地圖瀏覽模式（圖5b）。用戶選定待監(jiān)測(cè)的基坑項(xiàng)目后，系統(tǒng)會(huì)讀取服務(wù)器中預(yù)設(shè)的該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所有的監(jiān)測(cè)對(duì)象，點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)對(duì)象后，將顯示為該監(jiān)測(cè)對(duì)象配置的各種監(jiān)測(cè)項(xiàng)。

圖5 基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目列表和地圖瀏覽模式

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

用戶選擇基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)后，再選擇該監(jiān)測(cè)項(xiàng)實(shí)際監(jiān)測(cè)作業(yè)采用的測(cè)量機(jī)器人型號(hào)。軟件支持本地文件、U 盤文件、儀器文件3 種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源，選擇對(duì)應(yīng)的文件后，軟件會(huì)按照各儀器廠商的數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。解碼后的數(shù)據(jù)以直觀形象的表格形式進(jìn)行展示（圖6a），確認(rèn)數(shù)據(jù)以及各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置正確后，可將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器（圖6b）。

圖6 觀測(cè)數(shù)據(jù)解析與上傳

3.3 數(shù)據(jù)分析模塊

測(cè)量機(jī)器人在完成初始學(xué)習(xí)后，會(huì)按照預(yù)設(shè)的流程自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)累積到可進(jìn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)計(jì)算后，軟件立即對(duì)可檢核的誤差指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，如距離較差、半測(cè)回歸零差、一測(cè)回2C 值與互差、各測(cè)回的較差等，若指標(biāo)超限，軟件將記錄超限指標(biāo)日志，并自動(dòng)進(jìn)行重測(cè)或加測(cè)。每一測(cè)回完成后都將計(jì)算一次測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，并與觀測(cè)點(diǎn)的初值和上期坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算兩期數(shù)據(jù)周期的變形量和變形速率，若指標(biāo)超限，將立刻發(fā)送預(yù)警信息至服務(wù)器，由內(nèi)業(yè)作業(yè)人員核實(shí)預(yù)警信息，核實(shí)無誤后再將預(yù)警信息以短信、微信、郵件等形式推送給需接收預(yù)警信息的用戶。

3.4 監(jiān)測(cè)巡檢模塊

每個(gè)基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都會(huì)定期進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)主要針對(duì)容易產(chǎn)生變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也只能準(zhǔn)確反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況。為了確?；咏Y(jié)構(gòu)安全，軟件提供了巡檢功能，可按照基坑的安全等級(jí)設(shè)定巡檢的頻次。到了設(shè)定的時(shí)間，軟件會(huì)自動(dòng)發(fā)起巡檢（圖7a）。外業(yè)作業(yè)人員可根據(jù)設(shè)定的巡檢項(xiàng)清單對(duì)基坑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的巡檢，并按實(shí)際巡檢結(jié)果如實(shí)填寫巡檢記錄，若巡檢過程中發(fā)現(xiàn)異常項(xiàng)可通過文字、圖片、視頻記錄安全隱患，所有巡檢記錄將統(tǒng)一上傳至服務(wù)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(hù)結(jié)構(gòu)建立后，施工單位會(huì)在基坑中連續(xù)挖土，導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載頻繁變化，如果施工方法或工藝選擇不當(dāng)，將影響基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，因此施工工況也屬于基坑監(jiān)測(cè)的重要組成部分。軟件提供了工況記錄功能，監(jiān)測(cè)人員可利用軟件以文字、圖片、視頻的方式對(duì)基坑施工各階段的工況進(jìn)行記錄，所有工況信息將上傳至服務(wù)器，便于后期進(jìn)行工況回溯。

4 結(jié) 語

作為基坑工程施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，基坑監(jiān)測(cè)需采用各種監(jiān)測(cè)手段對(duì)基坑的巖土性狀、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周圍環(huán)境條件變化情況進(jìn)行持續(xù)的記錄和分析，并及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，確?；邮┕ぐ踩１疚脑O(shè)計(jì)了一套基于Android 設(shè)備的基坑變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)了基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、檢核和存儲(chǔ)，便于內(nèi)業(yè)開展基坑變形情況分析，實(shí)時(shí)上報(bào)基坑工程巡檢和工況記錄，讓監(jiān)測(cè)者和管理者能及時(shí)了解基坑的安全情況。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該軟件將施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)的信息與服務(wù)器端工程信息綜合在一起，提升了監(jiān)測(cè)作業(yè)效率，確保了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，可滿足當(dāng)前基坑變形監(jiān)測(cè)便捷、準(zhǔn)確、及時(shí)、規(guī)范的工作要求。