基于Android的沉降观测系统的设计与实现

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摘 要：沉降观测是精密工程测量的一个重要组成部分，其广泛应用于高速铁路线下工程、地铁、建筑物的变形监测领域之中。传统的沉降观测方法存在测量数据质量低、成本高效率低、异常数据反馈滞后等缺陷。为了解决这些缺陷，对基于android系统应用开发、蓝牙通讯技术、平差算法、数据加密技术等方面的分析与研究，设计实现了一套沉降观测系统。系统是基于Android的沉降数据采集与数据管理软件，能够通过串口转{牙设备遥控电子水准仪进行沉降观测，并将测量数据加密存储在SQLite数据库中，减少外界因素的影响，从而提高数据质量；测量过程中通过文字和语音的方式实时进行超限提示，并且可在测量任务结束后立刻进行精密平差，测量人员在现场立刻能够判断是否存在异常数据，内外业一体化的同时加快了异常数据的反馈速度。

关键词：沉降观测；蓝牙；Android；SQLite；AES

引言

沉降观测是精密工程测量中的一种，具有工作量大、重复性作业多、观测周期长、精度要求高、数据影响大等特点。传统的沉降观测方法作业方式使测量人员利用水准仪进行外业数据采集，测量结束后室内利用精密平差软件进行数据平差处理，然后将平差结果文件导入评估软件实现对数据的统计分析与管理，这种作业方式存在测量数据质量低、内外业隔离、异常数据反馈滞后等诸多问题。一种测量数据质量高、内外业一体化、具备异常数据快速反馈机制的沉降观测系统亟待研发。

1 系统分析

1.1 传统沉降观测方法缺陷分析

传统的沉降观测方法测量数据质量低、成本高工作效率低、异常数据反馈滞后，这些缺陷已经对沉降观测生产造成越来越大的负面影响。

1.1.1 测量数据质量低

外业数据采集结束后，需要专职的内业人员进行数据平差计算和成果汇总，这个过程出现操作失误不易发现；另外由于数据导出过程难以监督，测量人员对不合格数据进行修改成为可能，甚至会出现人为编造数据以假乱真的现象。沉降观测数据采集通过水准仪获取，临时存储于仪器，或手工记录以保存数据，再通过手工导入或录入平差软件等可用于数据处理的软件中进行人工数据处理分析，数据处理全程处于人工干预状态[1]，最终导致的结果是数据的真实性难以得到保障，数据质量低。

1.1.2 成本高效率低

传统的沉降观测方法内业和外业作业人员一般由不同的人员担任，即内外业是隔离的。外业测量人员白天进行野外沉降数据采集，晚上内业人员在办公室对数据进行平差计算和汇总。这种作业方式增加了人员的投入，造成了成本高而工作效率低的现象。

1.1.3 异常数据反馈滞后

传统的沉降观测方法只有等内业人员平差计算、数据成果汇总后才能知道测量数据是否合格、是否存在突变点、是否存在测量错误，测量员不具备在现场发异常数据的条件，无法及时进行观测目标的重测和检验工作，异常数据信息反馈滞后比较严重。

1.2 业务活动分析

通过对传统的沉降观测方法缺陷的分析，提出研发一种能够提高数据质量、降低成本提高效率、加快异常数据反馈速度的沉降观测系统。如图1业务活动图所示：

沉降观测系统业务流程图分为两个垂直泳道，分别表示沉降观测作业中的外业数据采集和内业数据处理两个方面。查看泳道中的活动即可了解不同方面所承担的职责，而不同活动之间的过渡帮助我们了解不同活动之间的依赖关系。

1.3 可行性分析

1.3.1 技术可行性分析

考虑到电子水准仪在现阶段几何水准测量中应用广泛[2]，系统主要面向高精度的电子水准仪进行开发；研发团队成员具备基于Android的移动应用开发和沉降平差算法实现的能力；通过电子水准仪机身上的RS232串口转换成外接蓝牙设备，从而具备了电子水准仪和Android移动设备通过蓝牙进行双向通信的基础；测量数据无法存储在存储卡上，而是通过RS232串口直接上发到移动设备上，并试用256位AES对称加密技术进行加密处理，以密文的形式存储在数据库中，不受人为篡改等外界因素的干扰，从而提高测量数据质量；为建立顺畅的信息反馈渠道及完善的信息反馈流程[3]，系统超限提示等预警措施提高了异常数据反馈的时效性。

1.3.2 经济可行性分析

内外业可由同一个测量人员担任，减少测量人员分配的同时降低了数据平差工作量，从而提高工作效率，具备了在沉降观测领域广泛应用的经济可行性。

1.4 沉降观测系统需求概括

测量人员可利用装有Android操作系统的平板电脑或手机，通过操作沉降观测系统来遥控电子水准仪进行沉降数据采集。测量所得数据通过RS232串口转蓝牙方式上发给平板电脑或手机上，避免外界因素的干扰保障测量数据质量。系统能在测量作业完成后立刻进行精密平差和成果文件的输出。原始数据和成果数据可在系统中进行浏览，沉降曲线则非常直观地展示测点或断面沉降量随时间的变化情况。

2 系统设计

2.1 概要设计

根据系统分析的输出成果进行系统概要设计，将沉降观测系统设计为三层架构，两种存储模式相结合的软件体系结构。界面主要是人机交互的媒介，表现为一个供测量人员操作的可见软件；业务逻辑层则实现了沉降观测系统的功能需求；数据访问层是数据持久化的一个通道；数据库和成果文件则是测量数据的两种不同的数据存储模式。如图2序列图所示：

2.2 功能结构设计

测前设置：沉降观测作业前，对仪器、线路、限差进行设置。

沉降观测：系统遥控电子水准仪进行沉降观测工作。

平差计算：对原始数据的平差计算及平差结果数据处理。

数据浏览：浏览数据成果和沉降曲线图，并可对其进行分享。

统计分析：对沉降变形状态作出评估、判断和预测，为工程的进一步施工提供了可靠的资料[4]。

2.3 数据库设计

2.3.1 命名设计规范

（1）对象名称应当准确完整地描述对象的含义。

（2）数据库对象的命名应当避免和系统原有的对象名称（如：系统表、系统存储过程等）混淆。

（3）对象名称中不同的未始溆Φ蹦芄环奖愕那分开。

（4）整体上使用Pascal命名规则。

（5）规范格式：t_表名（字母全部小写），例如，测量原始数据信息表定义为：t_bclass。

（6）表字段的定义：字段名称全部小写，特殊字段可大小写混用，根据需要可添加下划线。例如，表t_bclass中的字段标识Id定义为：_id。

（7）表字段类型为日期类型时的定义：一般日期型的字段设为datetime类型。

（8）E-R图即实体（Entity）和联系（Relationship）关系图。

（9）其他数据库表逻辑结构设计所规定的内容。

2.3.2 数据库选型

SQLite数据库是一个轻量级、跨平台的嵌入式关系型数据库。它是进程内的数据库引擎，因此不存在客户端和服务器，一般只需要带上它的一个动态库就可以使用它的全部功能，使用起来方便，而且开源、免费。鉴于以上优点，沉降观测系统选用SQLite数据库来存储和管理沉降观测数据。

2.3.3 概念数据模型设计

概念数据模型（CDM）提供了表示实体型、属性和联系的方法。

实体：用矩形表示，矩形框顶部写明实体名。

属性：用字段表示，放置在实体名下方。

联系：用带数量的线表示，线旁写明联系名。

根据要设计的数据库对其中涉及到的实体、实体属性和实体间的联系进行分析和设计。沉降观测系统主要实体如下：项目实体、断面实体、测点实体、测量员实体、工作基点实体、成果数据实体、原始数据实体、线路实体、电子水准仪实体等。

2.3.4 数据库逻辑设计

文章以原始数据表的逻辑结构为例，如表1原始数据表所示：

2.4 指令集合设计

文章以徕卡DNA03电子准仪指令为例描述常用操作所对应的指令，具体内容如表2徕卡DNA03电子水准仪指令所示：

3系统实现

根据系统分析与设计成果，使用Eclipse软件开发工具、Java开发语言，对沉降观测系统进行编码实现，其具体表现形式为一款运行在Android操作系统上的应用程序。沉降观测系统软件界面如图3仪器设置、图4沉降观测、图5平差计算、图6原始数据浏览、图7成果数据浏览、图8沉降曲线所示：

4结束语

系统研发完成后先后通过区间试点、用户试用、第三方单位评测、专家组评审，目前已在北京十余条地铁线中推广应用，取得显著的经济效益和社会效益。软件通过对大量沉降观测数据的积累，可以找出与监测目标实际沉降变形过程规律比较匹配的有实用价值的变形规律[5]，为高铁、地铁等工程建设的施工阶段管理和危情预警提供高时效的决策支持。

参考文献

[1]王腾华.铁路线下工程沉降观测信息化管理技术与运用[J].科技创新与应用，2017，1：6-10.

[2]罗维扬，刘少靖.电子水准仪在沉降观测中的应用分析[J].企业技术开发，2015，10（34）：55-56.

[3]周小莉，张立锋，巫山.信息化地铁监测方法研究[J].地理空间信息，2017，1（15）：82-84.

[4]孙清娟，师军良.回归分析在大桥沉降监测预测中的应用[J].测绘通报，2016，7：90-93.

[5]郭子良.高速铁路路基沉降观测与预测评估技术简介[J].中国新技术新产品，2016，6：119-120.

作者简介：沈松雨，本科，研究方向为工程测量、地理信息系统工程。