手机测量助手在铁路工程监理中的应用研究

杜红星，杨菲菲

(西安铁一院工程咨询管理有限公司,陕西 西安 710076)

0 引言

随着科学技术的发展,人们越来越关注智能手机的开发研究。如果能将测绘成果复核验收工作所需要的数据处理软件和质量目标,结合工程设计要素,通过现代科学技术移植到Android移动智能手机中,就可大大改善监理工作人员对测绘成果验收的工作效率,并降低工程建设监理测量成果验收对测量专业人员在数量和技术水平的依赖。

本研究项目是基于Android操作系统移动智能手机的测量复核助手,能够实现在野外实时采集数据,并实现快速数据处理,同时,以图表形式,现场分析和展示监理工作中的测量复核结果,从而提高测量监理复核工作效率,降低对测量专业人员的要求。

1 国内外施工测量技术发展

国内在基于PC机平台和Android平台开发的全站仪、水准仪等行业通用测量软件不少,如“科傻”“平差易”“测量员”“道路勘测大师”“工程测量大师”等等,大多数是测绘行业的测量数据处理软件。其软件计算简单、功能单一、界面干净、无冗余功能,拥有包括控制测量、水准高程计算、坐标正反算、交会定点、面积计算等多种功能,是工程施工测量技术人员的好助手。但其缺点是要么仅实现平差功能,要么仅实现数据采集或计算功能,且均缺少数据对比分析和图表展示功能。

另外,现有基于全站仪、水准仪测量的APP软件均是施工测量工作的前端,仅完成测量数据采集和简易的数据处理,后期还需要专业测量技术人员,在PC机平台上,利用其他测量数据处理软件与文本编辑软件进行测量数据的后处理,完成测量数据的对比分析和测量复核成果所需的图表绘制等工作,最后再编写并形成测量复核报告。

现阶段,基于Android平台,专门用于铁路、地铁工程建设监理行业应用的专业监理测量复核APP软件还没有。

2 监理测量复核工作情况

在工程监理行业,测量成果复核是非常常见和重要的日常工作,是工程建设测量成果质量验收中的必备程序。现阶段,既有工程监理的测量复核就是测量专业人员利用专业测量设备进行现场数据采集,并记录或导出电子数据文件后,把数据记录拿回到办公室,利用PC机和既有专业测量数据处理软件,对其进行计算,然后把计算成果和相关《测量规范》或《验收标准》所规定的精度指标进行对比分析,并绘制相关图表。当成果整理完成后,再按照档案管理要求编写监理测量复核报告,上交归档。

因此,针对工程测量监理的复核验收需要多种应用软件和平台的集成,即便是便携式笔记本电脑也很难解决测量验收工时长,以及对专业技能要求高的问题。很难做到现场数据采集、实时计算和数据比对的一体化,并实时展示测量复核结果和所需要的图表形式。不利于提高监理测量复核工作效率。这和现阶段工程监理项目多、测量复核任务重、专业人员少、技术水平低的特点不匹配。则希望采用多功能集成的手段,以减少对测量专业技能的依赖和提高测量监理复核工作效率。

3 测量监理助手设计思想

利用既有成熟测量技术和智能手机,结合测量监理复核技术,实现一种基于Android操作系统移动智能手机的便携式监理测量复核工具。它具有在野外实时进行数据采集(自动、手动)与测量成果的处理分析,同时,以图表形式展示监理测量复核工作的结果等功能,从而提高测量监理复核工作效率。另外,通过专业化的区域管理与技术支持,可有效的降低对测量专业人员的数量和技能要求,从而促进测量监理工作的行业变革。具体设计思想如下。

3.1 手机助手测量基准

手机助手的测量基准是线路测量模型。就是利用线路测量参数和线路设计参数,通过三维建模原理建立线路测量模型。

1)线路测量参数。线路测量参数包含了线路的平面曲线(如表1所示)和竖曲线(如表2所示)。其线元参数均包含了线路的起止点坐标和交点坐标,以及曲线半径等参数。

表1 交点数据格式

表2 坡度线数据格式

2)设计参数。线路设计参数包括用于线路上所有建构筑物测量的平面位置设计图和结构立面图。平面设计图展示了建构筑物和线路的平面位置关系,结构立面图展示建构筑物和线路的立面图形关系。平面位置设计图和结构立面图的组合可全面显示线路上某建构筑物的三维模型。

3)测量模型建立。三维模型的绘制在OpenGL ES框架内实现。Android图形界面内的3D模型是通过OpenGL ES来渲染。OpenGL ES与硬件设备紧密相关,三维控件提供较高的绘制帧率。OpenGL ES(OpenGL for Embedded Systems)是OpenGL三维图形API的子集,针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计。

利用设计院提供的桥隧路基设计资料,依据线路测量基准和三维可视化BIM技术,建立车站、路基、隧道(见图1)、桥梁(如图2所示)等相关建构筑物的三维可视化可量测BIM模型,能够更好的体现出BIM技术的综合性优势,保证工程各部分结构的直观性。三维可视化不仅使得数据处理更加科学高效,也令监理人员对项目本身有更加清晰直观的认识,可控性强,合理性得到优化。

3.2 结构点位设计坐标获取

可量测三维可视化BIM模型上任意坐标的获取是以线路设计线元为基准,依据结构设计模型关系,参照操作者的目标要求,依据工程测量原理[1],在BIM模型上计算任意结构物任意点坐标。数据计算依据线型不同,可分为直线和曲线等模式,计算原理如下:

1)直线段:已知线路直线段起点为S,终点为E,起点里程K0,平面坐标X,Y,直线的方向角α,对于里程为Kl处的中线P的坐标计算步骤为:

第一步:计算Kl处至该直线段起始里程K0处的长度l:l=Kl-K0;

第二步:利用公式Xl=X+l×cosα;Yl=Y+l×sinα计算Kl处坐标(Xl,Yl)。

2)缓和曲线段:设缓和曲线段起始点即ZH点里程为K0,平面坐标X,Y,缓和曲线起点的切线方向a,以及缓和曲线的总长度ls,半径为R。

l为ZH点到中线点P的长度,沿里程增加方向向右拐时,则局部坐标系为式(1),沿里程增加方向向左拐时,则局部坐标系为式(2):

(1)

(2)

3)圆曲线段:设圆曲线段起始里程为K0,平面坐标X,Y,圆曲线起点的切线方向a,以及圆曲线的总长度ls,半径为R。对于里程为Kl处的i点中线坐标计算步骤为:

a.计算Kl处至该直线段起始里程K0处的长度l:l=Kl-K0。

c.计算局部坐标系的坐标,线路右拐时计算式为式(3),线路左拐时为式(4)。

(3)

(4)

3.3 结构点位实测坐标获取

利用既有成熟的蓝牙或数据线联机模式,实现手机测量监理助手APP和全站仪、水准仪、GPS接收机等设备的有效连接,实现测量仪器采集成果和智能手机的现场同步传递。如果APP增加测量仪器驱动功能,测量人员就可实时获取测量点位坐标信息。

3.4 测量成果对比分析和图表展示

监理测量成果与设计成果的对比分析和图表输出是手机测量监理助手的核心功能。主要包括测量成果的对比分析和图表展示及成果报告输出等。

1)数据对比分析:主要实现用全站仪等测量设备实测的数据和设计数据(三维结构模型读取)的对比,依据相关技术参数确认实测数据是否满足设计要求。其计算公示如下:

X=X实测-X设计模型;Y=Y实测-Y设计模型;Z=Z实测-Z设计模型。

2)成果图表展示:主要是针对既有铁路构筑物的监测变形数据或实测数据和设计模型的数据进行对比分析,以图形和表格的形式展示监测数据的变化趋势和监测结果,方便监理人员读取和使用,以判断施工现场的结构物安全性和结构物定位的准确性,如表3,图3所示。

表3 某段铁路道床竖向位移比较表

3)成果输出:主要依据既有通用归档模板填写相关测量数据实现测量监理复核成果报表的输出,同时,依据既有数据自动绘制相关曲线图和建立台账,根据报表要求进行输出,方便监理人员归档整理,提高作业效率。

4 测量监理助手的实现

目前市面上主流的移动智能终端大多数搭载有苹果的IOS系统和google的安卓系统,google的安卓系统自2007年正式公布以来,市场占有率较高,具有很强的开放性,方便技术人员在此基础上研发出功能强大的第三方软件[2]。从系统的成本和应用范围考虑,本项目研发考虑采用基于google的安卓系统的平台技术。

4.1 系统框架设计

移动端Android采集系统,开发框架采用MVP框架。应用程序使用MVC模式可以将处理数据逻辑的Model层和显示用户界面的View层的实现代码进行分离,这样即使要改变用户界面也可以不依赖业务逻辑。为保证当Model改变时View也能同步更新,主要是通过Controller层来控制Model和View的同步。

View层主要是通过xml布局文件来实现Android应用程序界面的描述。Model层主要是对Android应用程序的数据通过模型对象进行存取。客户端要处理的数据主要存储在SQLite数据库和SharedPreferences中,也通过Adapter将数据实体适配到View控件上。Controller层主要是从Model层或服务器端读取数据,并通过Listener对点击按钮、选中Checkbox 等事件进行监听,利用Activity,Service对事件进行处理,处理后将数据发送给View层,展示给用户。

本系统所提供的功能不仅在客户端的界面上显示,也需要服务器端的后台支持。用户在系统上进行数据处理、成果对比分析、监测变形曲线分析等功能时,需要与服务器交换数据,对服务器端相应数据库中的数据进行深加工处理。

4.2 手机测量助手APP

测量复核手机助手是采用云端数据库技术和公司既有监理信息管理系统融合,基于Android系统移动智能手机的测量复核作业模式,其突破传统外业、内业相互隔离的测量模式,实现了内外业一体化,使测量、分析、纠错工作有效集成并可互相联动,充分解放生产力,保障工程质量,提升生产效益,具有重要的现实意义。

监理测量复核助手系统主要由三部分组成:服务器、客户端、数据采集器。服务器主要用于测量和监测数据库的存储;数据采集器(测量仪器)主要用于在建结构物测量数据的采集;客户端(手机)主要是获取测量记录,在既有测量数据基础上,对新增测量成果进行数据处理和对比分析,形成监理复核与分析报告,并上传服务器归档保存。

软件系统主要安装在移动端手机上,通过手机蓝牙连接的方式控制水准仪/全站仪进行观测。所有测量数据的相关计算、分析都在手机上完成,测完之后实时计算出测点的结果。然后调用在建项目设计模型,通过线路设计模块计算出该点的设计值,接着进行实测成果和设计成果的对比分析,分析完成后,依据报告模板编写监理测量复核报告,并归档保存。具体作业流程如图4所示。

4.3 功能模块设计

测量复核手机助手主要功能模块组成见图5。其主要模块的功能为:

1)项目管理:针对不同工程监理项目建立不同的项目管理模块。

2)线路设计与指标管理:可以导入设计的平曲线和竖曲线资料、桥梁、隧道、路基等相对应的技术设计资料;系统内置目前高铁和地铁常用的复核限差指标(也可以支持自定义线差设置),满足测量复核需求。

3)线路计算:依据设计参数,批量计算任意结构的坐标数据。

4)数据采集管理:连接测量仪器进行数据采集(需要配置自动化测量仪器—预留),并存储到APP中;通过蓝牙传输方式连接测量仪器,可将测量数据批量传输到APP中。

5)控制点复核:针对项目测量的控制点数据进行数据处理和复核成果的对比分析并形成验收结论,支持导线网、水准高程网平差。

6)施工测量复核:分为单点数据和多点数据;单点数据是根据测量输入的隧道、桥梁、路基、附属结构的特征点坐标,依据设计参数计算该点的设计坐标,进而进行复核比较,输出差异结果,并进行图形化展示;多点复核是通过导入或者蓝牙传输测量的隧道、桥梁、路基、附属结构的特征点坐标,依据设计参数计算该点的设计坐标,进而进行复核比较,输出差异结果,并进行图形化展示。

7)监测数据管理:根据导入或者蓝牙传输的监测数据,可进行不同时期双方监测数据的对比分析,并进行某点或某工点的变形趋势分析。输出相关图表。

8)图表展示:可以根据用户的需求展示测量监理成果数据、变形监测曲线,数据分析结果以曲线图和报表的模式展示。

9)图标输出:可以根据用户提供的数据成果模块导出相关的图形和报表数据。

5 测量监理助手的应用

利用上述设计思想初步完成了测量监理的手机复核基本功能,并在某高铁项目进行了实验,取得了良好效果。表现在:1)现场可以提交测量复核成果报告,有效提升监理工作效率;2)现场土建监理工程师可承担测量监理复核工作,降低对人员技能的要求。下面举例说明手机助手APP的使用效果。

5.1 某高铁项目桥梁桩基的测量复核

某高铁监理项目,全部为桥梁工程,测量专业人员使用手机助手APP监理设计基准后,交由土建工程师开展墩身桩基的测量复核工作,经过3个月的使用,完成了76根桩基和18个承台的检测,效果良好。

5.2 某高铁地下车站围护结构定位的测量报告

某地铁项目的车站为地下车站,采用地连墙围护结构,依据设计图纸,监理对施工单位提交的定位成果进行测量复核,复核完成后利用手机助手APP功能输出了监理复核成果表,图6为监理测量复核记录。

6 总结与展望

基于Android平台的学生成绩管理手机助手系统的设计[3]和面向老年人的Android手机健康助手APP的设计[4],已经在某大学成功研制和应用。基于智能手机的控制点测量成果管理助手[5]也已经在某测绘单位成功应用。

监理测量复核助手的应用研究是在既有施工测量软件编程基础上,融合成熟的监理测量复核技术和云端数据库技术进行开发的,目前仅实现了数据对比分析和图表显示等功能,基本满足了工程测量监理的工作需要,和全站仪、水准仪、GPS接收机等测量设备的联机驱动,以及与既有信息管理平台融合管理等功能还需进一步开发实现。

在实践中,随着既有功能的完善和越来越多的人对《监理测量复核手机助手》APP软件掌握,可有效地降低对测量专业技术人员的技术素质和数量的要求,从而减少对测量专业人员的依赖,节省人力需求,实现监理测量复核工作的行业变革。