基于Android高墩橋梁立柱垂直度快速實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金新平，秦川，鮑東東，丁克良

(1.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院(福建)有限公司，福建 福州 350003； 2.北京建筑大學(xué)，北京 1002626；3.蘇州市測(cè)繪院有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215000)

1 引 言

橋梁立柱在施工和使用過(guò)程中的垂直度檢測(cè)是維護(hù)其使用壽命和安全性的重要保障，國(guó)家公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[1]對(duì)公路橋梁墩、臺(tái)、立柱的豎直度做了嚴(yán)格規(guī)定。隨著我國(guó)高速公路、鐵路、橋梁的發(fā)展，橋梁立柱的建設(shè)與使用也越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的橋梁立柱垂直度檢測(cè)方法，例如垂線法、弧長(zhǎng)檢測(cè)法等，無(wú)法獲取立柱截面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，不能檢測(cè)出立柱中心軸線的偏移量和傾斜率，因此無(wú)論是檢測(cè)效率還是檢測(cè)精度方面都難以滿(mǎn)足現(xiàn)代工程的檢測(cè)需求。近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)垂直度的檢測(cè)方法和計(jì)算模型進(jìn)行了大量的探索和研究[2～5]，文獻(xiàn)[6]探索了采用全站儀無(wú)接觸測(cè)量技術(shù)進(jìn)行垂直段測(cè)量方法和精度分析。但這些方法僅僅限于檢測(cè)方法的和模型研究，如何高效、快速地在工程中檢測(cè)橋梁立柱的垂直度依然是一項(xiàng)難題。

目前，測(cè)量機(jī)器人以其高精度和自動(dòng)化的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程中，其提供的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，可以支持用戶(hù)根據(jù)工程項(xiàng)目需求二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。本文以Leica測(cè)量機(jī)器人(全自動(dòng)全站儀)和Android系統(tǒng)的智能手機(jī)移動(dòng)終端為基礎(chǔ)，結(jié)合Android開(kāi)發(fā)技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)和測(cè)量機(jī)器人二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的橋梁立柱垂直度快速實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，使得垂直度檢測(cè)的效率和數(shù)據(jù)管理更為高效。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

橋梁立柱垂直度快速實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)以Leica TS30型號(hào)測(cè)量機(jī)器人為開(kāi)發(fā)測(cè)試儀器，綜合使用Java語(yǔ)言、Android Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境、Bmob移動(dòng)后端云存儲(chǔ)平臺(tái)和Leica測(cè)量機(jī)器人二次開(kāi)發(fā)協(xié)議中的ASCII協(xié)議進(jìn)行本系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)工作。

ASCII協(xié)議屬于GeoCom協(xié)議下的線路通信協(xié)議，協(xié)議的通信是由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信單元組成。每一個(gè)通信單元包含一個(gè)命令碼和一個(gè)回執(zhí)碼，在一個(gè)通信單元中，系統(tǒng)以開(kāi)發(fā)程序?yàn)榭蛻?hù)終端向以測(cè)量機(jī)器人為服務(wù)端發(fā)送命令碼，隨后保持通信通道等待回執(zhí)信號(hào)，此時(shí)測(cè)量機(jī)器人接收到命令碼，同時(shí)對(duì)命令碼進(jìn)行內(nèi)部標(biāo)識(shí)符匹配，若匹配成功，則儀器根據(jù)命令碼進(jìn)行相應(yīng)的工作，同時(shí)生成回執(zhí)碼向開(kāi)發(fā)程序返回；若匹配失敗，則儀器不進(jìn)行工作，同時(shí)將命令錯(cuò)誤信息生成回執(zhí)碼向開(kāi)發(fā)程序返回，當(dāng)開(kāi)發(fā)程序通過(guò)通信通道接收到回執(zhí)碼后，此時(shí)一個(gè)通信單元通信完成，如圖1所示。

圖1 通信單元

2.2 系統(tǒng)框架

橋梁立柱垂直度快速實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)主要由三個(gè)子模塊組成，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算存儲(chǔ)模塊和云端管理模塊，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 橋梁立柱檢測(cè)系統(tǒng)框架

(1)數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)計(jì)的程序?qū)蛄毫⒅臋z測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)根據(jù)ASCII協(xié)議的通信原理進(jìn)行通信建立、遠(yuǎn)程控制和信號(hào)傳輸；模塊的檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集步驟根據(jù)文獻(xiàn)[6]的高墩橋梁立柱檢測(cè)數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)遵照GeoCom串行接口下的ASCII協(xié)議進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)。

(2)計(jì)算存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和本地存儲(chǔ)。計(jì)算功能部分根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用穩(wěn)健最小二乘方法計(jì)算高墩橋梁立柱的上下截面圓心坐標(biāo)；分析功能部分根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的垂直度檢測(cè)算法原理對(duì)立柱的垂直度進(jìn)行分析；本地存儲(chǔ)功能部分通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和本地文件對(duì)立柱的檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。

(3)云端管理模塊負(fù)責(zé)立柱垂直采集數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)的云端管理存儲(chǔ)工作，此模塊根據(jù)Bmob移動(dòng)后端云提供的接口和開(kāi)發(fā)規(guī)范進(jìn)行開(kāi)發(fā)編寫(xiě)和功能實(shí)現(xiàn)。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)和模塊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算存儲(chǔ)、云端管理三大功能模塊，各模塊功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)各模塊功能結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 藍(lán)牙通信設(shè)計(jì)

藍(lán)牙通信技術(shù)歷經(jīng)多年的發(fā)展、創(chuàng)新和技術(shù)變革，因其具有低能耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，目前已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)系統(tǒng)的智能終端設(shè)備?，F(xiàn)有的Android智能終端設(shè)備的藍(lán)牙模塊的工作主要由待機(jī)、查詢(xún)、配對(duì)和連接四個(gè)步驟組成[7～9]。本系統(tǒng)通過(guò)使用Android平臺(tái)提供的藍(lán)牙API接口來(lái)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備之間的通信，Android系統(tǒng)應(yīng)用程序與測(cè)量機(jī)器人之間建立RFCOMM通道，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線通信。對(duì)Android系統(tǒng)本地藍(lán)牙與測(cè)量機(jī)器人藍(lán)牙通信進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖4所示：

圖4 藍(lán)牙通信流程圖

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

(1)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)

Android系統(tǒng)集成了嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，與其他數(shù)據(jù)庫(kù)相比具有輕量、靈活、高效等特點(diǎn)[11]，完全可以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的需求。SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)總體上符合SQL-92標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是在功能上還是在語(yǔ)法上都與目前主流的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)差異不大，但SQLite具有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，首先，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)據(jù)處理速度上更快，效率高；其次，SQLite的數(shù)據(jù)類(lèi)型為弱引用類(lèi)型，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不匹配數(shù)據(jù)類(lèi)型的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，極大地方便了開(kāi)發(fā)者的編寫(xiě)，使SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)具有更高的靈活性。

(2)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的可管理性、低復(fù)雜度、最優(yōu)化和靈活性等目標(biāo)，結(jié)合數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，在充分考慮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表包括：項(xiàng)目信息表、擬合信息表和成果信息表。

①項(xiàng)目信息表，用來(lái)存儲(chǔ)不同檢測(cè)項(xiàng)目的信息，包括項(xiàng)目ID、測(cè)站名稱(chēng)和創(chuàng)建時(shí)間，項(xiàng)目信息表結(jié)構(gòu)如表1所示。

項(xiàng)目信息表 表1

②擬合信息表，用來(lái)存儲(chǔ)檢測(cè)立柱上下部分?jǐn)M合圓的擬合結(jié)果信息，包括立柱名稱(chēng)、項(xiàng)目ID、擬合圓的位置(0表示頂部擬合圓，1表示底部擬合圓)和擬合圓心的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)及半徑R，擬合信息表結(jié)構(gòu)如表2所示。

擬合信息表 表2

③成果信息表，用來(lái)存儲(chǔ)檢測(cè)立柱的檢測(cè)結(jié)果，包括立柱名稱(chēng)、項(xiàng)目ID、立柱的豎直度、立柱的高度、立柱豎直度的允偏值和檢測(cè)結(jié)論，成果信息表如表3所示。

成果信息表 表3

3.3 Bmob云存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

(1)Bmob移動(dòng)云的搭建

Bmob移動(dòng)云[12，13]是一款向移動(dòng)應(yīng)用市場(chǎng)提供云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)的Serverless云應(yīng)用平臺(tái)，可快速幫助移動(dòng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)一個(gè)靈活且安全的后臺(tái)管理系統(tǒng)，平臺(tái)支持現(xiàn)有主流移動(dòng)端操作系統(tǒng)。Bmob移動(dòng)云提供了較為簡(jiǎn)單、便捷的搭建方式，它將網(wǎng)絡(luò)通信函數(shù)進(jìn)行了封裝，開(kāi)發(fā)者無(wú)須大量的后端設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，只需要在前端開(kāi)發(fā)中進(jìn)行相應(yīng)函數(shù)功能的調(diào)用即可。Bmob移動(dòng)后端云的搭建、連接和使用步驟如圖5所示：

圖5 移動(dòng)云搭建步驟流程圖

(2)Bmob云的上傳與下載

Bmob通過(guò)批量數(shù)據(jù)添加實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)項(xiàng)的上傳，其實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)BmobBatch對(duì)象的insertBatch方法，以數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)組為方法參數(shù)，實(shí)例化QueryListListener監(jiān)聽(tīng)器。Bmob通過(guò)批量條件查詢(xún)返回?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)項(xiàng)的下載，其實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)BmobQuery對(duì)象的findObjects方法，以數(shù)據(jù)項(xiàng)作為方法參數(shù)，實(shí)例化FindListener監(jiān)聽(tīng)器。

4 工程應(yīng)用

工程應(yīng)用案例選在某在建高速公路一個(gè)標(biāo)段施工現(xiàn)場(chǎng)，由于公路所在區(qū)域地形為丘陵地形，橋梁立柱較多，施工期間垂直度檢測(cè)是一項(xiàng)必要工作。首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)定測(cè)站位置。在選定測(cè)站位置時(shí)注意選擇視野較好，一次盡量檢測(cè)較多的立柱。設(shè)站之后，首先進(jìn)行藍(lán)牙搜索與鏈接，智能手機(jī)與測(cè)量機(jī)器人鏈接。啟動(dòng)立柱檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)置，包括新建項(xiàng)目、刪除項(xiàng)目、當(dāng)前項(xiàng)目選擇等，即可進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量，實(shí)際操作分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳、下載等項(xiàng)操作。

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

首先根據(jù)進(jìn)行人工瞄準(zhǔn)，完成對(duì)選定立柱上部、下部截面圓的左切右切測(cè)量，即切點(diǎn)定位，隨后啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量，系統(tǒng)控制測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量立柱表面特征點(diǎn)，完成體立柱垂直度檢測(cè)征點(diǎn)測(cè)量，觀測(cè)結(jié)果包括角度、坐標(biāo)實(shí)時(shí)可見(jiàn)。啟動(dòng)計(jì)算進(jìn)行最小二乘計(jì)算垂直度，點(diǎn)擊保存，測(cè)量和計(jì)算結(jié)果按設(shè)定格式保存，進(jìn)行下一個(gè)立柱測(cè)量。每站測(cè)量結(jié)束，測(cè)站數(shù)據(jù)自動(dòng)按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)格式保存，報(bào)表功能將垂直度的計(jì)算結(jié)果按照成果樣式導(dǎo)出，自動(dòng)生成表格，以.xlsx格式存儲(chǔ)到終端本地文件管理目錄下。圖6(a)、6(b)為系統(tǒng)文件建立和測(cè)量界面。

圖6 數(shù)據(jù)采集與處理界面

4.2 云端管理

每次測(cè)量結(jié)束，可以將項(xiàng)目測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到Bmob移動(dòng)后端云數(shù)據(jù)庫(kù)，可以在電腦端直接下載測(cè)量數(shù)據(jù)，無(wú)須在測(cè)量結(jié)束進(jìn)行連線下載數(shù)據(jù)和處理工作。如圖7(a)、圖7(b)所示為數(shù)據(jù)傳輸和云端管理界面。

圖7 云端管理程序界面

實(shí)際應(yīng)用表明，采用編制的垂直度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行橋梁立柱檢測(cè)，在選定測(cè)站之后只需對(duì)每個(gè)立柱，進(jìn)行左切、右切人工測(cè)量，而后系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)計(jì)算，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)并上傳云端，減少了數(shù)據(jù)下載、整理、計(jì)算處理等中間環(huán)節(jié)，大大提高了立柱檢測(cè)效率。

5 結(jié) 論

本文以高墩橋梁立柱的垂直度檢測(cè)為研究對(duì)象，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的理論研究方法，以測(cè)量機(jī)器人為硬件基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的高墩橋梁立柱垂直度快速檢測(cè)系統(tǒng)。

高墩橋梁立柱垂直度快速檢測(cè)系統(tǒng)把無(wú)接觸測(cè)量方法與Android移動(dòng)開(kāi)發(fā)技術(shù)、藍(lán)牙通信、云存儲(chǔ)和測(cè)量機(jī)器人二次開(kāi)發(fā)等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線控制、自動(dòng)測(cè)量、快速計(jì)算、實(shí)時(shí)報(bào)表、云端存儲(chǔ)等功能。用戶(hù)只需要在Android終端手機(jī)上安裝系統(tǒng)，配合測(cè)量機(jī)器人就可以使用系統(tǒng)進(jìn)行橋梁立柱的垂直度檢測(cè)工作，實(shí)現(xiàn)了集自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)為一體的橋梁立柱快速實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。