Android水平位移即時監(jiān)測終端軟件的實現(xiàn)

歐陽晨皓，黃永帥，劉冠蘭,2，史俊波,2

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430079)

水平位移形變監(jiān)測為工程安全提供依據(jù)，是軌道交通工程中十分重要的一環(huán)。隨著移動互聯(lián)技術(shù)和智能終端的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，水平位移形變監(jiān)測正向高度自動化方向發(fā)展[1]。在自動化過程中，需考慮監(jiān)測的即時性和數(shù)據(jù)安全問題。傳統(tǒng)水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)采集中，監(jiān)測結(jié)果反饋周期長，監(jiān)測即時性差；原始記錄、最終結(jié)果均需要經(jīng)過監(jiān)測人員干預(yù)，數(shù)據(jù)記錄原始性、保密性、安全性差[2-6]。

針對上述問題，本文基于軌道交通工程實際要求，開發(fā)實現(xiàn)了一套基于Android設(shè)備的水平位移即時監(jiān)測終端軟件，利用Android設(shè)備的藍(lán)牙功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能分別與測量儀器、后臺服務(wù)器通信，實時獲取儀器測量信息及服務(wù)端測量信息，實時計算、預(yù)警，保證了監(jiān)測的即時性。軟件中嵌入DES(data encryption algorithm)對稱加密算法[7-9]，監(jiān)測人員無法干預(yù)監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄、計算過程，從而保證了監(jiān)測過程中“數(shù)據(jù)不落地”，完善了安全機制。本文首先介紹軟件架構(gòu)、功能特性，然后描述Android設(shè)備與測量儀器之間藍(lán)牙通信開發(fā)及數(shù)據(jù)加密流程，最后詳細(xì)講述各模塊功能，給出相關(guān)結(jié)論。

1 終端軟件框架及功能特性

監(jiān)測軟件終端依據(jù)數(shù)據(jù)通信鏈路不同分為兩部分，分別為Android設(shè)備與測量儀器、Android設(shè)備與服務(wù)端通信鏈路。兩條通信鏈路協(xié)作使監(jiān)測具備即時性。軟件對監(jiān)測記錄、成果進行加密，保證了數(shù)據(jù)安全。圖1為終端軟件框架。

1.1 Android設(shè)備與測量儀器通信鏈路

為了克服人工記錄、計算測量儀器數(shù)據(jù)導(dǎo)致的記錄準(zhǔn)確性、處理實時性差的問題，同時考慮傳輸距離、硬件成本，軟件采用藍(lán)牙作為測量儀器與Android設(shè)備的通信媒介。對于無內(nèi)置藍(lán)牙的測量儀器，可借助儀器自帶的RS232數(shù)據(jù)接口，外接串口藍(lán)牙適配器。

Android設(shè)備通過藍(lán)牙向測量儀器發(fā)送命令，獲取儀器信息、配置度盤、控制儀器觀測，儀器解析命令后將請求的信息、配置結(jié)果、觀測結(jié)果返回給Android設(shè)備。獲得儀器觀測數(shù)據(jù)后，軟件將自動記錄并實時計算觀測數(shù)據(jù)，與測量規(guī)范比對，若閉合差等檢核量超限將提示用戶重測測點/測回。最后，軟件將最終測量結(jié)果與往期數(shù)據(jù)比對，若變形超過閾值，將立即預(yù)警提示用戶。監(jiān)測作業(yè)結(jié)束后，軟件將對原始記錄、結(jié)果進行加密，將所有成果組織成報表。圖2為鏈路工作流程。

1.2 Android設(shè)備與服務(wù)端通信鏈路

Android設(shè)備與服務(wù)端通過互聯(lián)網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)交流遵循JSON(JavaScript object notation)格式。根據(jù)作業(yè)步驟，可將該通信鏈路的交互內(nèi)容分為兩種：一是在監(jiān)測準(zhǔn)備階段，軟件需要向服務(wù)器請求測站屬性信息，也可通過軟件在服務(wù)端新建測站信息，包括測站所屬線路、工點、測站名稱、監(jiān)測點坐標(biāo)、監(jiān)測點變形閾值。二是在監(jiān)測完成階段，軟件將監(jiān)測獲取的原始記錄、計算結(jié)果、監(jiān)測點變形量發(fā)送給服務(wù)端，服務(wù)端獲取監(jiān)測結(jié)果后將其保存至數(shù)據(jù)庫。

另外軟件具備數(shù)據(jù)同步功能，可根據(jù)用戶給定的時間范圍，將對應(yīng)時段內(nèi)監(jiān)測記錄下載至Android設(shè)備，供用戶查看原始記錄、監(jiān)測點變形曲線等。圖3為鏈路工作流程。

2 Android藍(lán)牙通信開發(fā)及DES數(shù)據(jù)加密流程

為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)不落地，首先利用藍(lán)牙通信將原始數(shù)據(jù)從全站儀串口傳輸至Android設(shè)備，而后在Android設(shè)備上利用“DES”算法對原始記錄、監(jiān)測成果進行加密。該過程中，用戶無法對原始數(shù)據(jù)進行編輯，保證了數(shù)據(jù)的原始性、準(zhǔn)確性、安全性。

2.1 Android藍(lán)牙通信開發(fā)

藍(lán)牙短距離無線通信技術(shù)發(fā)展至今大致有5個版本，其中藍(lán)牙1.x～3.x為傳統(tǒng)藍(lán)牙(bluetooth BR/EDR)，4.x～5.x為新一代的低功耗藍(lán)牙(bluetooth low energy)[10-11]。本文系統(tǒng)在開發(fā)初期考慮較低版本，全站儀均需要外接串口藍(lán)牙適配器，而市面上帶RS232串口轉(zhuǎn)接頭的藍(lán)牙適配器產(chǎn)品使用的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)大多為傳統(tǒng)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)；另外新一代測量機器人，其內(nèi)置藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)大多也為傳統(tǒng)藍(lán)牙，因此本文系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。

軟件基于Android Studio 2.2平臺開發(fā)，使用的編程語言為JAVA。Android設(shè)備的傳統(tǒng)藍(lán)牙開發(fā)分兩步：藍(lán)牙外設(shè)搜索、連接，數(shù)據(jù)傳輸[12]。圖4為Android藍(lán)牙開發(fā)流程。

(1) Android藍(lán)牙外設(shè)搜索、連接。Android環(huán)境中的BluetoothAdapter類庫包含了藍(lán)牙狀態(tài)查詢、掃描、連接等操作函數(shù)。利用startDiscovery函數(shù)開始掃描藍(lán)牙外設(shè)，該函數(shù)可獲取附件所有藍(lán)牙外設(shè)的MAC(介質(zhì)訪問控制)地址、名稱、RSSI(接收信號強度)等信息。搜索到目標(biāo)藍(lán)牙后，向目標(biāo)藍(lán)牙發(fā)起配對請求，完成配對。

配對完成后，即可令設(shè)備發(fā)起連接請求。Android設(shè)備與藍(lán)牙外設(shè)連接時，需要對應(yīng)通用唯一識別碼(UUID)開啟串行線性仿真協(xié)議(RFCOMM)信道，使用的函數(shù)為createRfcommSocketToService Record。信道開啟成功后，即可利用BluetoothSocket對象進行套接字通信。

(2) 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。Android設(shè)備與外設(shè)藍(lán)牙連接完成后，即可利用getInputStream、getOutputStream函數(shù)從藍(lán)牙套接字對象獲取輸入、輸出流。開啟數(shù)據(jù)監(jiān)聽線程，利用輸入流獲取儀器端外設(shè)藍(lán)牙發(fā)來的數(shù)據(jù)；當(dāng)Android設(shè)備向儀器發(fā)送命令時，則利用輸出流發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣便實現(xiàn)了Android設(shè)備與測量儀器雙向通信功能。

軟件兼容拓普康、徠卡兩種品牌全站儀。拓普康全站儀串口命令為SOKKIA/TOPCON格式，徠卡全站儀串口命令有GSI、GeoCOM兩種格式，使用的命令主要包括水平角置盤、開始觀測、停止觀測、角度/斜距信息獲取[13-15]。

2.2 DES數(shù)據(jù)加密流程

DES是一種可逆的對稱分組加密算法，該算法在POS、ATM、IC卡等方面運用廣泛。加密過程大致包含3步：初始置換、子密鑰生成、16輪迭代運算及最終置換[7，16]。圖5為DES加密算法流程。

(1) 初始置換。置換的目的在于打亂原來64位明文、密鑰的順序，并依照初始置換表進行排列。

(2) 子密鑰生成。將置換后始密鑰分為左右兩半KL0及KR0，分別對KL0和KR0進行循環(huán)左移得到KL1和KR1，之后將得到的KL1和KR1合并再次按照新的置換表進行排列得到Key1，作為下一輪迭代的輸入。按照上述方法迭代16次，即得到16個子密鑰。

(3) 16輪迭代運算及最終置換。初始置換之后的明文分為左明文L0和右明文R0，長度均為32位。首先“擴展置換”將右明文擴展為48位，“密鑰變換”將本輪迭代的子密鑰壓縮為48位后，令兩者進行異或運算，得到的運算結(jié)果經(jīng)過“S盒置換”、“P盒置換”兩步得到新的32位變量，將該32位變量與左明文進行異或運算得到新的右明文R1，再將舊的右明文R0作為新的左明文L1，即得到新一輪迭代的輸入。按照上述過程進行16輪迭代，最后一輪迭代生成的左右明文不交替。按照最終置換規(guī)則排列16輪迭代后的明文，即得到最終加密結(jié)果。DES解密與加密過程類似，不同之處在于子密鑰使用順序相反。

3 終端軟件功能模塊

軟件依據(jù)軌道交通工程施工現(xiàn)場水平位移監(jiān)測需求，共設(shè)計實現(xiàn)了7個功能模塊：用戶注冊/驗證、測站管理、監(jiān)測任務(wù)新建/加載、數(shù)據(jù)采集/實時預(yù)警、成果報表、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)恢復(fù)。圖6為軟件模塊功能示意圖。以下對關(guān)鍵模塊進行展開描述。

3.1 數(shù)據(jù)采集及實時預(yù)警

圖7為監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及實時預(yù)警模塊操作界面。該模塊用戶通過點擊“獲取數(shù)據(jù)”即可向全站儀發(fā)出觀測命令，等待儀器觀測完成、反饋觀測數(shù)據(jù)后，軟件將立即進行數(shù)據(jù)解析、顯示。一旦觀測數(shù)據(jù)累積到可以計算，軟件立即對可檢核的誤差指標(biāo)進行計算，包括平距較差、半測回歸零差、一測回內(nèi)2c互差、同方向各測回較差等，一旦指標(biāo)超限，軟件立刻提示用戶重測或加測。每一測回完成后都將計算一次測點坐標(biāo)，與上期坐標(biāo)對比，計算變形量、變形速率，若指標(biāo)超限，將立刻向用戶發(fā)出預(yù)警，幫助監(jiān)測人員排查問題，排除安全隱患?？紤]觀測人員在操作儀器時可能出現(xiàn)目標(biāo)對準(zhǔn)錯位等失誤，軟件允許用戶對當(dāng)前測點、測回或全部觀測任務(wù)重新觀測。另外軟件允許用戶在該界面重新選擇使用的儀器、串口命令格式及重新連接藍(lán)牙。

3.2 成果報表

圖8為成果報表功能模塊操作界面及成果報表展示效果。用戶完成監(jiān)測作業(yè)后即可在該模塊查看測站原始數(shù)據(jù)、計算結(jié)果、形變信息。在確認(rèn)記錄無誤后即可上傳至服務(wù)器，服務(wù)器在接收到記錄后立即對各測點信息進行更新，對于水平位移超限的測點將立即在平臺風(fēng)險系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警信息，作業(yè)人員對預(yù)警點處理、反饋后再消除預(yù)警。該模塊使得監(jiān)測內(nèi)業(yè)實現(xiàn)電子化、自動化，有效提高了作業(yè)效率。

3.3 數(shù)據(jù)同步

圖9為數(shù)據(jù)同步模塊操作界面及歷史數(shù)據(jù)、變形曲線顯示效果。與任務(wù)新建模塊類似，用戶從服務(wù)器獲取線路、工點信息后，軟件將自動加載用戶選擇工點下的測站、測點，用戶設(shè)置監(jiān)測開始、截止日期后，即可從服務(wù)端同步到相應(yīng)時段內(nèi)的監(jiān)測記錄及成果。用戶選擇測站同步記錄后即可查看監(jiān)測原始記錄，選擇測點同步記錄后即可查看測點具體形變量及變形曲線。該模塊方便了監(jiān)測人員對施工現(xiàn)場監(jiān)測點形變信息進行分析，另外也使得監(jiān)測人員以外用戶可快速調(diào)取施工現(xiàn)場形變信息，促進參與工程施工的多方人員信息互通。

4 結(jié) 語

隨著移動互聯(lián)技術(shù)和智能終端的發(fā)展及在工程中的廣泛應(yīng)用，軌道交通工程監(jiān)測作業(yè)正向全自動化靠攏，在自動化過程中，監(jiān)測的即時性和數(shù)據(jù)的安全性顯得更加重要。

針對監(jiān)測過程的即時性和數(shù)據(jù)的安全性，本文設(shè)計實現(xiàn)了一套基于Android設(shè)備的水平位移即時監(jiān)測終端軟件。測量人員在作業(yè)階段能夠?qū)崟r處理規(guī)范指標(biāo)超限問題，及時排查、應(yīng)對儀器操作問題，實時獲取預(yù)警信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)全部實時記錄、計算并加密，保證了數(shù)據(jù)的原始性、準(zhǔn)確性。與服務(wù)端互聯(lián)方便了用戶及時對監(jiān)測點形變進行分析，促進了施工信息互通。軟件的預(yù)警機制聯(lián)合服務(wù)端的風(fēng)險系統(tǒng)幫助監(jiān)測人員對事故預(yù)知，完善了施工安全機制。

目前本文水平位移監(jiān)測軟件已在某軌道交通工程中應(yīng)用，實際效果表明，該監(jiān)測終端軟件將施工現(xiàn)場測量儀器觀測信息與服務(wù)端工程信息綜合在一起，提升了監(jiān)測作業(yè)效率，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)不落地，有效保證了監(jiān)測即時性和數(shù)據(jù)安全性。