城市地铁隧道断面检测包括地铁隧道在施工阶段的质量检测和运营期间的变形监测^{[1, 2]}，本文主要侧重施工阶段的质量检测，检测隧道的竣工线路与设计线路是否相符，检测成果将作为后面轨道铺设的依据。目前，生产单位一般是用全站仪进行外业数据采集，用Excel表格进行内业处理数据的方法实现地铁隧道的断面检测工作，存在工作效率低、可视化程度差等缺点。本文针对生产实际需求，采用移动端蓝牙通讯和数据库等技术，研制实现了城市地铁隧道断面检测的原型系统，有效地解决了上述问题。

1 系统设计 1.1 系统构成

系统包括PC端子系统和移动端子系统两个部分，其中PC端子系统采用Microsoft Windows操作系统，数据库采用Microsoft公司的SQL Server关系型数据库；移动端子系统采用Android操作系统，软件兼容Android 4.2及以上版本。子系统均选用Eclipse作为开发平台，开发语言为Java，JDK版本为1.6。系统架构如图 1所示。

移动端子系统配合全站仪采集数据，全站仪采用自由设站极坐标法或边角交会法采集断面测点坐标，若使用智能型全站仪 (测量机器人)，则可实现外业数据采集的自动化。通过蓝牙技术实时接收并处理断面检测数据，生成断面检测结果和断面图。为了与设计断面进行比较，在隧道断面检测工作前应输入地铁轨道设计线路的相关参数，包括线路的平曲线参数、竖曲线参数、设计断面参数、轨道偏移和轨面高程等各项参数^[3]。检测结果以数值和断面图图形相结合的方式进行展示，包括隧道断面测点的实测坐标、高程和偏距等信息，其中超出设计阈值的测点将给予特殊提示^[4-6]。

PC端子系统的功能一方面是对断面检测数据进行数据库管理，在其基础上对断面检测质量进行评估，另一方面是为断面检测结果提供一个三维模型展示平台，使断面检测结果可以更直观。系统数据库采用SQL Server关系型数据库，数据表中共含8个字段，各字段属性如表 1所示。

1.2 系统功能

在现有检测方法即用全站仪采集数据的基础上进行系统的设计和优化^[7]，便于使用、维护、普及和推广。系统的使用和主要功能如下：

1) 技术人员在检测作业前录入线路设计参数，包括隧道的平曲线、竖曲线参数、设计断面参数、轨道偏移和轨面超高等参数，在检测过程中，根据这些设计参数实时处理断面检测数据，显示断面检测结果，计算测点偏距，并生成断面图^[8]；

2) 提供断面数据管理平台，对数据库数据进行导入、查询、排序和删除等管理操作；

3) 提供断面检测结果的三维模型展示平台，将指定里程处的断面以三维模型的形式展示，并实现视图平移、旋转、缩放等功能；

4) 自动完成断面检测的质量评估，根据设计阈值对断面的超限情况进行统计，进行超限路段里程、超限大小和方向等信息的统计分析^[9]。

1.3 模块设计

移动端子系统和PC端子系统的功能模块设计如图 2所示。

2 系统的开发与实现 2.1 关键技术

1) 蓝牙通讯技术。蓝牙通讯技术是一种短距离无线射频通讯技术，主要用于代替传统串行线进行数据传输，其通讯过程遵循RFCOMM协议。建立蓝牙通讯前，首先要进行蓝牙连接，蓝牙设备的连接应区分主机和从机，在全站仪与移动端设备的通讯过程中，应将移动端设为主机，即蓝牙客户端，将全站仪设为从机，即蓝牙服务器端。蓝牙通讯中的数据编码格式采用UTF-8，全站仪数据格式设置为GSI8或GSI16。

2) SQL Server数据库技术。SQL Server是一个关系型数据库，使用标准的SQL语言，具有使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成程度高等优点，可用于大容量数据的存储，是本系统数据管理的基础。

3) 三维模型展示技术。以平面图形展示三维模型实质是将测区测点的三维坐标经中心投影变换投影到空间平面。中心投影的投影线相交于一点，该点为人的视觉点，通过改变该视觉点的空间位置即可达到三维模型的平移、旋转等效果。

2.2 主要功能模块的实现

系统功能模块的实现分为移动端子系统和PC端子系统两个部分。其中移动端子系统的主要功能是采集和处理数据，根据断面实测坐标反算断面设计坐标并进行对比，因此在采集数据前应依次输入设计线路的平曲线参数、竖曲线参数和设计断面参数。线路平竖曲线参数可根据其平面图和纵面图判断其是否输入正确，参数输入无误后，在移动端设备上搜索全站仪蓝牙并配对连接，选取相应的设计断面参数即可进行数据采集工作。其工作流程如图 3所示。

PC端子系统的功能模块主要包括断面检测数据的建库管理模块、数据三维模型展示模块和报表生成模块。其中数据库管理模块以SQL Server数据库为基础，通过向后台发送标准的SQL语句来实现数据的增删改查，另一方面根据断面测点误差超限情况的统计可对断面检测结果进行质量评估。数据的三维模型展示模块通过图像中心投影原理和Java绘图函数来实现。系统导出成果报表选用Excel格式。其工作流程如图 4所示。

3 应用实例

该系统在某城市轨道交通13号线一期工程中得到应用，为盾构法施工的圆形隧道，检测段隧道长273 m，里程为ZDK59+874.253~ZDK60+147.730，共检测了46个断面，每个断面10个测点 (含顶板点和底板点)，外业数据采集与处理在全站仪和安卓端子系统 (安卓手机) 完成^[10]，部分操作页面如图 5所示，包括平、竖曲线定线、平面图、纵断面图、设计断面图等。

将移动端采集处理的数据导入PC平台相应软件进行数据导入、查询、排序等操作，并对检测成果进行三维模型展示 (见图 6)。

以各断面的测点平面实测坐标相对于设计坐标的偏距 (垂直于线路中心线方向) 为变化值，可生成如图 7所示的折线图。由于作业现场会有障碍物的遮挡，现场个别测点会偏离设计位置，导致偏距过大，分析过程可不予考虑。通过图形可以看出，隧道整体偏距变化在标准值上下摆动。以5 cm为阈值，可看出在18~20号断面、26~29号断面、37~40号断面、44~46号断面处存在大小不等的偏距超限现象，且偏移方向均为右方 (沿里程增大方向)，对应的里程为ZDK59+874.253~ZDK59+886.27、ZDK59+910.314~ZDK59+928.345、ZDK59+976.435~ZDK59+994.449、ZDK60+030.534~ZDK60+042.559。

4 结束语

本文针对目前城市地铁隧道断面检测的问题，设计并实现了城市地铁隧道断面检测原型系统。系统充分考虑了生产单位断面检测工作的实际需求，通过改变传统全站仪的作业模式，实现了断面检测工作数据采集及处理的半自动化；通过移动端设备实时接收并处理断面检测数据，实现了隧道断面检测成果的实时计算，可自动与设计成果进行比较，有效避免测量粗差，减少返工问题。此外，系统提供了隧道检测成果的三维化展示平台，使得检测成果更直观。经测试，系统功能稳定、简洁实用，可显著提高城市地铁隧道断面检测工作的效率。