三角高程测量是指由测站向照准点观测垂直角、水平距离及斜距，计算两者间高差的一种方法，具有操作简便灵活、测量效率高、受地形制约较少等特点。目前，国内已有单位开展精密三角高程测量代替二等水准测量的相关研究及生产^[1-3]，这表明精密三角高程测量在一定条件下可以满足二等水准测量的精度要求，但存在操作步骤及观测流程复杂繁琐等问题。结合实际工程对精密三角高程测量要求操作简便、数据准确、提升效率的应用需求，本文提出了一种精密三角高程测量自动化控制策略，并研发了一套基于消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport, MQTT)^[4]通讯协议的控制系统。通过设计观测流程自动化控制指令集的MQTT消息主题，该系统可在无人干预的条件下，根据精密三角高程观测流程自动地控制主、辅站进行测量，并对观测数据进行限差检核，在保证原始观测数据记录准确性的同时，大幅提升作业效率。

系统架构见图 1，整个系统根据控制单元的不同分为两部分：服务器对主、辅站观测流程的控制和主、辅站智能终端对各自仪器自动测量的控制。

图 1(Fig.1)

图 1 系统架构图 Fig.1 System Architecture

该系统中控制仪器测量的应用程序（application, APP）是基于.NET平台的C#语言，采用Xamarin跨平台框架开发的，同时兼容Android和iOS移动平台；服务器端控制软件是基于.NET平台，采用C#语言开发的；测量现场APP与仪器利用蓝牙无线通讯技术进行交互；APP与服务器之间采用4G无线网络建立连接，利用MQTTnet开源库构建基于MQTT无线通讯技术的消息传递交换体系。

1）观测流程自动化控制。结合精密三角高程测量的观测流程，本文设计了一套基于MQTT协议的观测流程自动化控制指令集，服务器据此来控制主、辅站协同工作。当主、辅站连上服务器后，则进入受控状态，此时由主站向服务器发送开始观测的指令，服务器通知辅站联动以配合主站测量；当服务器收到主站测量完毕的指令后，通知辅站开始测量，并通知主站联动以配合辅站测量。一个对向观测的自动化控制交互过程如图 2所示。

图 2(Fig.2)

图 2 观测流程的自动化控制交互过程 Fig.2 Interactive Process of Automatic Control in Observation Process

2) MQTT通讯协议技术。MQTT是一种构建在传输控制协议/网际协议（transmission control protocol/internet protocol, TCP/IP）上、基于发布/订阅模式的“轻量级”通讯协议。其最大优势是在带宽有限的情况下，使用很少的代码为终端设备和服务器之间提供实时可靠的消息服务。它在物联网、移动设备等方面有着广泛应用，例如亚马逊的AWS IoT云平台就充分利用了MQTT协议^[5]。在MQTT协议架构中包含两种角色：MQTT客户端（分为订阅者和发布者）和MQTT代理端^[6]。这种代理的发布、订阅模式实现了通信节点之间的解耦，即发布者和订阅者互不干扰，仅与代理服务器通信。本文控制主、辅站的智能终端即为MQTT客户端，服务器即为MQTT代理端，其通信架构如图 3所示。

图 3(Fig.3)

图 3 系统MQTT通信架构 Fig.3 MQTT Communication Architecture of the System

MQTT通信过程中传输的消息分为topic（消息的主题）和payload（消息的内容）两部分^[7]。topic中可以包含两个通配符“#”和“+”，其中，“#”表示匹配多个层次，“+”表示匹配一个层次。本文基于MQTT通讯协议技术设计的主、辅站与服务器通信的观测流程自动化控制指令集如表 1所示。

表 1(Tab.1)

表 1 测量控制指令的MQTT消息主题 Tab.1 MQTT Message Subject of Measurement Control Commands

表 1 测量控制指令的MQTT消息主题 Tab.1 MQTT Message Subject of Measurement Control Commands 发布者 订阅者 消息主题内容 消息主题说明 主站 辅站 ＄main/start/low 主站启动低棱镜测量 ＄main/finish/low 主站低棱镜测量完毕 ＄main/start/high 主站启动高棱镜测量 ＄main/finish/high 主站高棱镜测量完毕 ＄main/change/low 主站换到低棱镜面 ＄main/change/high 主站换到高棱镜面 辅站 主站 ＄auxi/start/low 辅站启动低棱镜测量 ＄auxi/finish/low 辅站低棱镜测量完毕 ＄auxi/start/high 辅站启动高棱镜测量 ＄auxi/finish/high 辅站高棱镜测量完毕 ＄auxi/change/low 辅站换到低棱镜面 ＄auxi/change/high 辅站换到高棱镜面

智能终端通过蓝牙向测量仪器发送测量控制指令，获取仪器信息、配置度盘、控制观测等，仪器执行指令后将请求的信息、配置结果、观测数据等返回给智能终端^[8]。获得仪器观测数据后，智能终端将自动计算、记录并将结果与限差进行比对，若指标超限，将提示用户重测或加测。

本文研发的智能终端控制软件兼容Leica、Trimble、Topcon等品牌的自动照准全站仪，其中，Leica提供GeoBasic机载模式、串行接口（geo serial interface, GSI）数据指令^[9]、GeoCom接口^[10]3种方式；Trimble采用机载控制面板所搭载的适配软件进行指令转发；Topcon采用的是Sokkia/Topcon格式^[11]的串口命令。使用到的指令主要包括设置仪器自动目标识别（automatic target recognition, ATR）模式、获取盘面信息、转换照准面、目标搜索与照准、开始测量及获取观测值等。由于测量机器人在执行每个指令后都会返回一个状态信息来说明执行结果，例如成功、失败或异常等。为了保证自动测量过程的正确性和稳定性，本文设计了一套消息机制来控制仪器和接收数据，如图 4所示。

图 4(Fig.4)

图 4 自动测量控制的消息机制 Fig.4 Message Mechanism of Automatic Measurement Control

主、辅站根据服务器发送的观测流程控制指令进入不同的测量过程，每个测量过程由多条测量控制指令交互组成，指令将依次执行并返回false，直到成功执行该测量过程中的最后一条指令，返回true，这表示该测量过程成功执行，并将更改当前测量状态以进入下一个测量过程，否则测量状态不变并继续停留在当前测量过程。一个完整的指令交互过程如图 5所示。

图 5(Fig.5)

图 5 主、辅站自动测量控制指令交互流程 Fig.5 Interactive Process of Automatic Measurement Control Commands of Main and Auxiliary Stations

采用上述消息机制的指令管理方式避免了串口的频繁开关，节约了硬件资源；仅需编排相应的指令集配置文件即可进行测量过程的扩展，具有较好的封装性和移植性；如果在观测过程中棱镜被遮挡，可通过更改状态来暂停或继续测量过程，使得用户对仪器的控制更加便捷、高效。

精密三角高程测量自动化系统包括智能终端控制软件和服务端控制软件。智能终端控制软件包括7个功能模块：(1)主、辅站联网上线；(2)项目设置；(3)限差设置；(4)通讯参数设置；(5)棱镜常数检校；(6)自动测量控制；(7)观测数据上传。服务端控制软件有5个功能模块：(1)主、辅站联动控制；(2)数据同步；(3)数据计算；(4)数据存储；(5)成果报表。系统总体功能模块设计见图 6。其关键模块包括以下内容：

图 6(Fig.6)

图 6 系统功能模块设计 Fig.6 Design of System Function Module

1）项目设置及限差设置。项目设置模块对项目作业参数进行相关设置，包括水准线路的起始点、主站和辅站高低棱镜差值、水准观测等级、当前测站类型及自定义测回数等。考虑到实际应用中可能存在观测条件不太好的情况，软件允许用户自定义测回数以增加多余观测来提高精度。限差设置模块对仪器观测数据及水准成果数据的实时检校相关限差机进行设置，包括加/乘常数、往返差、往返差较差、垂直角指标差较差、垂直角测回差、测回距离较差、最大观测垂直角、高低棱镜观测水平距离较差限差^[12]。一旦指标超限，软件将暂停当前观测，并立刻提示用户重测或加测。

2）棱镜检校及自动测量控制。利用棱镜检校模块在施测前检校高低棱镜中心连线是否竖直，以保证高低棱镜安装正确无误。如果高低棱镜与测站的水平距离差值的绝对值小于限差要求，则棱镜检校合格；否则，软件将根据该值的正负及大小给出高低棱镜调整示意图，协助观测人员调整其安装位置。在自动测量控制模块，用户设置温度、气压等参数，点击启动按钮即可开始该站的自动化测量过程。一旦观测数据累计到可以计算，软件立即对误差指标进行检核，同时，把测量进度和每一条测量指令的执行过程及结果显示出来，方便用户了解作业情况，并对出现的异常状况进行处理。

3）数据计算及成果报表。主、辅站测量完毕且数据检查无误后，即可将数据上传至服务器，在服务器进行数据存储及计算，并生成相应的数据成果报表。相较于传统观测结束后再由人工整理观测记录、数据计算及成果报表的方式，该模块实现了内业工作的电子化、自动化，有效提高了工作效率。

该系统被应用在重庆市轨道交通工程建设中，进行了多处跨河精密三角高程测量。本文将其与传统采用水准仪测量的方式进行对比，比较两者的作业效率和数据质量。工程项目的测试结果表明：相较于水准仪观测方式，该系统大大缩短了过河时间及观测时间，整体作业效率平均提高60%；该系统对观测数据进行现场检校及计算，实现了数据质量的一次达标，返工率接近0。

针对精密三角高程测量在实际工程应用中存在的操作复杂及作业流程繁琐等问题，本文提出了一种精密三角高程测量自动化控制策略，并基于轻量、实时、可靠的MQTT协议设计并实现了一套精密三角高程测量自动化控制系统。该系统在重庆市多个轨道交通工程项目中的实践应用表明：作业人员仅需简单操作就能实现主、辅站的自动测量及观测流程的自动控制，并能实时处理规范指标超限问题，及时排查仪器观测和操作问题，实时记录、检核、上传观测数据，在保证数据记录准确性同时，有效提升了作业效率、保障了数据质量。