近年来，随着科学技术的不断进步，我国地铁工程建设事业得到快速发展。沉降监测能够对地铁建(构)筑物设置的观测目标进行变形观测作业，提供建(构)筑物沉降数据，为地铁工程的科学施工和管理提供决策依据，保障建(构)筑物的使用寿命和安全性^[1-8]。因此, 地铁沉降监测作为地铁工程建设质量和安全保障的一项重要措施越来越受到重视。

沉降数据采集的方法主要有人工采集、有线网络远程采集和无线网络远程采集^{[9, 10]}。有线网络采集成本高、距离短、特殊位置架设线路困难；无线网络远程采集抗干扰能力及稳定性较弱。远程自动化采集的数据与人工采集比较，受传感器技术等限制，精度比较低^{[11, 12]}。在国内, 沉降监测多采用野外人工数据采集与内业数据处理相结合的方法，但该作业模式人为干扰因素多, 数据实时性差, 管理难度大。

为满足地铁的长期安全运营要求，如何更方便、快速地获取高质量数据并及时预警成为近年来行业研究的重点。而智能移动设备的普及和无线通信技术的发展为沉降数据采集提供了一种新的途径。针对地铁沉降监测和预警要求，研发一套适应于地铁工程建设的沉降监测预警系统具有十分重要的意义。本文提出了一种全新的面向地铁工程的沉降监测方案，并研究与设计了地铁沉降监测预警系统，继承人工测量的精度，保障人工测量数据的准确性、实时性问题。

1 系统设计 1.1 系统总体设计

地铁沉降监测预警系统分为地铁沉降监测APP和在线预警系统两个部分。

APP采用软硬件结合、内外业一体化的方式，遥控水准仪进行测量，将测量数据加密存入APP数据库，人员无法接触数据进行人为操作，避免误记、漏记、篡改等现象，保证沉降数据的真实性和有效性，从而提高数据质量。APP接收到测量数据后，进行平差处理，将原始数据、结果数据及测绘信息实时上传至在线预警系统。在线预警系统对数据进行科学管理和分析，对超过阈值的监测点进行预警，并以短信和邮件的方式及时反馈给测量相关人员，实现数据的实时性。APP和在线预警系统协同工作，使用数据库存储和管理数据，实现不同电子水准仪数据格式的统一存储和管理。

系统基于Apache CXF(Celtix+XFire)技术开发面向SOA(service-oriented architecture，面向服务的体系结构)服务，构建统一的简单对象访问协议(simple object access protocol，SOAP)服务接口，定义APP和在线预警系统的通信接口。APP基于Android开发，使用SOAP2协议和服务接口建立通信，使用SQLite数据库存储数据。在线预警系统基于Spring+Spring MVC+Hibernate框架开发，Tomcat发布，使用JDBC(Java database connectivity)链接MySQL(Oracle旗下的关系型数据库管理系统)数据库管理数据，使用GIS直观地展示数据。系统的总体架构如图 1所示。

1.2 数据库设计

沉降监测数据存储格式复杂，不同电子水准仪的数据存储格式不同^[13]，如市场占有率较高的天宝Dini03数据存储格式为dat文件，徕卡DNA03数据存储格式则为GSI文件，其他电子水准仪也多为仪器厂商自定义的各式，数据格式不统一，统计和管理比较复杂。为统一数据格式，方便查询、统计和管理^[14]，APP使用SQLite存储测量原始数据、成果数据以及测绘信息等，在线预警系统使用MySQL数据库管理系统管理APP上传的数据以及预警数据等。原始数据、成果数据和测绘信息在两种数据库中字段保持一致，方便数据统一管理。其中测绘信息方便管理人员对测量人员的工作进行统计和核查。

1.3 系统功能设计

系统实现地铁沉降数据的采集、存储及管理、分析。系统功能结构图如图 2所示。

1.3.1 在线预警系统

在线预警系统主要包括监测信息管理(目标管理、基点管理)、角色管理、统计分析、预警管理、报表管理等模块。目标管理处理监测工程、监测点信息初始化工作以及监测点分布地图展示等。基点管理负责基准点、工作基点的新增，高程、编号等信息的编辑。角色管理划分为系统管理员、测量管理员、测量员三层。系统管理负责工程项目的创建、项目授权、角色授权等；测量管理员负责测量员的管理工作；测量员负责使用沉降监测APP，完成沉降数据采集和平差处理工作。统计分析则是对成果数据进行统计，对监测点累计沉降量、沉降速率、监测时间间隔的计算。预警管理主要是展示预警信息和处理预警信息，将超限预警信息通过短信和邮件的方式分发至相关人员查看。报表管理^[15]主要实现报表的输出工作。

1.3.2 地铁沉降监测APP

APP主要实现登录验证、系统设置、数据下载、沉降观测、数据管理、数据统计等功能。用户登录验证主要实现用户合法性验证，只有平台合法用户才能登录使用APP。系统设置主要是对测量限差、预警阈值、仪器设备、测量等级等信息的设置。数据下载实现从在线预警系统下载监测目标、工作基点等信息。沉降观测实现APP通过蓝牙连接电子水准仪进行测量和数据入库工作。数据管理主要实现闭合差计算、平差计算、突变点状态管理功能。数据统计则是对监测点累计沉降量、观测间隔等信息进行统计，并以图表的形式展示。

2 研发实现 2.1 基于Android的沉降监测APP

考虑到Android移动操作系统的普及率和相关硬件设备的价格，为方便应用，沉降监测APP基于开源的Android系统进行开发，使用开源集成开发环境Eclipse利用开源开发语言Java进行编写，数据存储在开源数据库SQLite中。开发环境和运行环境多为开源免费，有效降低用户成本支出。

沉降监测APP可通过Android智能移动设备的蓝牙向电子水准仪的内置或外接蓝牙发送指令(如设置小数点位数的指令SET/51/N)遥控电子水准仪实现诸如测量、读数、关机等功能。采集的数据也不再存储在电子水准仪存储卡中，而是通过蓝牙发送到Android智能移动设备。APP接收数据，并将尺读数、视距、测量时间等信息使用数据加密标准(data encryption standard，DES)对称算法加密后存储在数据库中，防止测量员或内业人员误记、漏记、篡改数据。

APP接收到沉降数据后立即进行闭合差计算、平差计算、测点状态修改等处理，然后利用网络将数据实时上传至在线预警系统。在线预警系统发现突变点并向测量员提出警告，督促测量员立刻进行核查。APP主界面应用抽屉布局，按作业顺序从上往下排列。其主界面如图 3所示。

2.2 面向SOA架构的在线预警系统

基于Apache CXF技术开发面向SOA的在线预警系统具有定义简单、精准的服务接口，能实现松散耦合的粗粒度应用组件和沉降监测APP的对接。系统部署简单、扩展便捷，对业务需求的变更能快速适配。系统使用GIS技术展示监测点信息，图形化的界面使数据更直观，且更容易理解。

系统使用Tomcat作为Web服务器进行发布，采用开源数据库MySQL作为数据库管理系统，存储和管理APP上传的监测数据和系统处理结果等信息，基于Eclipse J2EE版使用Java进行开发，综合利用Ajax、HTML5、CSS、JQuery实现页面异步刷新和互交互的一致性页面。

在线预警系统界面如图 4所示。界面展示的是试点区间项目监测信息管理界面，图顶部为导航栏，左侧为项目栏，右侧为图层和预警信息栏，中间工作区地图展示监测点分布。

3 结束语

本文针对地铁沉降自主研发了一套地铁沉降监测预警系统，实现了对地铁工程实时、快速、高质量的沉降监测。建立了基于Android的APP进行数据采集，数据存在数据库中，并且对数据库进行加密，能有效防止人为因素对数据质量的干扰。数据通过移动设备上传至在线分析预警系统，在线分析预警系统立刻对数据进行分析处理，发现超限等数据及时给予预警，建立快速、完善的反馈机制，提高了监测分析和成果数据处理的工作效率及预警数据的反馈速度。不管在APP中还是在在线分析预警系统中，不同电子水准仪采集的数据和成果数据均以统一方式存储，降低管理难度。系统已经进行了试点，获得建设单位和业主的一致好评，试点结束后将进行推广。

本系统在性能和功能方面仍然存在一些不足，角色管理相对简单，预测模型比较单一，没有实现数据评估，需要进一步完善和改进。系统数据来源单一，下一步将全站仪等数据采集设备纳入平台，实现多源数据的统一管理。新模式必将对传统测量人员有一定冲击，需要做好培训等配套技术支持。