基于數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣管道線路施工圖設(shè)計(jì)軟件二次開發(fā)

田姍姍，馬金鳳，周亞薇

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣管道線路施工圖設(shè)計(jì)軟件二次開發(fā)

田姍姍，馬金鳳，周亞薇

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣輸送管道線路施工圖設(shè)計(jì)軟件是集數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)管理、線路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)移交為一體的施工圖設(shè)計(jì)平臺(tái)，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將AutoCAD 2010二次開發(fā)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)線路施工圖的整體設(shè)計(jì)。該軟件利用SQLServer 2005搭建數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入和管理；通過(guò)研究曲線算法和縱斷面生成算法，實(shí)現(xiàn)管道縱斷面的自動(dòng)生成和計(jì)算；總結(jié)提煉常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，搭建穿跨越、水工保護(hù)等專業(yè)標(biāo)注設(shè)計(jì)符號(hào)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。軟件實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離油氣管道線路施工圖的連續(xù)設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)，采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，具有良好的開放性和兼容性。

數(shù)據(jù)庫(kù)；線路設(shè)計(jì)；施工圖；CAD二次開發(fā)；油氣輸送管道

目前，管道運(yùn)輸已成為繼公路、鐵路、水運(yùn)和航空之后第五大交通運(yùn)輸方式，我國(guó)油氣骨干管道里程已突破7萬(wàn)km。管道建設(shè)高峰期的到來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法都提出了更高的要求[1-5]。而線路作為油氣管道的主體，其線路施工圖設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量直接關(guān)系著管道建設(shè)的進(jìn)度和施工質(zhì)量[6-8]。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的管道線路施工圖設(shè)計(jì)開發(fā)主要采用Visual Basic、Visual C++、AutoCAD二次開發(fā)工具等，但大多局限于單張圖紙的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平以及繪圖習(xí)慣關(guān)系很大，而且不同專業(yè)的資料分散存儲(chǔ)，各項(xiàng)資料在上下游專業(yè)之間進(jìn)行傳遞和流轉(zhuǎn)的過(guò)程中，容易發(fā)生資料缺失和版本錯(cuò)誤等問(wèn)題，很難實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[9-15]。

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的線路施工圖設(shè)計(jì)研究，以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為基礎(chǔ)，在Auto CAD基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)全面提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)油氣管道線路設(shè)計(jì)的數(shù)字化，有著積極的作用。本文闡述了基于數(shù)據(jù)庫(kù)的管道線路施工圖設(shè)計(jì)軟件的總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)、核心算法和工作流程。

1 總體設(shè)計(jì)

該平臺(tái)運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，通過(guò)對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)油氣管道線路施工圖的數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)管理、線路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)移交的功能。本研究搭建了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和工程數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)管理項(xiàng)目的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)以及線路、水工保護(hù)和穿跨越等專業(yè)的符號(hào)庫(kù)和計(jì)算規(guī)則；結(jié)合油氣管道線路施工圖設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵算法，對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，研發(fā)出適用于施工圖設(shè)計(jì)的專業(yè)化模塊，通過(guò)劃分不同的用戶角色并確定其默認(rèn)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作在不同環(huán)節(jié)的自動(dòng)流轉(zhuǎn)。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣管道線路施工圖設(shè)計(jì)通過(guò)搭建線路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理數(shù)據(jù)[9]，具體的技術(shù)架構(gòu)共分為三大層次，底層構(gòu)建在Windows Server 2003基礎(chǔ)上，采用SQL Server 2005訪問(wèn)“用戶庫(kù)”、“工程庫(kù)”、“矢量庫(kù)”、“影像庫(kù)”、“圖紙庫(kù)”等數(shù)據(jù)庫(kù)，NTFS格式的磁盤陣列作為文件存儲(chǔ)介質(zhì)。作為底層的協(xié)同設(shè)計(jì)服務(wù)，提供了數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)、安全認(rèn)證服務(wù)、文件訪問(wèn)服務(wù)等，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提供了工程管理服務(wù)、數(shù)據(jù)入庫(kù)服務(wù)、數(shù)據(jù)出庫(kù)服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、權(quán)限控制服務(wù)[17]。在局域網(wǎng)內(nèi)，客戶端采用TCP/IP傳輸協(xié)議與協(xié)同服務(wù)器通訊。客戶端主要由兩部分組成：AutoCAD嵌入式普通客戶端程序、系統(tǒng)配置管理程序。圖1和圖2分別為軟件的邏輯架構(gòu)和部署架構(gòu)。

圖1 邏輯架構(gòu)

圖2 部署架構(gòu)

3 算法研究

縱斷面設(shè)計(jì)是油氣管道線路施工圖設(shè)計(jì)的重要組成部分，算法研究是縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。曲線算法和縱斷面生成算法是自動(dòng)生成縱斷面的核心算法，標(biāo)注符號(hào)算法根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，將管道線路中的穿跨越設(shè)計(jì)與標(biāo)注符號(hào)庫(kù)相聯(lián)系，形成參數(shù)化的標(biāo)注設(shè)計(jì)。

3.1 曲線算法模型

長(zhǎng)輸管道線路是由直線段和曲線段連接成的連續(xù)曲線。本模型的建立旨在求得曲線段上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)。線路在平面敷設(shè)時(shí)的前進(jìn)方向是隨著拐點(diǎn)真實(shí)坐標(biāo)的變化而變化；在縱向敷設(shè)時(shí)，前進(jìn)方向是一直朝著平面里程數(shù)增加的方向。在模型中設(shè)定統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系——笛卡爾坐標(biāo)系。管道的曲線段由彈性敷設(shè)、冷彎管和熱煨彎管構(gòu)成，彎曲程度由管徑和曲率半徑?jīng)Q定[18-24]。曲線算法模型見圖3。

圖3 曲線算法模型

圖3 中（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3） 為管道線路上任一變坡點(diǎn)A、B、C的坐標(biāo)；按照規(guī)定的曲管半徑R做∠ABC的內(nèi)切圓弧，圓心為（x0，y0），模型中涉及的幾何要素算法如下：

（1）豎向轉(zhuǎn)角計(jì)算：

由于arctan本身就帶著正負(fù)，兩個(gè)角度正負(fù)號(hào)相同表示同向，正負(fù)號(hào)相反表示反向。

（2）曲線元素計(jì)算：

切線長(zhǎng)：T=R tan（α/2）

曲線長(zhǎng)：L=（π/180）Rα

外矢距：E=R（sec（α/2）-1）

（3）切點(diǎn)坐標(biāo)：

（4）圓曲線圓心坐標(biāo)：

（5）疊加角計(jì)算：

前坡角=α1；后坡角=α2；水平角=b；

同向：疊加角=arccos（cos α1·cos α2·cos b+ sin α1·sin α2）

反向：疊加角=arccos（cos α1·cos α2·cos bsin α1·sin α2）

3.2 縱斷面管線生成模型

縱斷面管線生成模型見圖4。

其中（xi，yi）為每個(gè)地面線點(diǎn)的坐標(biāo)，xi表示地面線上任一點(diǎn)i的里程值，yi表示該點(diǎn)的高程值，d為管道的設(shè)計(jì)埋深。

圖4 縱斷面管線生成模型

根據(jù)地面線生成縱斷面管線，在縱向轉(zhuǎn)角處，僅靠下移埋深距離得到的管線點(diǎn)，無(wú)法在任意點(diǎn)滿足埋深，因此考慮前后兩個(gè)方向的偏移量對(duì)管線點(diǎn)進(jìn)行修正。修正方法如下：

（1）地面線相鄰的兩個(gè)縱向轉(zhuǎn)角點(diǎn)按其坡向方向做最小埋深距離的偏移線。

（2）將地面線的第一個(gè)點(diǎn)和最后一點(diǎn)向下做最小埋深加管徑距離的垂線。

（3）將偏移線與偏移線的交點(diǎn)、垂線與偏移線的交點(diǎn)做為生成的管線點(diǎn)。

（4）將生成管線點(diǎn)進(jìn)行篩選和加密，減少過(guò)密的管線點(diǎn)，增加過(guò)稀的管線點(diǎn)。

（5）自動(dòng)生成縱斷面管線的計(jì)算過(guò)程如下：

第一步，從A點(diǎn)向下做垂線，然后以d為間距，做線段AB的偏移線，以垂線與偏移線的交點(diǎn)A′（x1′，y1′）作為第一個(gè)管線點(diǎn)。

第二步，做線段BC的偏移線，以兩條偏移線的交點(diǎn)B′（x2′，y2′）作為第二個(gè)管線點(diǎn)，并依次求得所有相鄰偏移線的交點(diǎn)作為中間的各個(gè)管線點(diǎn)。

第三步，求得最后一段偏移線與最后一條垂線的交點(diǎn)作為最后一個(gè)管線點(diǎn)。

第四步，對(duì)于相鄰兩個(gè)坡度小于5°且間距小于5 m的管線點(diǎn)，自動(dòng)取消后一個(gè)管線點(diǎn)；對(duì)于間距大于60 m的兩個(gè)管線點(diǎn)，在距前一點(diǎn)50 m處增加一個(gè)管線點(diǎn)。

3.3 標(biāo)注符號(hào)算法

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于穿跨越的標(biāo)注采用手動(dòng)識(shí)別的方式，本算法通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同的穿跨越類型涉及到的參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)化建模[25-26]，見表1。將各種穿跨越類型以符號(hào)的形式標(biāo)注到管道設(shè)計(jì)的縱斷面和平面中，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的目的。

4 工作流程

基于數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣管道線路施工圖研究涉及測(cè)量、勘察、防腐、通信等五個(gè)專業(yè)，專業(yè)之間的設(shè)計(jì)成果交接頻繁復(fù)雜，因此在軟件中采用了工作流模型管理。根據(jù)一系列的規(guī)則，文檔、信息、任務(wù)能夠在不同的執(zhí)行者之間傳遞、執(zhí)行。具體的工作流程如圖5、圖6所示。

表1 穿跨越參數(shù)化設(shè)計(jì)模型

圖5 工作流程圖

5 軟件特點(diǎn)

本系統(tǒng)采用AutoCAD2010+SQL Server 2005以及Microsoft的.net開發(fā)環(huán)境的技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，通過(guò)客戶端針對(duì)不同的設(shè)計(jì)人員開放不同的權(quán)限，所有客戶端訪問(wèn)通過(guò)工作流引擎統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)圖形設(shè)計(jì)工作的全面網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化。管理端與底層數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目管理，客戶端的設(shè)計(jì)成果自動(dòng)上傳至服務(wù)器。該軟件的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在：

圖6 校審流程

（1）改變了傳統(tǒng)線路施工圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)文件的松散管理模式，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。項(xiàng)目經(jīng)理通過(guò)管理端創(chuàng)建工程即建立了公司級(jí)施工圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)管理端在勘察測(cè)量數(shù)據(jù)錄入時(shí)可自動(dòng)判斷和維護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性。施工圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)的建立使各項(xiàng)目設(shè)計(jì)輸入和設(shè)計(jì)成果實(shí)現(xiàn)有序、科學(xué)的管理，方便了數(shù)據(jù)的維護(hù)和復(fù)用。

（2）實(shí)現(xiàn)了整體、連續(xù)的線路設(shè)計(jì)理念。將整條管線作為一個(gè)整體設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)施工圖逐公里人為分割連續(xù)地物的局限性，線路設(shè)計(jì)人員利用客戶端可自動(dòng)生成三合一圖，根據(jù)地面線走向調(diào)整比例尺或移動(dòng)地面線實(shí)現(xiàn)路由整體瀏覽和連續(xù)設(shè)計(jì)。對(duì)于不同的地形地貌，根據(jù)實(shí)際需要切分合適的長(zhǎng)度出圖，使施工圖更有利于指導(dǎo)實(shí)際施工。實(shí)現(xiàn)了靈活的圖幅設(shè)計(jì)，可自動(dòng)分幅、局部分幅和手動(dòng)調(diào)整，可進(jìn)行分幅預(yù)覽并全線或部分的切圖。

（3）搭建專業(yè)標(biāo)注設(shè)計(jì)符號(hào)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)注設(shè)計(jì)符號(hào)庫(kù)的搭建是本項(xiàng)目研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。首先在管理端建立各專業(yè)標(biāo)注設(shè)計(jì)符號(hào)庫(kù)，不僅包括各專業(yè)復(fù)用圖、各專業(yè)標(biāo)注設(shè)計(jì)，也將每個(gè)符號(hào)的統(tǒng)計(jì)算法和開料指標(biāo)以數(shù)據(jù)庫(kù)形式進(jìn)行整理。其次在客戶端實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)標(biāo)注設(shè)計(jì)，根據(jù)標(biāo)注實(shí)際情況插塊或自定義繪圖，同時(shí)提供尺寸參數(shù)等記錄和錄入，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量和材料表。標(biāo)注設(shè)計(jì)的工程量和材料表的自動(dòng)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。

（4）實(shí)現(xiàn)各專業(yè)間協(xié)同施工圖設(shè)計(jì)。線路、穿跨越、通信三大科室，線路、穿跨越、水工保護(hù)、防腐、通信五大專業(yè)的施工圖設(shè)計(jì)都在一個(gè)平臺(tái)上完成，各專業(yè)通過(guò)簽入和簽出控制文件的編輯權(quán)，項(xiàng)目經(jīng)理通過(guò)管理端控制整個(gè)工程項(xiàng)目的流程控制，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計(jì)的工作模式。

6 軟件開放性和可擴(kuò)展性

本軟件具有良好的開放性和可擴(kuò)展性，適用于不同管道項(xiàng)目的具體要求。

（1）根據(jù)項(xiàng)目的具體要求定制圖紙模板，可保存常用的格式圖幅，實(shí)現(xiàn)圖紙模板的復(fù)用，提高設(shè)計(jì)效率；建立基本標(biāo)注符號(hào)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)更新符號(hào)庫(kù)，滿足不同項(xiàng)目的具體要求。

（2）任意查詢與檢索。軟件中所有原始數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果均以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存，使用戶可以在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行任意查詢與檢索，設(shè)計(jì)成果可以輸出到其他多種文件格式（如Excel、Word）進(jìn)行進(jìn)一步處理。

（3）采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)具有良好的兼容性，使設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以更方便地與其他相關(guān)行業(yè)的數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（4）本軟件基于AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，Auto CAD具有良好的開放性，隨著線路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，可在此軟件平臺(tái)上進(jìn)行新的功能開發(fā)。

7 結(jié)論

本設(shè)計(jì)方法在哈爾濱-沈陽(yáng)輸氣管道工程長(zhǎng)春-沈陽(yáng)段中進(jìn)行了應(yīng)用。該工程起始于吉林長(zhǎng)春德惠市萬(wàn)寶鎮(zhèn)的長(zhǎng)春分輸清管站，終止于遼寧沈陽(yáng)新民市東大喇嘛鄉(xiāng)以南的沈陽(yáng)聯(lián)絡(luò)站（秦皇島-沈陽(yáng)輸氣管道工程末站），線路全長(zhǎng)364.4 km，管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，作為數(shù)字化設(shè)計(jì)的試點(diǎn)項(xiàng)目，采用基于數(shù)據(jù)庫(kù)的施工圖設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前已完成全線364.4 km，10個(gè)標(biāo)段的線路、通信、防腐施工圖數(shù)字化設(shè)計(jì)和37個(gè)管道實(shí)體數(shù)據(jù)表格（包括中線樁、管材、水工保護(hù)信息、光纜穿跨越附屬裝置等多個(gè)信息），共18 000條記錄的數(shù)據(jù)移交，均滿足全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)的要求。

經(jīng)過(guò)工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣管道線路施工圖設(shè)計(jì)軟件具有如下特點(diǎn)：

（1）本軟件的應(yīng)用可以大大提高設(shè)計(jì)工作效率，使施工圖設(shè)計(jì)更加精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）本軟件依據(jù)最新國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制，生成的設(shè)計(jì)成果更加規(guī)范、完整，可以為業(yè)主提供更優(yōu)質(zhì)、全面的服務(wù)，對(duì)提高設(shè)計(jì)單位的企業(yè)形象，提高設(shè)計(jì)單位的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有著積極的作用。

（3）油氣管道線路施工圖設(shè)計(jì)作為管道全生命周期建設(shè)中的重要一環(huán)，對(duì)管道的運(yùn)營(yíng)管理起著至關(guān)重要的作用。基于數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣管道線路施工圖設(shè)計(jì)軟件可以為管道運(yùn)營(yíng)提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，可以實(shí)現(xiàn)管道建設(shè)期的數(shù)據(jù)與運(yùn)營(yíng)期的數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接，為管道全生命周期管理奠定基礎(chǔ)。

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Secondary development of working drawing design software for long distance pipeline based on database

TIAN Shanshan，MAJinfeng，ZHOU Yawei

China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China

The database-based detailed design software for oil and gas pipeline is a design platform of working drawing which sets data entry，data management，pipeline design and data transfer as a whole.Utilizing database technique，Auto CAD 2010 reengineered by secondary development is connected to the database，in order to implement the integrity design of pipeline detailed design.This software utilizes SQL Server 2005 to establish database as wellas enter and manage fundamental data，realizes automatic generation and calculation of longitudinal profile by studying curve algorithm and longitudinal profile algorithm，builds the symbol library of specific labeling involving pipeline crossing，hydraulic protection，etc.by summarizing and distilling common codes and standards to implement design standardization.The software realizes successive and parameterized design of long-distance pipeline working drawing，adopts SQL database to storage data，and possesses good openness and compatibility.

database；route design；working drawing；CAD secondary development；oiland gas transportation pipelines

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.016

田姍姍（1984-），女，河北保定人，工程師，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）能源地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事管道線路數(shù)字化設(shè)計(jì)工作。Email：cppetianss@cnpc.com.cn

2016-05-26；

2016-11-25