田姍姍，馬金鳳，周亞薇

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

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

田姍姍，馬金鳳，周亞薇

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

基于數(shù)據(jù)庫的油氣輸送管道線路施工圖設(shè)計軟件是集數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)管理、線路設(shè)計和數(shù)據(jù)移交為一體的施工圖設(shè)計平臺，運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將AutoCAD 2010二次開發(fā)與數(shù)據(jù)庫進行連接，實現(xiàn)線路施工圖的整體設(shè)計。該軟件利用SQLServer 2005搭建數(shù)據(jù)庫，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行錄入和管理；通過研究曲線算法和縱斷面生成算法，實現(xiàn)管道縱斷面的自動生成和計算；總結(jié)提煉常用的標準規(guī)范，搭建穿跨越、水工保護等專業(yè)標注設(shè)計符號庫，實現(xiàn)設(shè)計的標準化。軟件實現(xiàn)了長距離油氣管道線路施工圖的連續(xù)設(shè)計和參數(shù)化設(shè)計，采用SQL數(shù)據(jù)庫存儲，具有良好的開放性和兼容性。

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

目前，管道運輸已成為繼公路、鐵路、水運和航空之后第五大交通運輸方式，我國油氣骨干管道里程已突破7萬km。管道建設(shè)高峰期的到來對設(shè)計手段和設(shè)計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)計的效率和質(zhì)量直接關(guān)系著管道建設(shè)的進度和施工質(zhì)量[6-8]。

現(xiàn)階段國內(nèi)外的管道線路施工圖設(shè)計開發(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，設(shè)計質(zhì)量與設(shè)計人員的設(shè)計水平以及繪圖習慣關(guān)系很大，而且不同專業(yè)的資料分散存儲，各項資料在上下游專業(yè)之間進行傳遞和流轉(zhuǎn)的過程中，容易發(fā)生資料缺失和版本錯誤等問題，很難實現(xiàn)標準化設(shè)計[9-15]。

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

1 總體設(shè)計

該平臺運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過對AutoCAD進行二次開發(fā)，實現(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)計和數(shù)據(jù)移交的功能。本研究搭建了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和工程數(shù)據(jù)庫，用來管理項目的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)以及線路、水工保護和穿跨越等專業(yè)的符號庫和計算規(guī)則；結(jié)合油氣管道線路施工圖設(shè)計中的關(guān)鍵算法，對AutoCAD進行二次開發(fā)，研發(fā)出適用于施工圖設(shè)計的專業(yè)化模塊，通過劃分不同的用戶角色并確定其默認權(quán)限，實現(xiàn)設(shè)計工作在不同環(huán)節(jié)的自動流轉(zhuǎn)。

2 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

基于數(shù)據(jù)庫的油氣管道線路施工圖設(shè)計通過搭建線路基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫來管理數(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“用戶庫”、“工程庫”、“矢量庫”、“影像庫”、“圖紙庫”等數(shù)據(jù)庫，NTFS格式的磁盤陣列作為文件存儲介質(zhì)。作為底層的協(xié)同設(shè)計服務(wù)，提供了數(shù)據(jù)庫訪問服務(wù)、安全認證服務(wù)、文件訪問服務(wù)等，在此基礎(chǔ)上，進一步提供了工程管理服務(wù)、數(shù)據(jù)入庫服務(wù)、數(shù)據(jù)出庫服務(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)計是油氣管道線路施工圖設(shè)計的重要組成部分，算法研究是縱斷面自動設(shè)計的基礎(chǔ)。曲線算法和縱斷面生成算法是自動生成縱斷面的核心算法，標注符號算法根據(jù)相關(guān)標準規(guī)范的要求，將管道線路中的穿跨越設(shè)計與標注符號庫相聯(lián)系，形成參數(shù)化的標注設(shè)計。

3.1 曲線算法模型

長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的坐標。線路在平面敷設(shè)時的前進方向是隨著拐點真實坐標的變化而變化；在縱向敷設(shè)時，前進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)一的參考坐標系——笛卡爾坐標系。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A、B、C的坐標；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)角計算：

由于arctan本身就帶著正負，兩個角度正負號相同表示同向，正負號相反表示反向。

（2）曲線元素計算：

切線長：T=R tan（α/2）

曲線長：L=（π/180）Rα

外矢距：E=R（sec（α/2）-1）

（3）切點坐標：

（4）圓曲線圓心坐標：

（5）疊加角計算：

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）為每個地面線點的坐標，xi表示地面線上任一點i的里程值，yi表示該點的高程值，d為管道的設(shè)計埋深。

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，無法在任意點滿足埋深，因此考慮前后兩個方向的偏移量對管線點進行修正。修正方法如下：

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

（2）將地面線的第一個點和最后一點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、垂線與偏移線的交點做為生成的管線點。

（4）將生成管線點進行篩選和加密，減少過密的管線點，增加過稀的管線點。

（5）自動生成縱斷面管線的計算過程如下：

第一步，從A點向下做垂線，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A′（x1′，y1′）作為第一個管線點。

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

第三步，求得最后一段偏移線與最后一條垂線的交點作為最后一個管線點。

第四步，對于相鄰兩個坡度小于5°且間距小于5 m的管線點，自動取消后一個管線點；對于間距大于60 m的兩個管線點，在距前一點50 m處增加一個管線點。

3.3 標注符號算法

在傳統(tǒng)設(shè)計中，對于穿跨越的標注采用手動識別的方式，本算法通過統(tǒng)計不同的穿跨越類型涉及到的參數(shù)，進行參數(shù)化建模[25-26]，見表1。將各種穿跨越類型以符號的形式標注到管道設(shè)計的縱斷面和平面中，以達到標準化設(shè)計的目的。

4 工作流程

基于數(shù)據(jù)庫的油氣管道線路施工圖研究涉及測量、勘察、防腐、通信等五個專業(yè)，專業(yè)之間的設(shè)計成果交接頻繁復雜，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)計模型

圖5 工作流程圖

5 軟件特點

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)路線進行設(shè)計開發(fā)，通過客戶端針對不同的設(shè)計人員開放不同的權(quán)限，所有客戶端訪問通過工作流引擎統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)圖形設(shè)計工作的全面網(wǎng)絡(luò)化和標準化。管理端與底層數(shù)據(jù)庫對接，實現(xiàn)工程項目管理，客戶端的設(shè)計成果自動上傳至服務(wù)器。該軟件的主要特點體現(xiàn)在：

圖6 校審流程

（1）改變了傳統(tǒng)線路施工圖設(shè)計基礎(chǔ)文件的松散管理模式，實現(xiàn)了真正意義上的數(shù)據(jù)庫管理。項目經(jīng)理通過管理端創(chuàng)建工程即建立了公司級施工圖設(shè)計項目數(shù)據(jù)庫；同時管理端在勘察測量數(shù)據(jù)錄入時可自動判斷和維護基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性。施工圖設(shè)計項目數(shù)據(jù)庫的建立使各項目設(shè)計輸入和設(shè)計成果實現(xiàn)有序、科學的管理，方便了數(shù)據(jù)的維護和復用。

（2）實現(xiàn)了整體、連續(xù)的線路設(shè)計理念。將整條管線作為一個整體設(shè)計，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)計人員利用客戶端可自動生成三合一圖，根據(jù)地面線走向調(diào)整比例尺或移動地面線實現(xiàn)路由整體瀏覽和連續(xù)設(shè)計。對于不同的地形地貌，根據(jù)實際需要切分合適的長度出圖，使施工圖更有利于指導實際施工。實現(xiàn)了靈活的圖幅設(shè)計，可自動分幅、局部分幅和手動調(diào)整，可進行分幅預覽并全線或部分的切圖。

（3）搭建專業(yè)標注設(shè)計符號庫，實現(xiàn)了設(shè)計的標準化。標注設(shè)計符號庫的搭建是本項目研究的重點和難點。首先在管理端建立各專業(yè)標注設(shè)計符號庫，不僅包括各專業(yè)復用圖、各專業(yè)標注設(shè)計，也將每個符號的統(tǒng)計算法和開料指標以數(shù)據(jù)庫形式進行整理。其次在客戶端實現(xiàn)了半自動標注設(shè)計，根據(jù)標注實際情況插塊或自定義繪圖，同時提供尺寸參數(shù)等記錄和錄入，并自動統(tǒng)計工程量和材料表。標注設(shè)計的工程量和材料表的自動計算和統(tǒng)計，真正意義上實現(xiàn)了設(shè)計的標準化。

（4）實現(xiàn)各專業(yè)間協(xié)同施工圖設(shè)計。線路、穿跨越、通信三大科室，線路、穿跨越、水工保護、防腐、通信五大專業(yè)的施工圖設(shè)計都在一個平臺上完成，各專業(yè)通過簽入和簽出控制文件的編輯權(quán)，項目經(jīng)理通過管理端控制整個工程項目的流程控制，實現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計的工作模式。

6 軟件開放性和可擴展性

本軟件具有良好的開放性和可擴展性，適用于不同管道項目的具體要求。

（1）根據(jù)項目的具體要求定制圖紙模板，可保存常用的格式圖幅，實現(xiàn)圖紙模板的復用，提高設(shè)計效率；建立基本標注符號庫，實現(xiàn)模塊化設(shè)計，通過更新符號庫，滿足不同項目的具體要求。

（2）任意查詢與檢索。軟件中所有原始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果均以數(shù)據(jù)庫的形式保存，使用戶可以在局域網(wǎng)內(nèi)進行任意查詢與檢索，設(shè)計成果可以輸出到其他多種文件格式（如Excel、Word）進行進一步處理。

（3）采用SQL數(shù)據(jù)庫存儲，與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫具有良好的兼容性，使設(shè)計數(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)進行數(shù)據(jù)交換。

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

7 結(jié)論

本設(shè)計方法在哈爾濱-沈陽輸氣管道工程長春-沈陽段中進行了應用。該工程起始于吉林長春德惠市萬寶鎮(zhèn)的長春分輸清管站，終止于遼寧沈陽新民市東大喇嘛鄉(xiāng)以南的沈陽聯(lián)絡(luò)站（秦皇島-沈陽輸氣管道工程末站），線路全長364.4 km，管徑1 016 mm，設(shè)計壓力10 MPa，作為數(shù)字化設(shè)計的試點項目，采用基于數(shù)據(jù)庫的施工圖設(shè)計軟件進行設(shè)計。目前已完成全線364.4 km，10個標段的線路、通信、防腐施工圖數(shù)字化設(shè)計和37個管道實體數(shù)據(jù)表格（包括中線樁、管材、水工保護信息、光纜穿跨越附屬裝置等多個信息），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)庫的要求。

經(jīng)過工程應用發(fā)現(xiàn)，基于數(shù)據(jù)庫的油氣管道線路施工圖設(shè)計軟件具有如下特點：

（1）本軟件的應用可以大大提高設(shè)計工作效率，使施工圖設(shè)計更加精細化和標準化，實現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

（2）本軟件依據(jù)最新國家和行業(yè)標準進行編制，生成的設(shè)計成果更加規(guī)范、完整，可以為業(yè)主提供更優(yōu)質(zhì)、全面的服務(wù)，對提高設(shè)計單位的企業(yè)形象，提高設(shè)計單位的市場競爭力有著積極的作用。

（3）油氣管道線路施工圖設(shè)計作為管道全生命周期建設(shè)中的重要一環(huán)，對管道的運營管理起著至關(guān)重要的作用?；跀?shù)據(jù)庫的油氣管道線路施工圖設(shè)計軟件可以為管道運營提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)庫對接，可以實現(xiàn)管道建設(shè)期的數(shù)據(jù)與運營期的數(shù)據(jù)的無縫對接，為管道全生命周期管理奠定基礎(chǔ)。

[1]楊祖佩，艾慕陽，馮慶善，等.管道完整性管理研究的最新進展[J].油氣儲運，2008，27（7）：1-5.

[2]潘家華.未來十年我國管道工業(yè)的發(fā)展態(tài)勢[J].油氣儲運，2005，24（11）：1-6.

[3]陳健峰，陳次昌，稅碧垣，等.管道完整性管理技術(shù)集成與應用[J].油氣儲運，2010，30（2）：81-85.

[4]王曉霖，帥健，左尚志.長輸管道完整性數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)庫的建立[J].油氣田地面工程，2008，27（11）：45-47.

[5]姚安林，徐濤龍，李又綠，等.國內(nèi)油氣管道完整性管理應予重視的問題[J].油氣儲運，2010，29（10）：721-725.

[6]王磊，楊茂，杜毅.數(shù)字化管道線路設(shè)計軟件（DPD V1.0）[J].天然氣與石油，2005，23（3）：5-8.

[7]王勇，趙文杰，高尚穩(wěn).數(shù)字化管道技術(shù)的應用[J].油氣田地面工程，2006，25（12）：43.

[8]陳坤明，汪玉春，吳華麗，等.長輸管道線路優(yōu)選評價研究[J].油氣田地面工程，2008，27（9）：1-3.

[9]眭峰，霍曉蕾，夏智心.西南成品油管道工程線路施工圖選定線設(shè)計[J].油氣田地面工程，2008，27（6）：41-42.

[10]閆彥，劉建武.西南成品油管道工程線路設(shè)計要點[J].石油工程建設(shè)，2008，34（2）：27-30.

[11]SY/T 0003-2012，石油天然氣工程制圖標準[S].

[12]楊祖佩，王維斌.我國油氣管道完整性管理體系發(fā)展與建議[J].油氣儲運，2006，25（9）：1-5.

[13]徐慶磊，周巍，尤海英，等.油氣管道完整性管理體系分析[J].焊管，2007，30（6）：81-84.

[14]劉毓.數(shù)字化管道數(shù)據(jù)模型研究[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2013，5（1）：112-114.

[15]程仲元，李翠云，郭朝元.中國管道數(shù)據(jù)模型[J].數(shù)字化應用，2006（10）：46-48.

[16]王文波，鄒清源，張斯衍，等.Auto CAD 2010二次開發(fā)實例教程：Object ARX[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[17]SY/T 6967-2013，油氣管道工程數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].

[18]API 1160，Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines[S].

[19]《石油和化工工程設(shè)計工作手冊》編委會.輸油管道工程設(shè)計[M].青島：中國石油大學出版社，2010：305-307.

[20]《石油和化工工程設(shè)計工作手冊》編委會.輸氣管道工程設(shè)計[M].青島：中國石油大學出版社，2010：214-216.

[21]GB 50253-2014，輸油管道工程設(shè)計規(guī)范[S].

[22]GB 50251-2003，輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范[S].

[23]何利民，高祁.油氣儲運工程施工[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007：20-45.

[24]GB 50369-2014，油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范[S].

[25]GB 50423-2013，油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范[S].

[26]SY/T 4126-2013，油氣輸送管道線路工程水工保護施工規(guī)范[S].

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)于中國地質(zhì)大學（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)計工作。Email：cppetianss@cnpc.com.cn

2016-05-26；

2016-11-25