油氣管道縱斷面圖繪制軟件的開發(fā)

桑悅，崔文利，高余祥，陳學(xué)虎，羅金銳，張蕊，呂曉麗

1.唐山冀東油田設(shè)計工程有限公司，河北唐山063004

2.中交一航局城市交通工程有限公司，天津300479

油氣管道縱斷面圖繪制軟件的開發(fā)

桑悅1，崔文利1，高余祥2，陳學(xué)虎1，羅金銳1，張蕊1，呂曉麗1

1.唐山冀東油田設(shè)計工程有限公司，河北唐山063004

2.中交一航局城市交通工程有限公司，天津300479

文章介紹了根據(jù)勘察設(shè)計一體化、生產(chǎn)和規(guī)范要求，開發(fā)一款油氣管道縱斷面圖繪制軟件的過程，著重從縱斷面圖版式、中線數(shù)據(jù)提取、平面示意圖拉直、繪制縱斷面圖、縱斷面圖線性內(nèi)插等方面，介紹了該款軟件開發(fā)的具體思路。

油氣管道；縱斷面圖；繪制軟件；開發(fā)

0 引言

油氣輸送管道的縱斷面圖以橫坐標(biāo)代表油氣管道里程，以縱坐標(biāo)代表油氣管道高程，直觀反映了管道沿線的地形地貌，是油氣管道設(shè)計必備的基礎(chǔ)資料。油氣管道縱斷面圖繪制軟件開發(fā)的總體思路是：實現(xiàn)勘察設(shè)計一體化，根據(jù)油氣輸送管道勘察設(shè)計生產(chǎn)的需求，按照相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行開發(fā)。該軟件的具體開發(fā)思路根據(jù)繪制縱斷面圖的詳細(xì)步驟確定，并按照以下順序進(jìn)行開發(fā)：

（1）根據(jù)生產(chǎn)需求和相關(guān)規(guī)范的具體要求制訂縱斷面圖版式。

（2）從帶狀地形圖提取縱斷面圖制圖所需的中線數(shù)據(jù)。

（3）把帶狀地形圖拉直成符合規(guī)范要求的平面示意圖。

（4）根據(jù)中線數(shù)據(jù)和平面示意圖繪制縱斷面圖。

（5）縱斷面圖線性內(nèi)插。

1 縱斷面圖版式

分析相關(guān)測繪規(guī)范對油氣管道縱斷面圖格式方面的具體規(guī)定，發(fā)現(xiàn)縱斷面圖格式中只有測繪專業(yè)制圖欄，沒有管道相關(guān)專業(yè)設(shè)計欄，考慮本單位生產(chǎn)實際情況，決定采取勘察設(shè)計一體化的思路定義縱斷面圖版式。新圖紙格式既要有測量內(nèi)容，又要留有管道設(shè)計的余地，具體圖紙版式見圖1。

縱斷面圖格式說明：

外圖框：594 mm×420 mm（標(biāo)準(zhǔn)A2圖幅）；

內(nèi)圖框：559 mm×400 mm；

表頭欄：50 mm×400 mm；

斷面線欄：500 mm×255 mm；

斷面線距橫標(biāo)尺最小間距：＞50 mm；

縱標(biāo)尺長：230 mm；

橫標(biāo)尺長：500 mm；

標(biāo)尺刻度長：1～3 mm；

水平里程欄：寬20 mm；

地面高程欄：寬15 mm；

設(shè)計標(biāo)高欄：寬15 mm；

坡度間距欄：寬10 mm；

管溝挖深欄：寬10 mm；

地質(zhì)描述欄：寬15 mm；

土方量欄：寬10 mm；

管材防腐欄：寬10 mm；

平面示意圖欄：寬50 mm。

圖1 油氣管道縱斷面圖版式示意

2 中線數(shù)據(jù)提取

使用手工方法提取坐標(biāo)、高程、里程、折角等縱斷面圖制圖必需的中線數(shù)據(jù)，效率低、勞動強(qiáng)度大、且易出錯，因此有必要開發(fā)一個數(shù)據(jù)提取模塊，能夠自動從油氣管道帶狀地形圖上提取繪制縱斷面圖所需的中線折點數(shù)據(jù)和地形點數(shù)據(jù)。

2.1 中線數(shù)據(jù)格式

折點數(shù)據(jù)格式：點號、北坐標(biāo)、東坐標(biāo)、高程、折角、里程、半徑。

地形點數(shù)據(jù)格式：順序號、里程、高程。

2.2 數(shù)據(jù)提取算法

數(shù)據(jù)提取過程中存在以下問題：帶狀地形圖的中線地形點不可能正好測到中線上，因此推算中線地形點里程和高程有困難。有兩種解決方法：第一種，根據(jù)帶狀地形圖的數(shù)據(jù)建立DEM（數(shù)字高程模型），然后從DEM上量取中線高程，這種方法比較嚴(yán)密但是現(xiàn)場測量工作量比較大；第二種，采用平移法，即把不在中線上的地形點平移到中線上的方法，這種方法現(xiàn)場測量工作量較小，適合地形變化比較小的地區(qū)。經(jīng)過分析，認(rèn)為采用平移法進(jìn)行算法設(shè)計較為合適。

2.2.1 直線段算法

如圖2所示，程序能夠提取中線上2個折點坐標(biāo)PT1（χ1，y1）、PT2（χ2，y2），并自動提取地形點PT0（χ0，y0，h0）坐標(biāo)和高程，地形點PT0不在中線上，求地形點在中線上的垂足PT（χ，y）坐標(biāo)，根據(jù)PT點的坐標(biāo)推算地形點PT0里程。設(shè)PT1_K為PT1點里程，PT點的坐標(biāo)和里程推算公式如下：

圖2 直線段數(shù)據(jù)提取算法示意

PT_K是PT點的里程，也是PT0點里程，式（1）就是直線段地形點里程推算公式。

2.2.2 曲線段算法

本文2.2.1節(jié)所述的內(nèi)容適用于直線段，但是油氣管道有時需進(jìn)行曲線測設(shè)，該曲線一般為圓曲線，曲線段里程推算算法如下，如圖3所示，程序自動提取中線上折點PT1、PT3的坐標(biāo)，地形點PT0（χ0，y0，h0）的坐標(biāo)和高程，圓弧參數(shù)：ZY（χ1，y1）、YZ（χ2，y2）、O（χ3，y3）等三個點的坐標(biāo)、半徑R，以圓心O與PT0的連線與圓弧的交點PT代表PT0的里程，設(shè)ZY_K為ZY點里程，PT點的里程推算公式如下：

圖3 曲線段數(shù)據(jù)提取算法示意

θ=ANGLE（ZY O PT0）為ZY、O、PT0三點的夾角，單位為弧度。

PT_K=ZY_K+Rθ（2）

PT_K即為PT0點里程，式（2）就是曲線段地形點里程推算公式。

3 平面示意圖拉直

一般情況下油氣管道中線不是直線而是折線，因此沿中線測量獲取的管道線路帶狀地形圖也不是筆直的，而是彎曲的，根據(jù)規(guī)范要求縱斷面圖的平面示意圖一欄要貼入拉直的線路平面示意圖，所以需要對帶狀地形圖進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)變換，才能制成符合規(guī)范要求的平面示意圖。平面示意圖拉直的基本思路可以分為拷貝、旋轉(zhuǎn)、拼接、平面圖整飾、圖形文件存盤等幾個基本步驟。

（1）拷貝。對帶狀地形圖分段進(jìn)行拷貝，即對每2個相鄰折點樁之間的帶狀地形圖進(jìn)行拷貝操作。

（2）旋轉(zhuǎn)。對拷貝出來放到指定位置的一段帶狀地形圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，使得本段帶狀地形圖的中線置于水平位置。

（3）拼接。對已經(jīng)旋轉(zhuǎn)過的分段地形圖在指定位置進(jìn)行拼接工作，使分段地形圖首尾相連，使拼接帶狀地形圖的長度與縱斷面圖的里程對應(yīng)。

（4）平面圖整飾。對已經(jīng)拼接的地形圖，刪除其高程點、等高線等與高程有關(guān)的內(nèi)容，把對角度傾斜的獨立地物符號旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，對傾斜文字進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，使文字字頭朝上。

（5）平面示意圖文件存盤。

4 繪制縱斷面圖

繪制縱斷面圖須符合規(guī)范要求且滿足管道設(shè)計需求。該圖以橫坐標(biāo)代表線路里程，以縱坐標(biāo)代表線路高程。縱斷面圖制圖功能不僅要實現(xiàn)制圖版式符合前文所規(guī)定的要求，而且還應(yīng)符合下列要求：

（1）軟件須能夠自動完成數(shù)據(jù)坐標(biāo)系、圖紙坐標(biāo)系、CAD坐標(biāo)系三者之間的轉(zhuǎn)換工作。

（2）能夠表示各種地形的起伏，也就是說不受地形起伏的限制，無論高差多大，都能在規(guī)定的圖紙范圍內(nèi)正確繪制，因此須使用動態(tài)縱標(biāo)尺設(shè)計。

4.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法設(shè)計

在編寫本軟件時，須完成數(shù)據(jù)坐標(biāo)系、圖紙坐標(biāo)系、CAD坐標(biāo)系三者之間的轉(zhuǎn)換算法設(shè)計工作。本軟件讀取縱斷面數(shù)據(jù)文件里的高程點參數(shù)，即里程、高程等數(shù)據(jù)，向CAD電子文檔中相應(yīng)位置寫入斷面線、標(biāo)尺、注記等內(nèi)容，最后出版紙質(zhì)施工圖。經(jīng)過分析，認(rèn)為以CAD坐標(biāo)系X坐標(biāo)代表里程，Y坐標(biāo)代表高程比較合適。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法示意見圖4，圖中D代表數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，M代表紙質(zhì)縱斷面圖坐標(biāo)系，C代表CAD電子文檔坐標(biāo)系，CAD坐標(biāo)系單位為m，HBL代表圖紙橫比例尺，ZBL代表圖紙縱比例尺。

圖4 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法示意

式（3）就是里程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD的X坐標(biāo)的公式，式（4）就是高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD的Y坐標(biāo)的公式。

4.2 動態(tài)縱標(biāo)尺算法設(shè)計

根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，油氣管道縱斷面圖一般采用2號圖進(jìn)行繪制，每幅圖實際的縱標(biāo)尺有效使用長度為170 mm，能表示的地形起伏不得超過170 mm×ZBL，以ZBL為1:100為例，一幅縱斷面圖能表示的高差不得超過170 mm×100=17 000 mm=17 m，對于地形起伏較大的地區(qū)（高差超過17 m）則無法表示。因此有必要進(jìn)行“動態(tài)縱標(biāo)尺”算法設(shè)計。

4.2.1 水平動態(tài)縱標(biāo)尺

當(dāng)線路高差大于170 mm×ZBL時，應(yīng)采用水平平移標(biāo)尺的方法進(jìn)行縱斷面圖的繪制，例如以下算例，ZBL為1:200；數(shù)據(jù)格式如下：

當(dāng)線路里程繪制到0.184 4 km時，與起點高差已經(jīng)到達(dá)56.4 m，已經(jīng)超出縱標(biāo)尺表示范圍，這時需要在0.089 1 km內(nèi)插計算一個高程17.27 m，這正好與起點高程相差34 m，正好用滿縱標(biāo)尺。同時水平平移縱標(biāo)尺到0.089 1 km處，即在該處重新繪制一根新的縱標(biāo)尺。

4.2.2 垂直動態(tài)縱標(biāo)尺

一般地區(qū)的高程不為0，因此圖紙上所繪制的縱標(biāo)尺起點也一般不為0?？v標(biāo)尺起點的高程因此需要使用某種方法來計算。

根據(jù)以往經(jīng)驗，斷面線最低點距離橫標(biāo)尺的縱向長度應(yīng)大于50 mm，如果斷面線高差小于標(biāo)尺有效刻度，斷面線應(yīng)居中顯示，這樣做既能滿足一般情況管道設(shè)計的需求，又讓圖紙看上去比較美觀。

已知圖紙縱標(biāo)尺總長230 mm，有效使用長度為170 mm，假設(shè)MOVE為斷面線最低距離，DH為標(biāo)尺段最大高差，LENGTH為標(biāo)尺使用范圍，DELTH為軟件的計算高程改正值，H為斷面線高程，Y為斷面線的縱坐標(biāo)，不難推導(dǎo)出由高程至CAD縱坐標(biāo)的計算公式。

式（5）就是本軟件實際使用的高程數(shù)據(jù)與CAD的Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式。

5 縱斷面圖內(nèi)插

油氣輸送管道測量規(guī)范對地形點間距有“不得超過圖上50 mm”的要求，考慮我單位所在地區(qū)地形地勢平坦，如果圖紙上地形點間距超過50 mm，則可以用內(nèi)插法計算高程，這樣通過內(nèi)業(yè)計算就能夠滿足規(guī)范要求，從而可以減少現(xiàn)場補測工作量。縱斷面圖內(nèi)插模塊使用線性內(nèi)插法自動進(jìn)行內(nèi)插計算，使得圖紙上地形點的間距滿足相關(guān)規(guī)范要求。

如圖5所示，已知pt1和pt2點的高程和里程，求pt0點高程和里程。pt0的橫坐標(biāo)可以直接從圖上用程序讀取，即pt_X已知，根據(jù)式（3）不難得出pt0的里程計算公式，pt0的高程計算公式可用三角形相似性求得。以_h代表高程、_k代表里程、_X代表CAD橫坐標(biāo)。

圖5 高程點內(nèi)插算法示意

式（6）為高程點線性內(nèi)插的計算公式。

6 結(jié)束語

目前，油氣管道縱斷面圖繪制軟件已應(yīng)用于多條油氣管道的勘察設(shè)計生產(chǎn)中，使用本軟件已繪制了數(shù)百千米的油氣管道縱斷面圖，滿足了工程勘察、設(shè)計、施工的需要。

[1]GB/T50539-2009，油氣輸送管道工程測量規(guī)范[S].

[2]SY/T0009-2013，石油地面工程設(shè)計文件編制規(guī)程[S].

[3]楊筱蘅.輸油管道設(shè)計與管理[M].東營:中國石油大學(xué)出版，2006.

[4]滑福昊，劉大明，高豹華.管道工程施工平面布置圖的簡易繪圖法[J].石油工程建設(shè)，2013，40（4）：37-40.

Development ofProfile Drawing Software for Oiland Gas Pipelines

Sang Yue1，CuiWenli1，Gao Yuxiang2，Chen Xuehu1，Luo Jinrui1，Zhang Rui1，Lyu Xiaoli1
1.Tangshan Jidong Oilfield Design Engineering Co.，Ltd.，Tangshan 063004，China
2.Urban Communications Engineering Co.，Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300479，China

The development course of the profile drawing software for oiland gas pipelines is described in detailaccording to the needs of survey-design integration，production and relevant codes.Emphasis is put on profile format，midline data extraction，straightening plane diagrammatic sketch，drawing profile，linear interpolation of profile drawing，and so on.

oiland gas pipelines；profile drawing；drawing software；development idea

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.011

桑悅（1974-），男，安徽宿松人，高級工程師，1998年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程測量專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田工程測量工作。

2014-02-25