天然氣長輸管道設計數據數字化移交

郝強

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026)

天然氣長輸管道設計數據數字化移交

郝強

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026)

天然氣長輸管道完整性管理數據庫包括設計、建設、運營期全過程的完整性數據鏈，實現從設計階段的數字化移交對施工、運維期的完整性管理具有重要意義。論述了天然氣長輸管道不同設計階段產生的數據內容和成果形式，并據此研究了數據數字化移交的方法及存在的問題，初步探討了實現真正意義數字化移交所依托的關鍵技術和未來還需解決的問題。

管道設計數據 數字化移交 參數化建模

天然氣長輸管道完整性管理涵蓋了從設計—施工—運營的全周期，構建包括設計、建設、運營期全過程的完整性數據鏈，才能有效支撐運維期管道完整性管理的所有應用功能。設計階段作為完整性管理鏈條的前端，實現設計階段的數字化移交對施工、運維階段的完整性管理具有重要意義。但目前的完整性管理系統大都是在管道建設完成之后才開展相關的數據采集和構建工作，對設計階段數據的移交重視不足，缺少相應的移交方案，導致無法及時有效地采集、移交設計階段的數據資料，如果到后期再補充采集這些數據，成本會提高，精確度也有待檢驗。因此，本文將著重探討設計階段數據的數字化移交內容、移交流程和移交方案及在移交過程中存在的難點問題，并結合這些難點問題初步探討解決的方案、需要的技術和實現的途徑。

1 設計數據的數字化移交

1.1 設計階段線路數據分析

設計階段數據主要包括可研、總體設計、基礎設計和詳細設計階段產生的數據。從數據類型上劃分，設計階段數據可分為數據表形式的結構化數據和圖檔形式的非結構化數據；從設計專業角度劃分，可分為線路及配套專業數據和站場相關數據；從數據格式劃分，可分為圖形數據、文檔類數據、地理數據及三維模型數據等。

按照不同設計過程，需要采集、處理和移交的數據內容有所不同，其中，可研階段的數據內容見表1所列。

總體設計和基礎設計主要的數據內容包括勘察設計資料、測量資料、線路圖紙、穿跨越系統，以及配套的自動化控制、安防、視頻監控系統數據資料，該類數據資料分別由相應的設計專業提供，線路相關設計專業有:線路、穿跨越、水工保護、隧道、防腐、總圖、道橋、機修、通信，所有專業使用的設計軟件都是AutoCAD,文件格式有.dwg, .doc, .xls。

表1 可研階段數據內容

1.2 設計階段站場數據分析

站場設計軟件采用鷹圖公司的SP3D，SP3D軟件輸出的三維設計模型為.dgn格式，模型精確度高、細節豐富，但SP3D設計模型不是實體模型，而是線狀模型，而且由于軟件加密等問題，導致三維設計模型無法直接用于進行三維模型可視化且可以交互、分析的仿真平臺，在移交過程中有時會出現模型扭曲變形的現象，同時設計模型自帶的屬性數據也無法與模型同步導出，導致模型和數據無法一一對應。

因此，站場三維數據模型的移交面臨許多困難。解決的途徑主要有2種:第1種方式是采用SP3D軟件自帶的模型瀏覽功能對三維設計模型做瀏覽模式的移交，該方式僅能作為站場建設情況的三維可視化展示，無法添加基于模型的任何應用；第2種方式需要通過大量的數據格式轉換和數據處理工作，將三維線狀模型處理為三維實體模型，同時通過建立三維模型與屬性數據的編碼映射關系，實現站場設施、設備屬性信息的查詢、分析等功能。第2種方式能從根本上解決站場三維數據的移交問題，但是在模型修改及屬性數據鏈接方面有較大的工作量。

1.3 數字化移交流程

設計階段數據的移交方案根據不同設計過程、不同設計專業在數據內容和成果形式上會有所不同。因此，在進行數字化移交時，應進行針對性的歸類，總結相應的移交方案以滿足不同數據形式和數據格式的移交條件。設計階段數據總體移交流程如圖1所示。

圖1 設計階段數據移交流程示意

線路專業數據在不同設計過程有不同的成果形式。根據成果形式可分為圖檔類數據和結構化數據。線路專業數據移交流程如圖2所示。

圖2 線路專業數據移交流程示意

其中，可研過程設計成果均為報告形式，可按照圖檔類移交方案進行移交，分為兩個階段實施。第一階段線路各設計專業進行圖檔類非結構化數據的移交，即線路各專業負責人將相應可研成果整理成Word及PDF格式進行歸檔存儲；第二階段針對各專業提交的可研設計數據進行審查、整理，并按照工程實體樹的結構分別存儲至本地數據服務器和移交數據服務器。

總體設計、基礎設計和詳細設計過程的數據成果包括結構化數據和圖檔類非結構化數據，這些設計內容的數字化移交分為兩個階段實施。

第一個階段是圖檔類非結構化數據的移交，移交方案與可研過程相同；第二階段是數據表類結構化數據的移交。移交方案如下:

1) 線路各專業負責人按照全生命周期數據管道的標準規范要求對總體設計數據項進行編碼，并按照數據采集模板和數據規定的要求填寫數據項數值，將填寫好的數據表存儲為.xls格式，然后將整理好的數據表文件發送給數據采集人員。

2) 數據采集人員負責對收集到的數據表進行審核、命名和入庫，將各專業數據表按照數據模型的邏輯結構進行屬性關聯，并負責本地服務器及遠程服務器數據庫的維護。

站場數據的移交主要解決兩個問題:實現站場的三維設計模型數據向三維實體模型數據的格式轉換；建立三維模型與屬性數據的一一對應關系。在數據格式轉換和數據處理過程中涉及了SP3D，AutoCAD，3DS Max，仿真軟件4個不同的軟件平臺，在數據轉換過程中難免會有精度損失以及誤差。其中，比較突出的是不同空間坐標系統間的轉換導致的模型錯位、移位問題。針對該類問題，筆者進行了一系列的轉換和調整，處理流程如圖3所示。

圖3 站場數據處理流程示意

1.4 數字化移交存在的問題

在數字化移交過程中，最核心的問題主要有以下兩個方面:

1) 目前CAD軟件引擎是使用可見的、基于坐標的幾何圖形來創建圖元。編輯、提取這些“低能圖形”非常困難，極易出錯，并且創建文檔的方式通常是從模型中提取坐標，然后生成孤立的二維工程圖。該操作方式在施工圖設計數據的數字化、結構化移交過程中會非常低效，因此只能采取人工提取、錄入、編碼、映射、關聯的方式實現。

2) 類似的問題也出現在站場的三維設計軟件中。由于軟件接口的封閉，三維模型數據與屬性數據庫無法同時提取，只能分開處理。并且由于設計軟件和移交軟件底層平臺的不同，三維模型數據在移交的過程中會有較多扭曲變形，需要人工校正。同時，屬性數據庫數據在提取中丟失了與模型數據的關聯關系，也需要人工建立映射和關聯，智能化水平較低。

2 一體化數字化移交的實現

2.1 BIM技術的借鑒意義

建筑信息模型(BIM)技術是一種應用于建筑行業工程設計建造管理的數據化工具，通過參數模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。

借鑒BIM技術的成功經驗，探索建立油氣管道行業從設計到施工到運營的一體化數字化移交平臺是解決目前設計數據數字化移交的一個途徑，是實現管道工程全生命周期數字化、信息化、智能化管理的有益嘗試，也是突破傳統CAD設計局限、改革設計思路向全生命周期管理理念過渡的一種探索。

2.2 參數化建模

數字化移交平臺的一體化實現首先要進行設計軟件的變革，設計軟件采用參數化建模技術是改革的第一步。參數化建模技術，顧名思義是在CAD系統環境下建立可為參數化驅動的三維實體。通過使用特性數值等參數來確定圖元的行為并定義模型組件之間的關系，意味著設計標準或意圖可以在建模過程中加以捕捉，使模型編輯工作變得更加簡單，而且還可以保留原始的設計意圖。

參數化建模技術包含:參數文件和特殊三維實體2個最基本的元素。就參數文件而言，可以簡單地認為該參數文件是一個或若干個包含CAD系統可識別參數名和參數值的電子表格，格式可以是公共格式比如Access/Excel兼容的各類數據表，以及*.csv文件格式等。當然目前具有參數化建模功能的三維CAD軟件一般都包含了參數編輯模塊或窗體供使用。

參數文件中的參數名根據數據庫和CAD軟件模型對數據格式要求，一般由ASCII碼表格中的有效字符組成。制作完成的參數表一般要求由列數代表參數的個數，由增加參數行的方式填寫必要的參數值。參數一般包含以下幾個屬性:

1) 參數名。用于標記參數，一般以字母開頭，不超過5個字節，不以數字開頭，大小寫敏感。

2) 參數描述。參數的必要簡短說明，大小寫不敏感，字節數一般不超過20個。

3) 參數的基本屬性。文本型/數字型，文本型要確定文本的最大長度，數字型要確定精度結構，如雙精度數的有效數字個數等。

4) 參數的外部屬性。幾何型/描述型/功能型等，指當前參數是用來描述模型的幾何參量還是其他。

5) 參數的內部屬性。確值型/值域型/函數型等。

對于參數值的配置，則需按照該參數的屬性要求進行填寫，從而形成該模型的若干規格型號。

表2為常見的標準文本中的不同型號螺栓規格表，其中對參數名和基本描述已做了規定。表3為制作完成的不同型號螺栓規格移交數據參數表，這樣的數據表可被市面上主流的各類數據軟件讀取和調用。

表2 常見的標準文本中不同型號螺栓規格 mm

表3 不同型號螺栓規格數據移交參數 mm

就參數模型而言，使用上述參數名進行模型的繪制和構建，以用戶對參數行的選擇，為模型賦予不同規格的參數值，從而實現參數化建模。這就要求:

1) 模型草圖和特征均以參數名創建，而非確值。

2) 參數化模型在各參數行中均可成立，不出現模型失敗。

3) 模型可自動識別參數數據庫/表格中的參數名和參數值。

4) 模型按參數表驅動進行即時變化，生成新模型。

5) 用戶可根據需要選中某個確值，即某參數行作為鎖定當前模型并脫離參數行，以確定身份另存為指定的CAD文件。

由此可見，設計階段的屬性數據和模型數據被統一地組織管理起來，可以方便地進行數字化移交的數據提取和應用。

2.3 數據庫建模技術

參數化模型的建立，特別是參數化模型數據庫的創建存在很多的技術關鍵點，比如參數化模型的規格表示法、唯一性要求等環節，需要在前期具有全局觀念，將關鍵的技術節點一一分析出來，加以解決。

數據模型是數據建庫、平臺開發的基礎，提供了多源、海量數據的數據邏輯組織模式。目前各軟件公司在進行長輸管道數據建模時，主要采用ISAT，PODS，APDM模型以及各天然氣分公司發布的數據模型標準，這些模型以線性參考為基礎，包含了長輸管道數據建模的核心要素，提供了數據建模的數據模板。通過數據建模可以清晰地表達管道工程各實體間的層次關系、屬性信息及關聯關系，可為建立各實體節點的參數化模型提供參考。

2.4 基于“3S”技術的平臺開發技術

長輸管道的完整性管理活動離不開與實際地理位置相關的查詢、定位、檢測工作，“3S”技術是指GIS，RS和GPS技術，GIS是空間數據存儲、組織、建模、可視化的平臺工具;RS實現各種精度、分辨率管道沿線周邊地理影像數據、航空攝影數據的處理、疊加和應用；GPS是基于空間數據的定位系統。綜合應用“3S”技術能夠構建1個基于真實地理空間環境的、可交互、可定位、可視化的長輸管道完整性管理、綜合分析應用平臺。

2.5 系統架構技術

目前常用的系統架構模型有C/S,B/S以及C/S和B/S結合3種，3種模型各有優缺點及側重點。其中C/S模式是基于局域網范圍內的客戶端和服務器共同工作的服務模式，大部分運算是通過客戶端來運行，從而提高了一定的數據交換效率，但軟件的安裝和升級維護要在服務器和各客戶端上分別進行；B/S模式是基于互聯網進行任務部署，通過瀏覽器進行訪問，無需進行軟件的安裝、維護工作。現在某些數據交換量大的系統，在用戶數量較多的情況下會將C/S和B/S 2種模式混合應用。

3 結束語

設計階段數據的數字化移交是實現長輸管道完整性管理、全生命周期管理的關鍵性一步，沒有設計前期的數據資源就無法形成整個完整的生命鏈條。同時，設計階段數據的移交和傳遞也為采購施工及運營維護提供了數據依據。

本文介紹了基于傳統CAD設計方法的設計數據數字化移交方法及該方法存在的問題，并針對這些問題，通過借鑒BIM技術在建筑行業的成功經驗，初步探討了建設設計到運營一體化數字化移交平臺的關鍵技術，這些技術是解決數字化移交主要問題的關鍵，比如各設計過程數據如何無縫并且自動地向下傳遞、如何與施工采辦結合、如何用信息化平臺工具的形式實現數字化移交等。該類問題是改革設計思路、突破現有局限的初步嘗試，后續還有很多工作要開展，還有很多關鍵問題要解決才能實現真正意義上的數字化移交，是今后要繼續研究的問題。

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DigitalTransferofDesignDataofNaturalGasLong-distanceTransportationPipeline

Hao Qiang

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation, Dongying, 257026, China)

s：Natural gas long-distance transportation pipeline integrity management database includes design, construction and integrity data link of whole process.It is of great significance for realizing digital transfer from design phase to integrity management for construction, operation and maintenance.The data content and achievements form in different design stages of natural gas long-distance transportation pipeline are discussed.Based on it, digital data transfer method and existing problems are studied.Key technology to realize real digital transfer and problem need to be solved in the future are discussed briefly.

pipeline design data; digital transfer; parametric modeling

稿件收到日期：2017-09-06，修改稿收到日期2017-10-24。

郝強(1976—)，男，河北豐南人，1997年畢業于天津大學精密儀器專業，獲工學學士學位，現就職于中石化石油工程設計有限公司，從事通信工程與工程信息化設計工作，任高級工程師。

TE832.3, TP311.56

B

1007-7324(2017)06-0041-05