油气管道纵断面图绘制软件的开发

桑悦，崔文利，高余祥，陈学虎，罗金锐，张蕊，吕晓丽

1.唐山冀东油田设计工程有限公司，河北唐山063004

2.中交一航局城市交通工程有限公司，天津300479

油气管道纵断面图绘制软件的开发

桑悦1，崔文利1，高余祥2，陈学虎1，罗金锐1，张蕊1，吕晓丽1

1.唐山冀东油田设计工程有限公司，河北唐山063004

2.中交一航局城市交通工程有限公司，天津300479

文章介绍了根据勘察设计一体化、生产和规范要求，开发一款油气管道纵断面图绘制软件的过程，着重从纵断面图版式、中线数据提取、平面示意图拉直、绘制纵断面图、纵断面图线性内插等方面，介绍了该款软件开发的具体思路。

油气管道；纵断面图；绘制软件；开发

0 引言

油气输送管道的纵断面图以横坐标代表油气管道里程，以纵坐标代表油气管道高程，直观反映了管道沿线的地形地貌，是油气管道设计必备的基础资料。油气管道纵断面图绘制软件开发的总体思路是：实现勘察设计一体化，根据油气输送管道勘察设计生产的需求，按照相关规范的要求进行开发。该软件的具体开发思路根据绘制纵断面图的详细步骤确定，并按照以下顺序进行开发：

（1）根据生产需求和相关规范的具体要求制订纵断面图版式。

（2）从带状地形图提取纵断面图制图所需的中线数据。

（3）把带状地形图拉直成符合规范要求的平面示意图。

（4）根据中线数据和平面示意图绘制纵断面图。

（5）纵断面图线性内插。

1 纵断面图版式

分析相关测绘规范对油气管道纵断面图格式方面的具体规定，发现纵断面图格式中只有测绘专业制图栏，没有管道相关专业设计栏，考虑本单位生产实际情况，决定采取勘察设计一体化的思路定义纵断面图版式。新图纸格式既要有测量内容，又要留有管道设计的余地，具体图纸版式见图1。

纵断面图格式说明：

外图框：594 mm×420 mm（标准A2图幅）；

内图框：559 mm×400 mm；

表头栏：50 mm×400 mm；

断面线栏：500 mm×255 mm；

断面线距横标尺最小间距：＞50 mm；

纵标尺长：230 mm；

横标尺长：500 mm；

标尺刻度长：1～3 mm；

水平里程栏：宽20 mm；

地面高程栏：宽15 mm；

设计标高栏：宽15 mm；

坡度间距栏：宽10 mm；

管沟挖深栏：宽10 mm；

地质描述栏：宽15 mm；

土方量栏：宽10 mm；

管材防腐栏：宽10 mm；

平面示意图栏：宽50 mm。

图1 油气管道纵断面图版式示意

2 中线数据提取

使用手工方法提取坐标、高程、里程、折角等纵断面图制图必需的中线数据，效率低、劳动强度大、且易出错，因此有必要开发一个数据提取模块，能够自动从油气管道带状地形图上提取绘制纵断面图所需的中线折点数据和地形点数据。

2.1 中线数据格式

折点数据格式：点号、北坐标、东坐标、高程、折角、里程、半径。

地形点数据格式：顺序号、里程、高程。

2.2 数据提取算法

数据提取过程中存在以下问题：带状地形图的中线地形点不可能正好测到中线上，因此推算中线地形点里程和高程有困难。有两种解决方法：第一种，根据带状地形图的数据建立DEM（数字高程模型），然后从DEM上量取中线高程，这种方法比较严密但是现场测量工作量比较大；第二种，采用平移法，即把不在中线上的地形点平移到中线上的方法，这种方法现场测量工作量较小，适合地形变化比较小的地区。经过分析，认为采用平移法进行算法设计较为合适。

2.2.1 直线段算法

如图2所示，程序能够提取中线上2个折点坐标PT1（χ1，y1）、PT2（χ2，y2），并自动提取地形点PT0（χ0，y0，h0）坐标和高程，地形点PT0不在中线上，求地形点在中线上的垂足PT（χ，y）坐标，根据PT点的坐标推算地形点PT0里程。设PT1_K为PT1点里程，PT点的坐标和里程推算公式如下：

图2 直线段数据提取算法示意

PT_K是PT点的里程，也是PT0点里程，式（1）就是直线段地形点里程推算公式。

2.2.2 曲线段算法

本文2.2.1节所述的内容适用于直线段，但是油气管道有时需进行曲线测设，该曲线一般为圆曲线，曲线段里程推算算法如下，如图3所示，程序自动提取中线上折点PT1、PT3的坐标，地形点PT0（χ0，y0，h0）的坐标和高程，圆弧参数：ZY（χ1，y1）、YZ（χ2，y2）、O（χ3，y3）等三个点的坐标、半径R，以圆心O与PT0的连线与圆弧的交点PT代表PT0的里程，设ZY_K为ZY点里程，PT点的里程推算公式如下：

图3 曲线段数据提取算法示意

θ=ANGLE（ZY O PT0）为ZY、O、PT0三点的夹角，单位为弧度。

PT_K=ZY_K+Rθ（2）

PT_K即为PT0点里程，式（2）就是曲线段地形点里程推算公式。

3 平面示意图拉直

一般情况下油气管道中线不是直线而是折线，因此沿中线测量获取的管道线路带状地形图也不是笔直的，而是弯曲的，根据规范要求纵断面图的平面示意图一栏要贴入拉直的线路平面示意图，所以需要对带状地形图进行一定的数学变换，才能制成符合规范要求的平面示意图。平面示意图拉直的基本思路可以分为拷贝、旋转、拼接、平面图整饰、图形文件存盘等几个基本步骤。

（1）拷贝。对带状地形图分段进行拷贝，即对每2个相邻折点桩之间的带状地形图进行拷贝操作。

（2）旋转。对拷贝出来放到指定位置的一段带状地形图进行旋转操作，使得本段带状地形图的中线置于水平位置。

（3）拼接。对已经旋转过的分段地形图在指定位置进行拼接工作，使分段地形图首尾相连，使拼接带状地形图的长度与纵断面图的里程对应。

（4）平面图整饰。对已经拼接的地形图，删除其高程点、等高线等与高程有关的内容，把对角度倾斜的独立地物符号旋转至水平状态，对倾斜文字进行旋转操作，使文字字头朝上。

（5）平面示意图文件存盘。

4 绘制纵断面图

绘制纵断面图须符合规范要求且满足管道设计需求。该图以横坐标代表线路里程，以纵坐标代表线路高程。纵断面图制图功能不仅要实现制图版式符合前文所规定的要求，而且还应符合下列要求：

（1）软件须能够自动完成数据坐标系、图纸坐标系、CAD坐标系三者之间的转换工作。

（2）能够表示各种地形的起伏，也就是说不受地形起伏的限制，无论高差多大，都能在规定的图纸范围内正确绘制，因此须使用动态纵标尺设计。

4.1 坐标系转换算法设计

在编写本软件时，须完成数据坐标系、图纸坐标系、CAD坐标系三者之间的转换算法设计工作。本软件读取纵断面数据文件里的高程点参数，即里程、高程等数据，向CAD电子文档中相应位置写入断面线、标尺、注记等内容，最后出版纸质施工图。经过分析，认为以CAD坐标系X坐标代表里程，Y坐标代表高程比较合适。坐标系转换算法示意见图4，图中D代表数据坐标系，M代表纸质纵断面图坐标系，C代表CAD电子文档坐标系，CAD坐标系单位为m，HBL代表图纸横比例尺，ZBL代表图纸纵比例尺。

图4 坐标系转换算法示意

式（3）就是里程数据转换为CAD的X坐标的公式，式（4）就是高程数据转换为CAD的Y坐标的公式。

4.2 动态纵标尺算法设计

根据有关规范要求，油气管道纵断面图一般采用2号图进行绘制，每幅图实际的纵标尺有效使用长度为170 mm，能表示的地形起伏不得超过170 mm×ZBL，以ZBL为1:100为例，一幅纵断面图能表示的高差不得超过170 mm×100=17 000 mm=17 m，对于地形起伏较大的地区（高差超过17 m）则无法表示。因此有必要进行“动态纵标尺”算法设计。

4.2.1 水平动态纵标尺

当线路高差大于170 mm×ZBL时，应采用水平平移标尺的方法进行纵断面图的绘制，例如以下算例，ZBL为1:200；数据格式如下：

当线路里程绘制到0.184 4 km时，与起点高差已经到达56.4 m，已经超出纵标尺表示范围，这时需要在0.089 1 km内插计算一个高程17.27 m，这正好与起点高程相差34 m，正好用满纵标尺。同时水平平移纵标尺到0.089 1 km处，即在该处重新绘制一根新的纵标尺。

4.2.2 垂直动态纵标尺

一般地区的高程不为0，因此图纸上所绘制的纵标尺起点也一般不为0。纵标尺起点的高程因此需要使用某种方法来计算。

根据以往经验，断面线最低点距离横标尺的纵向长度应大于50 mm，如果断面线高差小于标尺有效刻度，断面线应居中显示，这样做既能满足一般情况管道设计的需求，又让图纸看上去比较美观。

已知图纸纵标尺总长230 mm，有效使用长度为170 mm，假设MOVE为断面线最低距离，DH为标尺段最大高差，LENGTH为标尺使用范围，DELTH为软件的计算高程改正值，H为断面线高程，Y为断面线的纵坐标，不难推导出由高程至CAD纵坐标的计算公式。

式（5）就是本软件实际使用的高程数据与CAD的Y坐标转换公式。

5 纵断面图内插

油气输送管道测量规范对地形点间距有“不得超过图上50 mm”的要求，考虑我单位所在地区地形地势平坦，如果图纸上地形点间距超过50 mm，则可以用内插法计算高程，这样通过内业计算就能够满足规范要求，从而可以减少现场补测工作量。纵断面图内插模块使用线性内插法自动进行内插计算，使得图纸上地形点的间距满足相关规范要求。

如图5所示，已知pt1和pt2点的高程和里程，求pt0点高程和里程。pt0的横坐标可以直接从图上用程序读取，即pt_X已知，根据式（3）不难得出pt0的里程计算公式，pt0的高程计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横坐标。

图5 高程点内插算法示意

式（6）为高程点线性内插的计算公式。

6 结束语

目前，油气管道纵断面图绘制软件已应用于多条油气管道的勘察设计生产中，使用本软件已绘制了数百千米的油气管道纵断面图，满足了工程勘察、设计、施工的需要。

[1]GB/T50539-2009，油气输送管道工程测量规范[S].

[2]SY/T0009-2013，石油地面工程设计文件编制规程[S].

[3]杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营:中国石油大学出版，2006.

[4]滑福昊，刘大明，高豹华.管道工程施工平面布置图的简易绘图法[J].石油工程建设，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

桑悦（1974-），男，安徽宿松人，高级工程师，1998年毕业于中国地质大学（武汉）工程测量专业，现主要从事油气田工程测量工作。

2014-02-25