天然气长输管道设计数据数字化移交

郝强

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

天然气长输管道设计数据数字化移交

郝强

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

天然气长输管道完整性管理数据库包括设计、建设、运营期全过程的完整性数据链，实现从设计阶段的数字化移交对施工、运维期的完整性管理具有重要意义。论述了天然气长输管道不同设计阶段产生的数据内容和成果形式，并据此研究了数据数字化移交的方法及存在的问题，初步探讨了实现真正意义数字化移交所依托的关键技术和未来还需解决的问题。

管道设计数据 数字化移交 参数化建模

天然气长输管道完整性管理涵盖了从设计—施工—运营的全周期，构建包括设计、建设、运营期全过程的完整性数据链，才能有效支撑运维期管道完整性管理的所有应用功能。设计阶段作为完整性管理链条的前端，实现设计阶段的数字化移交对施工、运维阶段的完整性管理具有重要意义。但目前的完整性管理系统大都是在管道建设完成之后才开展相关的数据采集和构建工作，对设计阶段数据的移交重视不足，缺少相应的移交方案，导致无法及时有效地采集、移交设计阶段的数据资料，如果到后期再补充采集这些数据，成本会提高，精确度也有待检验。因此，本文将着重探讨设计阶段数据的数字化移交内容、移交流程和移交方案及在移交过程中存在的难点问题，并结合这些难点问题初步探讨解决的方案、需要的技术和实现的途径。

1 设计数据的数字化移交

1.1 设计阶段线路数据分析

设计阶段数据主要包括可研、总体设计、基础设计和详细设计阶段产生的数据。从数据类型上划分，设计阶段数据可分为数据表形式的结构化数据和图档形式的非结构化数据；从设计专业角度划分，可分为线路及配套专业数据和站场相关数据；从数据格式划分，可分为图形数据、文档类数据、地理数据及三维模型数据等。

按照不同设计过程，需要采集、处理和移交的数据内容有所不同，其中，可研阶段的数据内容见表1所列。

总体设计和基础设计主要的数据内容包括勘察设计资料、测量资料、线路图纸、穿跨越系统，以及配套的自动化控制、安防、视频监控系统数据资料，该类数据资料分别由相应的设计专业提供，线路相关设计专业有:线路、穿跨越、水工保护、隧道、防腐、总图、道桥、机修、通信，所有专业使用的设计软件都是AutoCAD,文件格式有.dwg, .doc, .xls。

表1 可研阶段数据内容

1.2 设计阶段站场数据分析

站场设计软件采用鹰图公司的SP3D，SP3D软件输出的三维设计模型为.dgn格式，模型精确度高、细节丰富，但SP3D设计模型不是实体模型，而是线状模型，而且由于软件加密等问题，导致三维设计模型无法直接用于进行三维模型可视化且可以交互、分析的仿真平台，在移交过程中有时会出现模型扭曲变形的现象，同时设计模型自带的属性数据也无法与模型同步导出，导致模型和数据无法一一对应。

因此，站场三维数据模型的移交面临许多困难。解决的途径主要有2种:第1种方式是采用SP3D软件自带的模型浏览功能对三维设计模型做浏览模式的移交，该方式仅能作为站场建设情况的三维可视化展示，无法添加基于模型的任何应用；第2种方式需要通过大量的数据格式转换和数据处理工作，将三维线状模型处理为三维实体模型，同时通过建立三维模型与属性数据的编码映射关系，实现站场设施、设备属性信息的查询、分析等功能。第2种方式能从根本上解决站场三维数据的移交问题，但是在模型修改及属性数据链接方面有较大的工作量。

1.3 数字化移交流程

设计阶段数据的移交方案根据不同设计过程、不同设计专业在数据内容和成果形式上会有所不同。因此，在进行数字化移交时，应进行针对性的归类，总结相应的移交方案以满足不同数据形式和数据格式的移交条件。设计阶段数据总体移交流程如图1所示。

图1 设计阶段数据移交流程示意

线路专业数据在不同设计过程有不同的成果形式。根据成果形式可分为图档类数据和结构化数据。线路专业数据移交流程如图2所示。

图2 线路专业数据移交流程示意

其中，可研过程设计成果均为报告形式，可按照图档类移交方案进行移交，分为两个阶段实施。第一阶段线路各设计专业进行图档类非结构化数据的移交，即线路各专业负责人将相应可研成果整理成Word及PDF格式进行归档存储；第二阶段针对各专业提交的可研设计数据进行审查、整理，并按照工程实体树的结构分别存储至本地数据服务器和移交数据服务器。

总体设计、基础设计和详细设计过程的数据成果包括结构化数据和图档类非结构化数据，这些设计内容的数字化移交分为两个阶段实施。

第一个阶段是图档类非结构化数据的移交，移交方案与可研过程相同；第二阶段是数据表类结构化数据的移交。移交方案如下:

1) 线路各专业负责人按照全生命周期数据管道的标准规范要求对总体设计数据项进行编码，并按照数据采集模板和数据规定的要求填写数据项数值，将填写好的数据表存储为.xls格式，然后将整理好的数据表文件发送给数据采集人员。

2) 数据采集人员负责对收集到的数据表进行审核、命名和入库，将各专业数据表按照数据模型的逻辑结构进行属性关联，并负责本地服务器及远程服务器数据库的维护。

站场数据的移交主要解决两个问题:实现站场的三维设计模型数据向三维实体模型数据的格式转换；建立三维模型与属性数据的一一对应关系。在数据格式转换和数据处理过程中涉及了SP3D，AutoCAD，3DS Max，仿真软件4个不同的软件平台，在数据转换过程中难免会有精度损失以及误差。其中，比较突出的是不同空间坐标系统间的转换导致的模型错位、移位问题。针对该类问题，笔者进行了一系列的转换和调整，处理流程如图3所示。

图3 站场数据处理流程示意

1.4 数字化移交存在的问题

在数字化移交过程中，最核心的问题主要有以下两个方面:

1) 目前CAD软件引擎是使用可见的、基于坐标的几何图形来创建图元。编辑、提取这些“低能图形”非常困难，极易出错，并且创建文档的方式通常是从模型中提取坐标，然后生成孤立的二维工程图。该操作方式在施工图设计数据的数字化、结构化移交过程中会非常低效，因此只能采取人工提取、录入、编码、映射、关联的方式实现。

2) 类似的问题也出现在站场的三维设计软件中。由于软件接口的封闭，三维模型数据与属性数据库无法同时提取，只能分开处理。并且由于设计软件和移交软件底层平台的不同，三维模型数据在移交的过程中会有较多扭曲变形，需要人工校正。同时，属性数据库数据在提取中丢失了与模型数据的关联关系，也需要人工建立映射和关联，智能化水平较低。

2 一体化数字化移交的实现

2.1 BIM技术的借鉴意义

建筑信息模型(BIM)技术是一种应用于建筑行业工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

借鉴BIM技术的成功经验，探索建立油气管道行业从设计到施工到运营的一体化数字化移交平台是解决目前设计数据数字化移交的一个途径，是实现管道工程全生命周期数字化、信息化、智能化管理的有益尝试，也是突破传统CAD设计局限、改革设计思路向全生命周期管理理念过渡的一种探索。

2.2 参数化建模

数字化移交平台的一体化实现首先要进行设计软件的变革，设计软件采用参数化建模技术是改革的第一步。参数化建模技术，顾名思义是在CAD系统环境下建立可为参数化驱动的三维实体。通过使用特性数值等参数来确定图元的行为并定义模型组件之间的关系，意味着设计标准或意图可以在建模过程中加以捕捉，使模型编辑工作变得更加简单，而且还可以保留原始的设计意图。

参数化建模技术包含:参数文件和特殊三维实体2个最基本的元素。就参数文件而言，可以简单地认为该参数文件是一个或若干个包含CAD系统可识别参数名和参数值的电子表格，格式可以是公共格式比如Access/Excel兼容的各类数据表，以及*.csv文件格式等。当然目前具有参数化建模功能的三维CAD软件一般都包含了参数编辑模块或窗体供使用。

参数文件中的参数名根据数据库和CAD软件模型对数据格式要求，一般由ASCII码表格中的有效字符组成。制作完成的参数表一般要求由列数代表参数的个数，由增加参数行的方式填写必要的参数值。参数一般包含以下几个属性:

1) 参数名。用于标记参数，一般以字母开头，不超过5个字节，不以数字开头，大小写敏感。

2) 参数描述。参数的必要简短说明，大小写不敏感，字节数一般不超过20个。

3) 参数的基本属性。文本型/数字型，文本型要确定文本的最大长度，数字型要确定精度结构，如双精度数的有效数字个数等。

4) 参数的外部属性。几何型/描述型/功能型等，指当前参数是用来描述模型的几何参量还是其他。

5) 参数的内部属性。确值型/值域型/函数型等。

对于参数值的配置，则需按照该参数的属性要求进行填写，从而形成该模型的若干规格型号。

表2为常见的标准文本中的不同型号螺栓规格表，其中对参数名和基本描述已做了规定。表3为制作完成的不同型号螺栓规格移交数据参数表，这样的数据表可被市面上主流的各类数据软件读取和调用。

表2 常见的标准文本中不同型号螺栓规格 mm

表3 不同型号螺栓规格数据移交参数 mm

就参数模型而言，使用上述参数名进行模型的绘制和构建，以用户对参数行的选择，为模型赋予不同规格的参数值，从而实现参数化建模。这就要求:

1) 模型草图和特征均以参数名创建，而非确值。

2) 参数化模型在各参数行中均可成立，不出现模型失败。

3) 模型可自动识别参数数据库/表格中的参数名和参数值。

4) 模型按参数表驱动进行即时变化，生成新模型。

5) 用户可根据需要选中某个确值，即某参数行作为锁定当前模型并脱离参数行，以确定身份另存为指定的CAD文件。

由此可见，设计阶段的属性数据和模型数据被统一地组织管理起来，可以方便地进行数字化移交的数据提取和应用。

2.3 数据库建模技术

参数化模型的建立，特别是参数化模型数据库的创建存在很多的技术关键点，比如参数化模型的规格表示法、唯一性要求等环节，需要在前期具有全局观念，将关键的技术节点一一分析出来，加以解决。

数据模型是数据建库、平台开发的基础，提供了多源、海量数据的数据逻辑组织模式。目前各软件公司在进行长输管道数据建模时，主要采用ISAT，PODS，APDM模型以及各天然气分公司发布的数据模型标准，这些模型以线性参考为基础，包含了长输管道数据建模的核心要素，提供了数据建模的数据模板。通过数据建模可以清晰地表达管道工程各实体间的层次关系、属性信息及关联关系，可为建立各实体节点的参数化模型提供参考。

2.4 基于“3S”技术的平台开发技术

长输管道的完整性管理活动离不开与实际地理位置相关的查询、定位、检测工作，“3S”技术是指GIS，RS和GPS技术，GIS是空间数据存储、组织、建模、可视化的平台工具;RS实现各种精度、分辨率管道沿线周边地理影像数据、航空摄影数据的处理、叠加和应用；GPS是基于空间数据的定位系统。综合应用“3S”技术能够构建1个基于真实地理空间环境的、可交互、可定位、可视化的长输管道完整性管理、综合分析应用平台。

2.5 系统架构技术

目前常用的系统架构模型有C/S,B/S以及C/S和B/S结合3种，3种模型各有优缺点及侧重点。其中C/S模式是基于局域网范围内的客户端和服务器共同工作的服务模式，大部分运算是通过客户端来运行，从而提高了一定的数据交换效率，但软件的安装和升级维护要在服务器和各客户端上分别进行；B/S模式是基于互联网进行任务部署，通过浏览器进行访问，无需进行软件的安装、维护工作。现在某些数据交换量大的系统，在用户数量较多的情况下会将C/S和B/S 2种模式混合应用。

3 结束语

设计阶段数据的数字化移交是实现长输管道完整性管理、全生命周期管理的关键性一步，没有设计前期的数据资源就无法形成整个完整的生命链条。同时，设计阶段数据的移交和传递也为采购施工及运营维护提供了数据依据。

本文介绍了基于传统CAD设计方法的设计数据数字化移交方法及该方法存在的问题，并针对这些问题，通过借鉴BIM技术在建筑行业的成功经验，初步探讨了建设设计到运营一体化数字化移交平台的关键技术，这些技术是解决数字化移交主要问题的关键，比如各设计过程数据如何无缝并且自动地向下传递、如何与施工采办结合、如何用信息化平台工具的形式实现数字化移交等。该类问题是改革设计思路、突破现有局限的初步尝试，后续还有很多工作要开展，还有很多关键问题要解决才能实现真正意义上的数字化移交，是今后要继续研究的问题。

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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。

郝强(1976—)，男，河北丰南人，1997年毕业于天津大学精密仪器专业，获工学学士学位，现就职于中石化石油工程设计有限公司，从事通信工程与工程信息化设计工作，任高级工程师。

TE832.3, TP311.56

B

1007-7324(2017)06-0041-05