（机械设计及理论专业论文）地下管线三维cad与信息管理软件开发.pdf

摘要 论文题目：地下管线三维c a d 与信息管理软件开发 学科专业：机械设计及理论 研究生：陈光 指导教师：吉晓民教授 摘要 签名：l 垒：丝 签名：革塑邋 地下管线是市政基础设施的重要组成部分，目前许多城市的地下管线管理混乱，日常 的查询和维护困难，更无法实现实时监测、灾难预警和决策支持等功能，急需建立完善的 地下管线信息管理系统。本文依托“十一五 科技支撑计划项目“城市市政管网规划建设 与运营管理关键技术研究与示范”，采用三维c a d 和数据库技术，开发了一套工具软件， 为地下管网g i s 提供三维管线设计及数据支持。 论文的主要内容如下： ( 1 ) 统一了管道的数据类型。分析了勘探获得的数据中哪些与系统中需要的数据相 对应，规范了数据上报的流程，并制定了详细的录入表单，每次勘探施工项目的数据可以 很便捷的从施工单位传送到信息中心的数据库中。 ( 2 ) 建立了管接头与附属泵阀的模型库与数据库。为了建立三维管线实体模型，首 先在p r o e 中建立了相关接头的实体参数化模型，方便辅助设计和自动生成管线。 ( 3 ) 三维管线的生成。利用p r o e 二次开发技术和管道设计模块技术，通过自动装 配管接头再连接管线的方式实现三维管线实体的自动建模，并保存在数据库中。 ( 4 ) 管线的分析和输出。通过程序访问管线模块提取数据，根据施工单位的要求输 出可定制的管件明细表单，并通过i s o g e n 技术输出工程图，实现与其它c a d 软件之间 的数据共享。 ( 5 ) 编写了软件人机界面和底层数据库。使用m f c 技术编写直观的人机交互界面， 使用a c c e s s 数据库保存管线数据，并可使用o d b c 技术进行查询和修改。 本文将三维c a d 技术与数据库技术相结合，为地下管网g i s 系统提供以勘探项目为 单位的管线数据支持：开发了管件模型库和自动生成管线的功能，开发了人机交互界面大 大降低了系统数据转换的难度；使用三维实体模型，对于管线设计，工程分析，可视化显 示和数据管理等提供了有效工具。 关键词：地下管线；p r o e 二次开发；g i s ；c a d ；数据库 西安x _ r - 大学硕士学位论丈 t i t l e ；s o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o r3 dc a da n di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n to fu n d e r g r o u n dp l p e l i n e s m a j o r = m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：g u a n gc h e n s u p e r v i s o r = p r o f x i a o m i nj i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： u n d e r g r o u n dp i p e l i n ei sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h eb a s i cf a c i l i t i e si nac i t y a tp r e s e n t ， t h et i n d e r g r o u n dp i p e l i n em a n a g e m e n ti nm a n yc i t i e si so u t - o f - o r d e r t h ee n q u i r i e sa n d m a i n t e n a n c eo ft h ei n f o r m a t i o na r ed i f f i c u l ta n da r en o ta b l et o c a r r yo u tt h er e a l t i m e m o n i t o r i n g ，d i s a s t e rw a r n i n ga n dd e c i s i o ns u p p o r tf u n c t i o n s ap e r f e c ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mi su r g e n t l yn e e d e df o rt h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n e b a s e do nt h i sc o n s i d e r a t i o n ，t h i sp a p e r c o m b i n e d3 dc a dt e c h n o l o g yw i t hd a t a b a s et e c h n o l o g yf o i u n d e r g r o u n dp i p en e t w o r kt o d e v e l o pas o f t w a r et o o lf o rg i sd a t aa n d3 dp i p e l i n e sd e s i g ns u p p o r t t h ew o r ki so n eo ft h e p a r t si nt h ep r o j e c to ft h e11f i v e - y e a rt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tp r o g r a m “k e yt e c h n o l o g y r e s e a r c hf o ru r b a nc o n s t r u c t i o np i p e l i n en e t w o r kp l a n n i n ga n do p e r a t i o nm a n a g e m e n t ” t h em a i np o i n t so ft h ep a p e ra r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) u n i f i e dp i p e l i n ed a t at y p e s t h ed a t ao b t a i n e df r o mt h ee x p l o r a t i o nw e r ea n a l y z e d a n dt h ed a t ar e p o r t i n gp r o c e s s e sw e r es t a n d a r d i z e d d e t a i l e dd a t ar e c o r df o r m sw e r ed e s i g n e d ， b yw h i c ht h ed a t ao fe a c he x p l o r a t i o np r o j e c tc a nb ei n p u tt ot h ei n f o r m a t i o nc e n t e rd a t a b a s e v e r yc o n v e n i e n t l y ( 2 ) e s t a b l i s h e dm o d e ll i b r a r ya n dd a t a b a s ef o rp i p ej o i n t sa n ds u b s i d i a r yv a l v e s i n o r d e rt oe s t a b l i s ht h e3 ds o l i dm o d e lo fp i p e l i n e s ，t h ep a r a m e t e r i z e ds o l i dm o d e l so fr e l a t e d j o i n t si np r o ew e r ee s t a b l i s h e da tf i r s tt of a c i l i t a t et h ea i d e dd e s i g na n da u t o m a t i cp i p e l i n e g e n e r a t i o n ( 3 ) 3 dp i p e l i n eg e n e r a t i o n b yu s i n go fp r o ea d v a n c e dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g ya n d p i p e l i n ed e s i g nm o d u l e ，t h ea u t o m a t i cm o d e lg e n e r a t i o nw a sr e a l i z e df o rp i p e l i n e sb y a u t o m a t i c a l l ya s s e m b l i n gt h ep i p ej o i n t sf i r s ta n dt h e nc o n n e c t i n gt h ep i p e s t h ed a t ao ft h e p i p e l i n ew e r es a v e di nt h ed a t a b a s e ( 4 ) p i p e l i n ea n a l y s i sa n do n t p u t t h ed a t aw e r ee x t r a c t e df r o mt h ep i p e l i n em o d e l sb y w r i t t e np r o g r a m t h ec u s t o m i z e ds i n g l e t u b eb i l lc a nb eo u t p u ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f c o n s t r u c t i o nu n i ta n dt h ee n g i n e e r i n gd r a w i n g sc a l lb eg e n e r a t e db yi s o g e nf u n c t i o n a sa r e s u l t ，t h ed a t ac a nb es h a r e dw i t ho t h e rc a ds o f t w a r e ( 5 ) d e s i g n e du s e ri n t e r f a c ea n du n d e r l y i n gd a t a b a s e m f ct e c h n o l o g yw a su s e dt o d e s i g na ni n t u i t i v em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e a c c e s sd a t a b a s ea n do d b ct e c h n o l o g yw e r eu s e d t oc a r r yo u tt h ep i p e l i n ed a t as a v i n ga n du p d a t i n g ，r e s p e c t i v e l y b yc o m b i n i n g3 dc a dw i t hd a t a b a s et e c h n o l o g i e s ，t h er e s u l t so ft h i sp a p e rw o u l dp r o v i d e d a t as u p p o r t e df o rg i ss y s t e mo fu n d e r g r o u n dp i p en e t w o r k 砀ed e v e l o p e d m o d e ll i b r a r ya n d a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i o nf u n c t i o n sf o rp i p e l i n e sa sw e l la sm a n m a c h i n ei n t e r f a c ew o u l d g r e a t l yr e d u c e dt h ed i f f i c u l t yo fd a t ac o n v e r s i o n u s i n gt h e3 ds o l i dm o d e lw o u l dp r o v i d ea h e l p f u lt o o lf o rd e s i g n ，e n g i n e e r i n ga n a l y s i s ，v i s u a l i z a t i o nd i s p l a ya n dd a t am a n a g e m e n to f u n d e r g r o u n dp i p e l i n e k e yw o r d s ：u n d e r g r o u n dp i p e l i n e ；p r o ea d v a n c e dd e v e l o p m e n t ；g i s ；c a d ：d a t a b a s e 独：创性：声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。，尽我所知，除特别加以标注和致谢 f 一 一 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处：由本人承担一切相关责任 论文作者签名：- 垒! 些二 二。矿年j 月、厶1 日 学位论文使用授权声明 本人i 查! 堑：在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位，本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。： ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明l 论文作者签名：j ：3 ：堑导师签名：亟圣堡斗p 孵月f 日 1 绪论 1 绪论 随着城市现代化程度的增强，纷繁复杂的地下管线逐渐成为了制约城市发展的瓶颈， 一方面城市的水、电、气等生产、生活必备物质需要管线进行输送，另一方面一旦管线出 现故障，轻则影响人民群众的正常生活，严重的还可能出现财产损坏、人身伤害等重大损 失，建立地下管线数据管理系统，无疑是管线管理和维护的首要措施。依赖这样的管理系 统，在城市施工动土前，人们可以搞清地上地下的真面貌，以免伤及无辜，酿成灾祸，同 时在城市市政事故突降时，可以做到耳聪目明，事半功倍。但是，系统中的数据从何而来? 面对纵横交错、密密匝匝的管线，耗时靡费，事后补救? 躬身猫腰，描摹测绘? 本课题正是在这种需求中产生的，本章将分别介绍课题产生的背景，管网管理系统 的现状，系统相关技术前沿，论文主要研究内容以及论文体系。 1 1 本课题的研究背景 城市市政管网工程是城市的生命线工程，是城市赖以生存和发展的物质基础工程，是 现代化城市高质量、高效率运行的基本保证和城市经济、社会健康可持续发展的重要条件。 改革开放以来我国城市化进程的建设达到世界平均速度的两倍，城市发展很快，但城 市基础设施建设特别是城市市政管网水平与发达国家相比还有很大差距，这就严重制约了 城市现代化水平和城市的可持续发展。城市市政管网的建设管理、规划设计理念与标准、 安全运行维护与检测监控、抗灾与灾后修复能力、以及信息管理水平急待研究与提高。 根据国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 的任务要求，科技部 决定启动“十一五科技支撑计划重点项目“城市市政管网规划建设与运营管理关键技术 研究与示范。 本课题组承担的“城市市政管网规划建设与运营管理关键技术研究与示范”是其中的 第二个重点项目，通过前期对项目进行详细研究和对需求进行充分的调研后，确定了针对 市政管网的规划建设与运营有几点关键因素： 安全监测监控技术， 安全预警与系统的联动技术， 市政管线突发灾难事故决策支持系统研究， 市政管线系统致灾过程的仿真模拟技术研究， 和市政管线突发灾难事故应急预案的编制研究。 针对以上的内容，工作的中心被转到首先要建立一个全面的地下管网的信息管理系 统，在此前提下才能够提安全监测、预警及决策支持。目前国内外比较成熟的地理信息管 理技术一般都是采用g i s 技术。经过多次的讨论分析，在建立一个基于g i s 最新技术成 果的管道信息管理系统的方针上首先达成了共识。其次，课题组认为，把g i s 和c a d 这 两大技术领域有机结合可以更容易实现这一目标，同时也可以为今后市政设施信息管理与 规划设计的结合探索出一条新的路线，最终确立了一个以c a d 主流软件加主流关系数据 西安理工大学硕士学位论文 库加m f c 人机交互界面编程的技术路线来为g i s 提供面向对象的全面数据支持服务的方 案。此即为本论文的主要研究内容。 1 2 管网管理系统现状及发展趋势 1 2 1 管网管理存在的问题 地下管网的管理一直是城市建设的一块心病，首先是一些职能部门纷纷上马实施如 “电力g i s ”、“自来水管网综合管理系统 、“城市地下煤气管网系统”等专项地理信息系 统工程。另外，为了应付各部门信息无法统筹，各自为战的问题，还加大了以市为单位， 对水、气、热、电、通信等地下资源的整合，强化城市各类管道整体性、综合性、系统性 的管理。为了避免出现纽约等一些老牌城市建设后期出现的地下管道管理混乱、维修困难 等问题，以及通过对日本、台湾等地震频繁地区地下管道管理经验进行的研究，北京、上 海等一些相对发达的城市逐步开始计划建立一整套合理可行的地下管道实施及管理办法， 包括设计、施工、运营、监控、排险等方面。但诸如此类的工作都还刚刚起步，大多系统 只是一个雏形还不成熟。根据调查和了解，在一些准备建立和已经建立管线信息系统的城 市，在管线信息数据管理方面还存在一些问题，特别是二些中小城市。 1 、费用问题 一个功能完善的管线管理系统不但应有基本的输入、输出、查询、分析、统计等功能， 而且还应具有许多专业的系统功能，比如：横断面分析、碰撞分析、事故分析、抢险分析、 最短路径分析、规划设计子系统、决策子系统等等。有时还根据每个城市的具体要求不同， 而对软件进行相应的补充开发。一个这样的软件系统往往需要许多软件开发人员花费相当 长时间开发并完善才形成的，它的价格当然也会居高不下。如果购置一套国外优秀的g i s 软件，再对其进行二次开发，其费用会更高。许多城市就是因为资金不足而不得不推迟、 甚至放弃管线普查的计划。 2 、数据更新问题 一个完整的管线管理系统要求数据具有严密的拓扑关系，数据局部的增删和修改，都 会改变整个系统数据拓扑关系是否完整，会直接影响到系统分析统计结果是否准确。各专 业的更新数据来源一般都是管线权属单位的竣工测量，中小城市的管线权属单位往往是以 施工为主，管线信息的计算机管理对他们来说接触不多，特别是对数据进行比较复杂的计 算机处理，显得勉为其难。竣工测量的数据虽然数量不大，但却必需完全按照地下管线普 查时所遵照的技术规程，其测量技术要求、成图要求、资料整理、特别是数据库的结构与 内容，必须和系统已有的数据完全保持一致，才能确保整个网络的完整，才能确保查询统 计信息的准确可靠。因而数据的更新和维护人员必须经过专业培训，要有较高的专业素质 才能完成。但是一般中小城市缺少专门从事这方面的人员，在一定程度上影响到数据的更 新，影响到动态管理。 3 、系统功能的充分利用问题 2 1 绪论 管线信息系统实际上是用于对管线数据进行采集、管理、查询、计算、分析与输出的 计算机系统。其中的功能使用频率就和网站的点击频率一样是有高有低的。比如数据输入， 数据的来源是多种多样的，完善的系统一般会把所想到的所有信息都能够输入系统中，图 片、文档、多媒体、纸质图纸、各种格式的电子数据等等，每种格式都有相应的输入接口、 相应的管理、输出手段、单项分析、综合分析功能。但对于一个系统使用者来说，其中许 多功能不是他们最需要的，有些功能甚至从来都没有使用过。一些不常用的进行特殊分析 的功能对数据的要求往往使数据采集和处理工作量成倍增加。 如何来解决需要什么数据，如何使用简单的人机交互获得规范的数据并且能够经济高 效的管理这些数据是目前管线管理系统亟待解决又很难解决的问题。 1 2 2 信息管理系统的数据管理 目前主流的g i s 系统在空间拓扑分析上有很大的优势，但在空间数据管理及数据获 取上还不尽如人意。目前主流的管道信息管理系统有8 0 采用g i s 技术，如图l 是一个 标准的g i s 信息管理系统结构图。其中空间数据交换中包括a u t o c a d 是因为在管线设计 初期，也就是c a d 发展的初期，我们通常使用二维的线条绘制加上图层的概念来设计管 线，即使到今天，许多g i s 软件依然在使用这种方式来绘制和表示管线，所谓三维可视 化的操作，是e s r i 和m a p i n f o 公司为了提高g i s 系统的可用性，在人机交互上作出的努 力，管线的本身依然还是一条实线1 2 1 。 夸站纹翱 li 地陶 j 插ii 透绻嘲li 致，攫 l 潮板数弘他| l 中f i i j 矗淘jil 尘阳li 地湖ll d e m 腹ll 氆联i i 时 f ；p s 数妊震铭ll 敖# 化ii 锨处理ll 影溺 连ll j 嘲彤处珲il 绶； 制阳l1 分撕li 制潮ii 嚣成 ii j i s 数据垮嚣理彖缝li 宁闯敌粼2 援 垡! ! ：_ jl ：；：li 墨：芝! ! 纽ll 鹜量ll 翌! ! ! 纽ll 盎避：垡2ll 二 图1 1g i s 系统结构图 f i g l 1s t r u c t u r eo f t h eg i ss y s t e m g t s 管理的数据可以分为两类：空间数据和属性数据。空间数据是反映事物地理位置 有关信息的数据，属性数据也称非空间数据，是反映事物相关特性的数据| 3 1 0 最初当数 据库技术还不是很成熟的时候，g i s 一般采用文件系统存储数据，即每个g i s 应用都对应 自己的空间和属性数据文件，如图1 2 所示。当多个应用需要访问的数据有相同部分时， 就将这些数据提取出来，存放在一个新的公共数据文件中。随着数据库技术的发展，出现 了混合的数据模型，如图1 3 所示。混合型管理的基本思想是：由于属性数据刻划了空间 对象除位置外的特征，这类数据一般是可以结构化的，因此，可以用传统的关系型d b m s 来管理它们，并实现快速、可靠的检索；而空间数据则刻划对象的空间位置以及对象之间 的相互关系，很难严格地加以结构化。因此，对于g i s 中的每个空间实体，将其存储在 3 西安理工大学硕士学位论文 文件系统中，两者通过一个全局唯一的标识符进行关联t 4 。 图! - 2 文件系统存储模型图1 - 3 混合模型 f i g l 2f i l es y s t e ms t o r a g em o d e lf i g l - 3h i b r i dm o d e l 采用这种混合存储模型的很多传统g i s 系统都取得了巨大的成功。但是伴随着信息 技术的发展和g i s 应用领域和数量的增长，这种空间和属性分开管理的机制也暴露出很 多问题。首先，这种结构影响了执行效率并增加了构造、维护和修改一个应用系统的复杂 度。由于对每个空间实体的操作都要同时和两个不同的系统交互，势必影响操作的执行效 率。此外，构造一个应用系统时，考虑到两个独立系统的结构以及相互之间的关联性，所 以要小心翼翼地进行设计，以保证整个系统的正确性。而由于空间数据和属性数据的分离 造成结构的不清晰，存在数据冗余，给数据完整性和一致性的维护造成很大的困难，而在 对应用系统进行修改时，对关系数据库和文件系统都要进行修改，以使修改后的系统依然 满足完整性和一致性的要求，这些无疑都是很烦杂的。其次，由于文件系统不具备关系数 据库系统那样利用关系运算简洁规整的优点，并提供诸如s q l 这样的高级数据查询语言 来进行查询处理，无疑增加了g i s 软件的开发难度，限制了g i s 应用的范围和发展。 为了使g i s 的数据表达更加贴近现实世界，并且能充分利用商用数据库中已经成熟 的众多特性，如内存缓冲、快速索引、数据完整性和一致性保证、并发控制、安全和恢复 机制及分布式处理机制，面向对象的全关系型数据库设计成为近年来g i s 空间数据模型 研究的趋势。 面向对象方法o o m ( o b j e c to r i e n t e dm e t h o d ) 是一种把0 0 的思想应用于软件开发并 指导软件开发的系统方法。对象是客观世界一切事物的抽象，类是数据和作用于数据的操 作，方法是对象行为的一组操作。o o m 具有有继承性、封装性、多态性，包括按照o o 的 思想分析问题的面向对象的分析方法o o a ( o b j e c to r i e n t e d a n a l y s i s ) ，以o o a 的分析结果 来设计抽象模型的面向对象的设计方法o o d ( o b j e c to r i e m e dd e s i g n ) ，对软件功能的编码 实现的面向对象的实现o o i ( o b j e c t o r i e n t e di m p l e m e n t a t i o n ) b 1 。 面向对象的g i s 空间数据模型比传统的数据模型更适合g i s ，更有利于g i s 中图形 4 信息和属性信息的表达。因此，太多数g i s 研究者认为，面向对象的g i s 是来柬g i s 发 展的趋势而面向对象的g i s 空间数摒模型则是实现面向对象的g i s 的关键之所在。 123g i s 系统在三维数据上的困惑 国外些公司和研究机构已经丌发出了城市地下管网的地理系统商业软什，比如瑞士 b c p 公司的n e p l a n ，可以实现供气、供热、供水网的舰划、优化和模拟。德国的s t a n e t 软件是个对供电、供气、供热、供水网提供模拟和管理的软件，该软件也是基于g i s 的模拟软件，提供方便灵活的数据接口，能够实现包括电网、给排水网等多种网络的模拟 分析和管理。一些国内的优秀平台厂商如北京超图s u p e r m a p 、武大吉奥g e o s t a r 、中地数 码的m a p g j s 都在积极涉足这个领域，其他一些中小型企业和地方测绘院、规划院利用自 己多年地下管道规划、施工的经验独立开发的地下管道信息管理系统，j ：l 女r i 成都同飞科技 的“城市地下管道地理信息系统”，但这些只局限于二维的绘图编辑、漫游、计算、出 国的功能，截躅多半是二维的粗细线条组成，功能单一，拓展空阃也根小。如图1 - 4 是目 前某主流g i s 系统的软件截图1 6 - 8 可以看出其中的管线，只能使用不同颜色的线条柬表 示，不同层面上的管线无法同时显示而右面的所谓真实感模型和截面图也只能表示非常 简单的信息。地下管道不同于一般的地理信息，我们不能用管理公路、铁路、航空路径的 办法来考虑管道的路径，也不能用一般地形结构断面分析的办法柬判断管道走向。三维 g i s 成了唯一的解决办法，许多机构也做了非常多的尝试。 艇醺i 黼蓁黥 陲裂孵黧”酬凳嚣 i 勇- 4 j 置 j _ i 面一 = 一。1 2 一l 一， 兽，一# 差菖 酗1 4 土流g i s 软件界面 f i g l 4s o f t w a r e i n t e r f a c e o f m a i n s t a e a r n g i s 近年来，国内外在三维o l s 中应用的数据模型大致可分为三类：一是基于矢量结构 的数据模型( 面结构模型) 如格网结构( c , r i d ) 、规则三角形格b 目( t i n ) 、边界表示( b r ) 和参 数函数：二是基于栅格结构的数据模型( 体结构模型) ，如三维栅格( a r r a y ) 、八又树( o c t r e e ) 、 实体结构几何法( c s g ) 、四面体格网( t e n ) 等；三是前两类的集成，即混合结构数据模型。 第类模型侧重于三维空间表面表示，如地形表面、地层界面等，由面表示形成三维空间 目标表示。其优点是便于显示和数据更新；不足之处是难以进行空丑j 分析。第二类数据模 攀蠡喜一 一 西安理工大学硕士学位论文 型侧重于三维空间体的表示，如水体、建筑物等，通过对体的描述实现三维空间目标表示。 其优点是易于空间操作和分析；不足之处是存储空间大，计算速度慢。 三维g i s 自诩的不同于c a d 及各种计算机可视化软件的优势在于它具有管理复杂空 间对象能力及空间分析能力。但无论它采用了怎样的三维可视化理论和算法，其根本是数 据计算，无论是平移、旋转还是布尔运算包括体积计算都是矩阵在计算，所谓的三维真实 感模型并不是三维的实体模型，虽然可以进行三维的分析却不能实现三维的显示。迄今为 止，目前国际国内还没有一个成熟完整的三维g i s 系统，与三维g i s 相关的系统大多集 中在三维可视化方面，如e v s ，v i s 5 d ，v o x e l 等t 9 1 。 最初管线的设计与规划主要是采用二维的c a d 系统，所以管线管理与设计的脱节还 并不明显。随着三维c a d 技术的日趋成熟，地下管道的设计慢慢开始使用三维的设计软 件，因为管线，尤其是地下管线要考虑到抗压强度、结构稳定度、介质通过能力、抗腐蚀 能力等诸多因素，包括管接头的设计、泵闸阀的设计，使用三维作为管线设计的基础有以 下三点优点： 1 ) 有助于管线设计的工程分析，可以很方便的分析管道的壁厚、管道的重量、局部 管道的受力、变坡变径点的强度等。 2 ) 有助于管线设计的合理性分析，可以判断管线是否干涉、曲率是否过大、接口是 否匹配。 3 ) 方便三维实体显示。方便三维显示、虚拟现实、仿真模拟等高级需求。 介于三维实体管线的优势，以及三维c a d 多年沉淀下来的成熟技术，笔者认为把三 维c a d 中的特征建模技术与g i s 系统的管理优势相结合是一种可行的方法。 管线数据普查数据繁琐是不可回避的现实，也是目前管线管理的一个难点，通过对理 论的研究，基于面向对象的思想，和对三维c a d 技术的利用，本文将建立一个以主流三 维c a d 软件p r o e 为平台，辅助a c c e s s 数据库软件的数据管理系统，把g i s 需要的属性 数据与空间数据，以每次勘探项目为一个单元保存起来，为今后的管线g i s 管理提供全 面的数据支持。这样做有两点非常明显的好处，也是论文的亮点，一在数据采集的过程中， 不再需要专业技术人员，繁琐的绘图工作，只需要简单的数据录入就可以了；另外所能为 g i s 提供的空间实体数据，可以为g i s 的管理提供更为宽广的空间，也为管线的三维管理 和查询铺平了道路。 1 3 系统相关技术介绍 1 3 1gis 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 可简单定义为用于采集、存 储、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。是有关空间数据管理和空 间信息分析的通用技术。 与一般的管理信息系统相比，地理信息系统具有以下特征： 6 1 绪论 1 ) 地理信息系统在分析处理问题中使用了空间数据与属性数据，并通过数据库管理 系统将两者联系在一起，共同管理、分析和应用，具有空间性和动态性； 2 ) 地理信息系统强调空间分析，利用空间解析模型来分析空间数据，地理信息系统 的成功应用依赖于空间分析模型的设计与研究。 3 ) 地理信息系统的成功应用不仅取决于技术体系，而且依赖一定的组织体系。实践 证明，人的因素在地理信息系统的发展过程中具有越来越重要的影响，地理信息 系统的许多问题己经超出了技术的范畴。 g i s 的软件主要由两部分组成：一是操作系统，二是g i s 应用软件。操作系统是g i s 操作、运行的平台，只要与g i s 软件相适应，满足它和用户的需求即可。g i s 软件有许多， 国外有代表性的有a r c g i s ，m a p i no ，i g d s m r s ，t i g r i s ，g e n a m a p , s i c a d ，s y s t e m9 等；国内具代表性的有g e o s t a r ，m a p g i s ，方正智绘等。无论是那种g i s 软件，作为地 理信息自动处理与分析系统都要具有数据采集、分柝、决策应用等全部过程。由于地理信 息系统发展的多源性、可扩充性以及应用的广泛性，很难有一个全面的框架体系和功能清 单，概括地说，g i s 系统都具有五大结构和功能：数据输入子系统、数据处理子系统、数 据存储和管理子系统、空间分析子系统和输出子系统t 1 0 ) o 1 3 2c a d 技术在管道设计中的应用 目前大多c a d 软件实体建模内核都采用的是p a r a s o l i d 技术。p a r a s o l i d 是一个严格的 边界表示的实体建模模块，它支持实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面片 体建模，被广泛用于机械c a d c a m c a e 应用及建筑工程和结构( a e c ) 和虚拟现实应用 中。目前，无论是化工管道、压力管道、污水管道、通风管道包括电力、电信管道的设计 多采用三维c a d 软件，一些中小公司也出品了许多针对专门管道设计的专用软件，比如 北京中科辅龙的p d s o f t3 d p i p i n g 。这些软件一方面可以绑定一部分符合标准的零部件和 工艺来辅助设计管道，另一方面可以直接输出i s o 图( 管道空间视图) 、p l a n ( 平、立 剖面图) 、b o m ( 综合材料表、工艺管段表、保温材料表等等) 。这些中小软件针对性强， 符合本土特色，在石化、核工业、化工、医药、轻工、机械领域都有很大的需求。有些软 件甚至包括一部分管道的管理和分析功能，开始向设计、采购、施工整个一条龙软件功能 发展。 无论是通用的c a d 软件，还是专用的管道设计软件，都是在主流c a d 软件的技术 基础上所进行的模块开发。p r o e 软件就有专有的p i p e d e s i g n 模块，但设计师都知道这个 模块好，却很少有人会去使用它。因为管道设计在各相关领域都是- - i - j 独立的学科，有其 专有的设计规范，管道模块专用性不强。使用规范驱动可以实现大多的分析功能，但限制 太多通常不符合要求，使用非规范驱动，大多也只局限在制定路径、管径，然后生成管道 渲染的功能；用处不大，效率提高也不明显。所以，众多的管道设计人员依然习惯于使用 原有的扫描管道设计方法，有的甚至依然使用二维的管道设计方法。从上世纪8 0 年代c a d 被国家作为重点推广项目开始，c a d 的普及就一直面临着两个问题，一是如何教会大家 7 西安理工大学硕士学位论文 使用这个方法，另一个就是如何通过二次开发实现本土化、标准化让设计人员确实的感到 工作量的减轻，才能真正实现计算机辅助设计。 c a d 二次开发是一个永恒的主题，c a d 与c a m 集成需要二次开发，c a d 与g i s 集成同样也需要二次开发。c a d 服务商同样也希望用户对软件进行二次开发，因为这样 能更好的普及自己的软件。所以二次开发已由原来的迫不得已发展成为一门规范的技术。 a u t o c a d 的二次开发提供l i s p 、a r x 、v l x 或a d s 文件，以及一些d c l 文件；p r o e 提供了f a m i l yt a b l e 、u d f 、p r o p r o g r a m 、j - l i n k 、p r o t o o l k i t 等；s o l i d w o r k 主要使用 v b 、v c 访问a p i 函数库。说n - 次开发，就是通过对原软件编程，辅助与第三方数据 库的链接，添加良好的人机接口来实现两个方面的功能，一是批量执行一系列命令，另一 方面批量读取相关参数。落实到应用上就是参数化、模块化、标准化、智能化：自动装配、 自动出图、运动仿真、自动工程分析。说白了就是根据具体情况让程序来简化本来需要人 来做的工作，并利用菜单和对话框界面来降低软件使用的难度，提高可用性。 1 3 3 其它 对于管道信息的管理一般采用属性数据库的方式，属性数据库一般是采用关系型数据 库，在具体应用时它将属性集读入内存，通过对数据集对象的操作实现对数据进行添加、 删除、修改等操作。在v c 环境下也可以采用m f c 提供的c d a t e b a s e ，c r e c o r d s e t 等类库， 利用d a o 或o d b c 等模型( 利用s q l 或d l l ) 对属性数据进行管理。 有的系统还使用c l i e n t s e r v e r 模式。c l i e n t s e r v e r 模式由于成本较低，并且具有对大 数据量的查询、检索、管理、更新和大数据量的计算十分有利的特点。管道权属单位也比 较多，办公比较分散，城市管道管理信息系统涉及的业务范围和技术非常广泛，需要管理 大量的空间数据和属性数据；而且这些数据不仅为本系统或者权属单位所用，还能与其他 部门如城市规划、城市建设、市政等信息实现数据共享。 将用户带入有真实感的界面中是三维建模的目的，可视化技术是不可缺少的。具有成 熟的表现功能的三维可视化软件，直到近年来才被大家所认可。可视化包括四个方面：1 ) 数据可视化：2 ) 景观可视化；3 ) 高真实度的景观可视化；4 ) 立体目标的可视化。以前的可 视化软件通常出自于精通此项技术的专家之手，以最终产品的形式输出，随着虚拟现实概 念的深入人心，以及硬件水平的高速发展，三维真实感的展示的需求将越来越迫切。 1 4 本课题研究内容 本论文的研究内容如图1 5 ，最终的目的是针对地下管线建立一个包含三维空间数据 和属性数据的数据库，通过专业的查询语言进行存储和管理，并开发人机交互界面。建立 数据库前期所需的准备工作主要包括图左面虚线框内的部分。 1 绪论 。-_-oo-_ l 统一管线数据类型 建立管件零部件库 三维管线的自动生成 管线的辅助分析 出图和b o m 表功髓 c = = c 岭 c 冷 c = 令 图1 5 课题主要内容框图 f i gl 5d i a g r a mo ft h em a i nc o n t e n t s 国 具体内容如下： 1 统一管线数据类型 分析了地下管网结构和探测技术，制定了数据获取表单，方便统计和管理现实数据。 2 建立管件零部件库 使用参数化技术绘制管线构件，并利用数据库有效管理地下管线设计中需要的装配 件，等同于二维c a d 管线系统中的管件符号，开发人机交互界面，方便在管线设计过程 中自动调用某种类别、某种型号的管件。 3 三维管线的自动生成 根据表单提供的数据，利用第三方可视化编程软件操作在p r o e 环境下自动生成三维 管线的模型，并对管线进行初步的定义、标识、入库。 4 管线的辅助分析 分析管线的长度、壁厚、重量、强度、折弯半径、流向、分支等工程信息 5 出图和b o m 表功能 包括出工程图，和i s o 图、b o m 表，用来归档和指导施工。 6 数据管理和查询功能 管理管段数据库和索引查询信息功能，提供大部分管线信息的查询，包括管线基本数 据和设计勘探时间、埋设时间、权属单位、最后一次维护时间等属性数据。 9 西安理工大学硕士学位论文 1 5 论文体系 图1 - 6 是本系统的一个完整的架构，横坐标上表示的是系统所要实现的功能，纵坐标 是系统采用的所有技术，图中的三角块是功能与技术相交的部分，利用图中的技术实现了 图中的功能是本文主要要介绍的工作。具体的章节设置如下： 第1 章介绍课题的背景，现状、前沿以及对课题的分析； 第2 章介绍信息系统的数据来源； 第3 章介绍如何建立管件库相关技术和工作； 第4 章介绍管线的绘制和自动生成技术； 第5 章介绍管线的分析和相关数据的输出； 第6 章介绍系统人机交互界面及链接数据库的实现； 第7 章归纳结论、优势及与母课题的关系。 1 0 技术路线 霾 荐磊嘉 菱 库 轰菥 图1 石系统架构 f i g l - 6s y s t e mf r a m e 崮 蔫功能路线 雹錾珊蚺线 2 管线数据的获取 2 管线数据的获取 作为一个信息管理系统，首先要做的就是如何获取准确、全面、合理的数据，如何简 化这个数据获取的过程也是本论文着重要研究的难点之一。因为本课题所面对的数据对象 主要是地下管线，有其独有的数据形式。本章将分别就如何进行管线勘探、如何获得规范 勘探数据、如何统一获得的数据类型及建立数据接口为本系统所用一一作以介绍。 2 1 管线勘探技术 2 1 1 城市地下管线概况 城市地下管线普查是一项综合工程，其工作涉及到地球物理探查( 简称物探) 、数字化 测量、数据处理、计算机辅助制图、数据库、软件开发、管线管理等多方面的内容。管线