PDS管道模型三維拓?fù)潢P(guān)系解析方法的研究與實(shí)現(xiàn)

沈杰

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

PDS（Plant Design System）是鷹圖公司開發(fā)的三維工廠設(shè)計(jì)軟件，被廣泛應(yīng)用于能源與化工行業(yè)，通過多專業(yè)協(xié)同配合完成工廠設(shè)計(jì)任務(wù)，能夠有效提升設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量。區(qū)別于傳統(tǒng)的AutoCAD軟件，PDS使用MicroStation作為圖形平臺(tái)的同時(shí)也使用Oracle、SQL Server等通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，做到圖形與數(shù)據(jù)的配套錄入。

PDS模型中包含了兩大類數(shù)據(jù)：屬性數(shù)據(jù)和三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，表征元件的各類設(shè)計(jì)參數(shù)（比如公稱直徑、壁厚、壓力等級(jí)、端面類型等）；三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)則以圖形文件的形式存儲(chǔ)在MicroStation軟件生成的DGN文件中，用于表征元件在空間中的位置及與其他元件的連接關(guān)系。通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外能源及石化行業(yè)的PDS應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)目前尚無可行的方法解析存儲(chǔ)在圖形文件中的PDS模型三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)，因此對(duì)PDS模型數(shù)據(jù)的使用局限于存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性數(shù)據(jù)。

隨著對(duì)PDS軟件應(yīng)用的推進(jìn)和深入，新的工程應(yīng)用需求越來越多，比如力學(xué)分析軟件接口開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與布置設(shè)計(jì)的二三維比對(duì)以及工程管理上的房間管理等，這些都與PDS模型三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)緊密關(guān)聯(lián)，因此急需研究出一種可行的獲取PDS模型三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)的方法。而PDS軟件在管道設(shè)計(jì)上應(yīng)用最為廣泛，因此首先需要進(jìn)行管道專業(yè)的三維模型拓?fù)潢P(guān)系解析。

基于上述考慮，筆者對(duì)PDS管道模型三維拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行研究分析，力圖尋找一種高效的解析方法，完成三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化，并且通過編寫軟件對(duì)其予以實(shí)現(xiàn)。

1 PDS三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

PDS軟件使用MicroStation軟件作為其圖形引擎，因此其模型的圖形文件都是DGN文件。DGN文件全稱為“MicroStation Design File”，是三維圖形設(shè)計(jì)軟件MicroStation生成的圖形文件，用于存儲(chǔ)圖形信息（元件的拓?fù)湫畔ⅰ⒃耐庑纬叽纾鐖D1所示。

圖1 PDS中的布置關(guān)系

PDS三維工廠管道模型中的拓?fù)潢P(guān)系描述的是工廠中布置的所有模型元件的空間信息及相互連接關(guān)系，因此在建立PDS三維拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型過程中，最重要的3點(diǎn)為：①能夠表達(dá)元件自身的身份信息；②能夠表達(dá)元件連接的其余元件的身份信息；③能夠表達(dá)元件自身所處模型信息。

同時(shí)考慮到PDS管道模型中對(duì)于單個(gè)管道元件，最多支持5個(gè)端點(diǎn)，因此將PDS三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為圖2所示的結(jié)構(gòu)。

圖2 PDS三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

2 PDS三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)獲取算法設(shè)計(jì)

PDS三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要反映了元件與元件間的拓?fù)潢P(guān)系。為了從圖形文件中獲取PDS的三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)，首先需要知道PDS圖形文件中所有拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)方法。通過深入分析研究發(fā)現(xiàn)，PDS軟件管道專業(yè)在拓?fù)潢P(guān)系表述上可以分為以下3類。

2.1 端面重合連接

這種連接為基本連接類型，最大特征為相連部件的端面緊緊重合，如圖3所示，其端面坐標(biāo)完全一致，一般管道、彎頭、三通等都采用這種連接方式。

2.2 法蘭管嘴

法蘭管嘴不同于其他部件，由于墊片的存在，在實(shí)際模型中，管嘴與法蘭之間存在半個(gè)墊片的間隙，因此端面將不會(huì)重合，如圖4所示。

圖3 端面重合連接類型

圖4 法蘭管嘴連接類型

2.3 接管座

由于接管座插入母管內(nèi)部，因此接管座與母管對(duì)應(yīng)的端面坐標(biāo)與任何部件的坐標(biāo)都不會(huì)重合，如圖5所示。

圖5 接管座連接類型

在知道了上述3種情況后，即可設(shè)計(jì)如下算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)管道所有拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)的獲取，算法具體分為3個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)3種不同的情況：①端面重合連接。對(duì)于此類元件，判定其拓?fù)潢P(guān)系只需要獲取端面坐標(biāo)后通過比對(duì)坐標(biāo)是否一致即可判定元件之間是否存在連接關(guān)系。②管嘴。對(duì)于此類元件，常規(guī)坐標(biāo)重合判定方法已經(jīng)失效。通過對(duì)PDS底層數(shù)據(jù)庫(kù)的研究發(fā)現(xiàn)，如果管嘴與管線連接正確，將會(huì)在管線 屬 性 數(shù) 據(jù) 中 的 END_1_NOZZLE_ID或END_2_NOZZLE_ID屬性里記錄下連接管嘴的相關(guān)信息，如圖6所示，通過對(duì)管嘴信息的解析即可獲取與管線相連的管嘴所處模型及管嘴的唯一識(shí)別碼。考慮到管線與元件之間的連接方式是端面重合連接，因此在知道了管嘴與管線的連接關(guān)系后，可以通過將管嘴坐標(biāo)替換為管線與管嘴相連的坐標(biāo)的方式轉(zhuǎn)化為第一種連接情況。③接管座。接管座與母管相連一端的端面必然位于母管中心線上，因此需要找到接管座與母管的連接方式。

在此，需要遵循如下方法：①獲取接管座母管端的端面坐標(biāo)；②通過端面匹配獲取與上述端點(diǎn)相連的中心線；③獲取同時(shí)擁有②中的中心線的元件，即接管座相連的母管。

圖6 管線的管嘴屬性

因此上述算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)PDS管道專業(yè)模型所有元件的拓?fù)潢P(guān)系解析工作。在上述算法的實(shí)現(xiàn)過程中，關(guān)鍵在于如下3點(diǎn)：①如何從圖形文件中獲取元件的元件號(hào)；②如何從圖形文件中獲取元件的端面坐標(biāo)信息；③如何從圖形文件中獲取元件與中心線的從屬關(guān)系。

在管道及設(shè)備模型中，元件的元素主要分為2類：第一類為Cone Element，在圖形上表示為圓錐，主要涉及的元件類別為管道、大小頭；第二類為Cell Element，主要用于表示復(fù)雜圖形，包括設(shè)備、彎頭、三通等其余所有類型。

在元件的元件號(hào)獲取上，通過研究發(fā)現(xiàn)，在圖形文件中元件的元件號(hào)通過DMRS Linkage來表示。DMRS Linkage以16進(jìn)制表示，可以分為3部分：①0x0000。這一部分沒有意義，可以忽略。②0x0003。這一部分代表該元素對(duì)應(yīng)的元件的種類，圖中的值為3，代表該元件是一個(gè)管件（piping component）。③0x0257 0x7b38。將其倒序?yàn)?x7b38 0x0257后轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制后為2067268183，這個(gè)數(shù)字為元件在PDS數(shù)據(jù)庫(kù)中的SYSTEM_UNIQUE_NO，即元件的唯一識(shí)別碼。同時(shí)對(duì)應(yīng)不同的元素，DMRS Linkage的獲取方法不盡相同。對(duì)于Cone Element，DMRS Linkage儲(chǔ)存在其本身，對(duì)于Cell Element，DMRS Linkage存儲(chǔ)在其子元素Point String下。

而對(duì)于PDS元件來說，每個(gè)元件都擁有不止一個(gè)DMRS Linkage號(hào)，如圖7所示，當(dāng)前部件擁有3個(gè)DMRS Linkage。對(duì)于PDS來說，第一個(gè)DMRS Linkage代表了元件自身的元件號(hào)，接下來的DMRS Linkage則代表了元件對(duì)應(yīng)的中心線的身份信息，因此從剩下的DMRS Linkage中即可獲取元件與中心線的從屬關(guān)系。

在元件端面坐標(biāo)信息的獲取上，同樣對(duì)于不同的圖形元素，獲取方法也不相同。對(duì)于Cone Element，作為簡(jiǎn)單元素，其兩端端面的坐標(biāo)就是Cone Element的Center1與Center2屬性，如圖8上的Geometry屬性組中所寫。對(duì)于Cell Element元素，作為復(fù)雜元素，其端面坐標(biāo)隱藏在子元素Point String下，如圖8所示。Point String元素里存在一個(gè)Point類型數(shù)組，其中，Points[0]對(duì)應(yīng)元件的中心點(diǎn)坐標(biāo)，Points[1]對(duì)應(yīng)元件的端面1坐標(biāo)，Points[2]對(duì)應(yīng)元件的端面2坐標(biāo)，Points[3]對(duì)應(yīng)元件的端面3坐標(biāo)（如果沒有端面3則表示中心點(diǎn)坐標(biāo)），Points[4]對(duì)應(yīng)元件的端面4坐標(biāo)（如果沒有端面4則表示中心點(diǎn)坐標(biāo)），Points[5]對(duì)應(yīng)元件的端面5坐標(biāo)（如果沒有端面5則表示中心點(diǎn)坐標(biāo)）。

圖7 DMRS Linkage示例

圖8 Cone Element屬性列表

3 程序開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

程序主要分為3部分：①讀取配置文件，獲取圖形文件存儲(chǔ)路徑及對(duì)應(yīng)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)信息；②對(duì)所有圖形文件進(jìn)行解析，獲取所有元件編號(hào)及其對(duì)應(yīng)的端面坐標(biāo)信息；③通過拓?fù)潢P(guān)系獲取算法生成結(jié)構(gòu)化的拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

整個(gè)程序主要分為5步：①讀取配置文件，確定三維拓?fù)潢P(guān)系模型最終存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息及圖形文件的存儲(chǔ)路徑；②記錄圖形文件的存儲(chǔ)路徑；③讀取圖形文件中所有元件的元件號(hào)、端面坐標(biāo)以及中心線從屬關(guān)系；④根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系獲取算法生成結(jié)構(gòu)化的拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)；⑤將拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。軟件要求上，對(duì)于運(yùn)行程序的客戶端，需要預(yù)裝MicroStation V8i軟件，這是因?yàn)槌绦蛟趫D形文件解析過程中使用到了MicroStation V8i SDK包中的功能，這部分功能是基于MicroStation V8i版本軟件起效的。選用MicroStation V8i版本的主要原因是從V8i以后的SDK包支持MVBA和addins的多環(huán)境開發(fā)方式，使得開發(fā)的便利性得到顯著提升。對(duì)于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，則選用oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，由于三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)象是整個(gè)項(xiàng)目中的所有數(shù)據(jù)，因此其數(shù)據(jù)量非常大，oracle數(shù)據(jù)庫(kù)在大容量數(shù)據(jù)的處理上有其余數(shù)據(jù)庫(kù)軟件無法比擬的優(yōu)勢(shì)。完成后的程序界面如圖9所示，生成的拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖9 程序界面

圖10 數(shù)據(jù)庫(kù)中的拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文從實(shí)際工程需求出發(fā)，研究了如何將存儲(chǔ)在圖形文件中的非結(jié)構(gòu)化PDS管道模型三維拓?fù)潢P(guān)系轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

在研究過程中，首先明確了研究對(duì)象PDS管道模型的三維拓?fù)潢P(guān)系的具體含義，定義了一個(gè)能夠包含所有拓?fù)湫畔⒌娜S拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于最終解析信息的存儲(chǔ)。通過工作分解的方法將復(fù)雜、抽象的PDS管道模型三維拓?fù)潢P(guān)系獲取工作分解為從圖形文件中獲取元件號(hào)、元件端面坐標(biāo)和進(jìn)行端面坐標(biāo)匹配的3個(gè)具體過程逐一實(shí)現(xiàn)。最后采用了最新的MicroStation V8i的SDK開發(fā)包，使用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)完成了解析方法的程序?qū)崿F(xiàn)，兼顧了程序的易讀性與效率。本文通過應(yīng)用PDS管道模型三維拓?fù)潢P(guān)系解析方法，實(shí)現(xiàn)了PDS三維模型中存儲(chǔ)的三維拓?fù)潢P(guān)系信息由無法讀取的非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)向易于讀取的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)化。得到的PDS三維拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)為三維模型的后續(xù)利用，比如力學(xué)分析一體化，二三維模型比對(duì)、房間號(hào)管理等的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

［1］Jerry Winters.Learning MicroStation VBA［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.