基于Visual Lisp燃气管道水平定向钻辅助设计软件

郑光耀， 吴泽鑫, 危 唯

(佛山市华禅能燃气设计有限公司，广东佛山528000)

1 CAD二次开发技术的运用

CAD二次开发技术是开发者根据用户需求，运用相关的软件技术，针对特殊用途对CAD类软件进行个性化定制的领域。岳海云对Auto Lisp语言、ADS开发系统、Visual Lisp及基于ActiveX Automation技术的VBA(Visual Basic for Application)开发工具及Object ARX开发系统作了简单的介绍，并归纳各类技术的优缺点[1]。郭秀娟等人系统而详细地介绍了Auto Lisp语言的由来、相应的语法及规则，并提供简单的实例，在工程设计领域得到了应用[2]。孙路等人通过一典型实例，阐述了基于Visual Lisp语言进行参数化绘图的实现方法[3]。刘丽等人基于Visual Lisp开发环境，实现了市政电气辅助设计软件的研发，界面清晰，功能全面，适用性好[4]；杨瑞宇基于AutoCAD 2004平台，进行了铁路信号专业区间图纸的设计与开发，可快速准确、保质保量地完成设计任务，以满足各种线路及车站的设计要求[5]。基于以上实例，笔者利用基于Visual Lisp的CAD二次开发技术，进行了燃气管道水平定向钻辅助设计软件的研发及应用，并取得了良好的效果。本软件可适用于AutoCAD 2007～AutoCAD 2018版本，适用面广。

① Visual Lisp开发界面

本软件为燃气管道水平定向钻辅助设计软件，采用CAD二次开发技术实现。笔者采用的AutoCAD版本为AutoCAD 2014。在AutoCAD软件界面，于命令行中输入命令“vlide”，即可进入CAD开发环境，AutoCAD二次开发编辑器见图1。点击左上角“新建文件”按钮，可新建Visual Lisp文件，Visual Lisp文件编辑界面见图2。

图1 AutoCAD二次开发编辑器

图2 Visual Lisp文件编辑界面

② 程序代码编辑及模块调用

在图2中的编辑界面即可输入Visual Lisp代码，其基本语法可参见文献[2]。当程序编写完成后保存程序为LSP文件。若程序用DEFUN函数进行定义，则可封装为可供外部调用的模块。模块在被其他文件进行调用时，可通过LOAD函数进行加载，然后在AutoCAD命令行中输入模块名即可进行模块的执行，或者在其他文件中输入模块名进行调用。

2 软件功能及实现

① 软件框架

本软件分为数据输入、数据处理及数据输出3部分，软件流程见图3。

图3 软件流程

② 数据输入功能及实现

数据输入主要包括燃气管道、定向钻、地形、交叉管道的数据。对于管径、壁厚等，软件采用对话框的形式，由使用者直接通过键盘输入相关数据，并通过Visual Lisp将该类参数设置为全局变量。对于平面图中的燃气管道及交叉管线的选取，软件中主要通过“command”命令调用AutoCAD自带的图元选取命令，实现直接按照屏幕上的提示选取的功能。输入数据界面见图4，通过鼠标点选图元见图5。

图4 输入数据界面

图5 通过鼠标点选图元

③ 数据处理功能及实现

本文主要基于CJJ/T 250—2016《城镇燃气管道穿跨越工程技术规程》中水平定向钻钻孔轨迹的计算方法。钻进轨迹见图6。

图6 钻进轨迹

图中R1——入土段曲率半径，m

R2——出土段曲率半径，m

L′——轨迹水平投影总长度，m

α——入土角，(°)

β——出土角，(°)

L1、L5——造斜直线段长度，m

L2、L4——曲线段长度，m

L3——水平直线段长度，m

L1′、L5′——造斜直线段水平投影长度，m

L2′、L4′——曲线段水平投影长度，m

L3′——水平直线段水平投影长度，m

H——最大敷管深度，m

具体轨迹计算方法为：

L=L1+L2+L3+L4+L5

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中L——燃气管道的水平敷设长度，m

造斜是由钻头、井下动力钻具、造斜工具、钻铤、钻杆组成的钻柱，入井前处于自由弯曲状态。其余参数可通过推导得出。通过式(1)～(5)，将实际设计工作中调节的参数入土点埋深、出土点埋深、入土段总埋深(即最大敷管深度)、入土段曲率半径、出土段曲率半径、入土角、出土角设置为变量，以燃气管道的水平敷设长度L(可通过vlax-curve-getDistAtParam函数获取燃气管道的水平长度)为约束，编写为计算L1～L5及相应曲线参数(如坐标)的函数名为orbit_draw的lisp函数文件，其中利用pline命令即可绘制水平定向钻的设计轨迹。在软件中，各控制变量的动态调节，主要是通过滑动条控件实现。该控件可通过代码获取滑块的位置对应的值，并实时显示在相应文本框中。

每次对控件进行调节后，即调用orbit_draw函数重新绘制轨迹，可使管道的水平定向钻轨迹也随之改变，达到了“所见即所得”的效果。滑动条控件见图7，水平定向钻轨迹调整前后对比见图8。使用滑动条控件后，轨迹的调节更为便捷，精确度更高。

图7 滑动条控件

图8 水平定向钻轨迹调整前后对比

④ 数据输出功能及实现

确定定向钻轨迹后，需要将定向钻轨迹上各点的参数提供给施工单位进行施工。工程上，常使用各钻杆的深度、坐标、方位角等参数。以每根钻杆长度3 m为例，程序中每隔3 m取一个点，通过vlax-curve函数获取该点的深度、坐标、里程信息，将数据导出为Excel表格。

Visual LISP提供了一系列用于创建、操控和关闭ActiveX对象的函数。Visual Lisp中需通过vl-load-com函数加载ActiveX/COM，并编写接口函数实现与Excel的数据链接。与Excel程序连接成功后，经vlxls-app-init函数初始化，通过vlxls-app-new函数新建Excel文件，并将程序中记录的各点深度等信息逐一写入各单元格，并设置单元格的文字大小、填充颜色等。写入完成后，需通过vlxls-app-quit退出该链接环境。导出的Excel表格，极大地方便了数据的统计及汇总。

3 应用实例

以顺德碧桂豪园与番禺接通天然气市政管为例，该工程部分管段采用水平定向钻敷设。设计管材为PE100 SDR11的PE燃气管，管道外径为160 mm，管道壁厚为14.6 mm。经过实地查看，基于勘察单位提供的岩土工程勘察报告及地下管线物探成果，利用本软件生成水平定向钻轨迹。

① 数据输入

a.根据工程现场确定入钻点位置和出钻点位置，在建设单位提供的最新地形图及物探资料的基础上绘制平面图方案。通过前期提供的管线物探资料，获得其他交叉管线的位置及埋深信息并输入软件。

b.根据项目实际情况，确定所设计的燃气管道的参数(管径、壁厚、材质)、定向钻工艺中所使用的钻杆间距、地面标高并输入至软件界面。将地形剖面线绘制于平面图中适当位置，并通过软件中的图元选择按钮进行选取。在其基础上通过绘制交叉管线按钮绘制交叉管线。

c.完成上述步骤后，管道埋深的信息可通过调节相应滑块设置，其余参数已由软件初始化。

② 数据处理

a.数据输入完成后，点击“定向钻轨迹绘制”按钮，可直接绘制燃气管道轨迹的剖面图。若需调节某参数，则通过该参数对应的滑块进行调整，软件可实时修改定向钻轨迹数据并实时绘制更新后轨迹，实现“所见即所得”的效果。

b.确定管道最终轨迹后，软件将自动计算每根钻杆的数据，包括钻杆所在处轨迹的曲率半径、方位角、旋转角、钻进里程等数据。本工程软件生成的水平定向钻轨迹见图9。

③ 数据输出

点击“导出为Excel文件”按钮，软件将各钻杆对应的数据直接导出为Excel文件，并可直接打开。

图9 生成的水平定向钻轨迹