基于Web的流體物性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究*

章 新，李榮興，侯彥青，謝 剛,，崔 焱，汪晶晶

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，云南 昆明 650093；2.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(昆明理工大學(xué))，云南 昆明 650093;3.昆明冶金研究院，云南 昆明 650031)

基于Web的流體物性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究*

章 新1，李榮興1，侯彥青2，謝 剛1,3，崔 焱3，汪晶晶1

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，云南 昆明 650093；2.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(昆明理工大學(xué))，云南 昆明 650093;3.昆明冶金研究院，云南 昆明 650031)

Web數(shù)據(jù)庫具有持久性、有效性、共享性等特點(diǎn)，有效實(shí)現(xiàn)了物性數(shù)據(jù)和估算公式的管理。分析了開發(fā)基于Web的流體物性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的必要性，對(duì)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的選擇、系統(tǒng)架構(gòu)、資源權(quán)限管理、數(shù)據(jù)交互、計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該系統(tǒng)的建立不僅解決了傳統(tǒng)方法獲取流體物性數(shù)據(jù)復(fù)雜、繁瑣等問題，而且還克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫移植性差、用戶體驗(yàn)性差、數(shù)據(jù)更新慢、數(shù)據(jù)不全面等缺點(diǎn)。為工程設(shè)計(jì)和研究人員提供了方便有效的應(yīng)用工具。

流體物性計(jì)算；基于Web數(shù)據(jù)庫；流體

0 引言

流體物性數(shù)據(jù)是化工、冶金、能源等領(lǐng)域進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和研究時(shí)必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前獲取物性數(shù)據(jù)的方式主要包括實(shí)驗(yàn)方法和物性估算方法[1-2]。在實(shí)際工作中由于受到條件限制，大部分工程技術(shù)人員往往借助物性估算方法來獲取數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)手工計(jì)算物性數(shù)據(jù)具有復(fù)雜、繁瑣等缺點(diǎn)，顯然不能滿足人們的需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，也相繼出現(xiàn)了一些基于單機(jī)版的流體物性數(shù)據(jù)庫。但是這些數(shù)據(jù)庫具有移植性差、用戶體驗(yàn)性差、數(shù)據(jù)更新慢等缺點(diǎn)，為人所詬病。

傳統(tǒng)流體物性數(shù)據(jù)庫主要以表的形式顯示物性數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠提供精確的數(shù)據(jù)。但是對(duì)于用戶獲取某些不同溫度和壓力下的物性數(shù)據(jù)的需求，卻不能得到很好的解決。用戶仍需利用復(fù)雜的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，這種單一的機(jī)械化工作消耗了研究人員相當(dāng)多的精力，降低了工作效率[3]。流體物性數(shù)據(jù)計(jì)算較為復(fù)雜，各種理論、半經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式各有特點(diǎn)，且當(dāng)前沒有一種共通的方法計(jì)算所有物性數(shù)據(jù)的情況[4]，因此，建立一種物性數(shù)據(jù)和估算公式的管理的數(shù)據(jù)庫很有必要。

基于Web的流體物性數(shù)據(jù)庫整合了常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，作為計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)庫具有的持久性、有效性、共享性等特點(diǎn)，有效地實(shí)現(xiàn)了物性數(shù)據(jù)和估算公式的管理，解決了傳統(tǒng)流體數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)更新慢、共享性差的缺點(diǎn)，為用戶計(jì)算提供了便利。

1 系統(tǒng)集成環(huán)境的選擇

選擇一種合適的系統(tǒng)集成環(huán)境，不僅能夠滿足軟件的業(yè)務(wù)和邏輯需求，而且還保證了系統(tǒng)的訪問效率和運(yùn)行的安全性。本節(jié)將從系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行的操作系統(tǒng)、開發(fā)語言、服務(wù)器軟件以及數(shù)據(jù)庫4個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)介紹。具體系統(tǒng)集成環(huán)境如表1所示。

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行的操作系統(tǒng)

目前主流的操作系統(tǒng)主要包括Windows和Linux。雖然Windows操作系統(tǒng)便捷的視窗界面深受PC用戶歡迎，但是其先天的內(nèi)核設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其漏洞較多。因此，對(duì)于大部分軟件開發(fā)機(jī)構(gòu)，很少使用Windows系統(tǒng)作為軟件服務(wù)器系統(tǒng)。而Linux系統(tǒng)具有穩(wěn)定的安全保護(hù)機(jī)制、高效的多任務(wù)、多用戶能力，且免費(fèi)開源，因此選擇Linux系統(tǒng)作為系統(tǒng)運(yùn)行的操作系統(tǒng)。

表1 系統(tǒng)集成環(huán)境

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 開發(fā)語言

針對(duì)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)和邏輯需求，選擇了Java作為系統(tǒng)開發(fā)的基本語言。相比其他開發(fā)語言，Java語言具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)跨平臺(tái)性：對(duì)于Java程序，不管是Windows平臺(tái)還是Linux平臺(tái)或者其他平臺(tái)，它都適用。Java編譯器把Java源程序編譯成與體系無關(guān)的字節(jié)碼指令，只要安裝了Java運(yùn)行系統(tǒng)(JVM)，Java程序就可以在任意的處理器上執(zhí)行[7]。

(2)安全性：Java適用于網(wǎng)絡(luò)分布式環(huán)境，適用Java可以構(gòu)建防病毒、防篡改的系統(tǒng)。

(3)健壯性：Java語言開發(fā)初期，開發(fā)人員投入了大量的精力進(jìn)行問題檢測、后期動(dòng)態(tài)檢測，采用指針模型設(shè)計(jì)消除了重寫內(nèi)存和損壞數(shù)據(jù)的可能性。

(4)便捷性：Java語言采用了面向?qū)ο箝_發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)了代碼復(fù)用。

同時(shí)，由于Java語言的開源性，使得越來越多的成熟的開發(fā)框架問世，比較著名的框架有：Struts、Spring、Hibernate。這些優(yōu)點(diǎn)使得開發(fā)更加便捷，提高了開發(fā)人員的工作效率。

1.3 系統(tǒng)服務(wù)器軟件

開發(fā)語言的選擇決定了服務(wù)器軟件的選擇，基于Java語言開發(fā)服務(wù)器軟件主要包括：Tomcat服務(wù)器、Resin服務(wù)器、JBoss服務(wù)器、WebSphere服務(wù)器、WebLogic服務(wù)器?？紤]到開發(fā)成本以及系統(tǒng)運(yùn)行所占的資源不大的特點(diǎn)，選擇了免費(fèi)開源的Tomcat服務(wù)器。

1.4 數(shù)據(jù)庫的選擇

目前流行的數(shù)據(jù)庫主要包括：甲骨文的Oracle、微軟的SQLServer、IBM的DB2以及瑞典 MySQL AB公司的MySQL。這些數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行效率和安全性各有特點(diǎn)。由于版權(quán)和開發(fā)成本的問題，系統(tǒng)采用了MySQL數(shù)據(jù)庫。MySQL是一種跨平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，可以在多種平臺(tái)部署。其客戶端/服務(wù)端的架構(gòu)的分布式管理模式完全滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的需求。MySQL中的SQL語言具有功能強(qiáng)、使用簡單、管理方便、運(yùn)行速度快、可靠性高的特點(diǎn)。同時(shí)，它具有免費(fèi)開源的特點(diǎn)，用戶可以自由地下載安裝和使用，并且可以無限制地應(yīng)用到商業(yè)軟件開發(fā)中。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由流體物性計(jì)算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、流體物質(zhì)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)校驗(yàn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫幫助系統(tǒng)五大模塊組成。各個(gè)模塊基于MVC模式開發(fā)，保證了系統(tǒng)的高內(nèi)聚、低耦合，為系統(tǒng)后期功能擴(kuò)展提供了條件。系統(tǒng)功能框架圖如圖1所示。

2.2 流體物質(zhì)數(shù)據(jù)庫

流體物性計(jì)算系統(tǒng)需要一些參數(shù)數(shù)據(jù)。為了減輕用戶查閱相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的工作量，系統(tǒng)提供了流體物質(zhì)數(shù)據(jù)庫，方便用戶隨時(shí)調(diào)用。目前流體數(shù)據(jù)庫包括了常見的500多種流體物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，如密度、分子式、摩爾體積、分子結(jié)構(gòu)、沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、臨界參數(shù)、偶極矩等幾十種性質(zhì)數(shù)據(jù)。流體物質(zhì)數(shù)據(jù)庫是整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)計(jì)算所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都來源于該數(shù)據(jù)庫。維護(hù)好、擴(kuò)展好數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)使用和發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。因此，開發(fā)人員開發(fā)了一套功能齊全的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，系統(tǒng)管理人員可以實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)定期備份數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)庫損壞所帶來的數(shù)據(jù)丟失[8]。

流體物質(zhì)數(shù)據(jù)庫開放了數(shù)據(jù)檢索接口，為用戶提供了流體物性數(shù)據(jù)檢索服務(wù)。系統(tǒng)檢索方式包括：關(guān)鍵字檢索、名稱檢索、CAS號(hào)檢索以及化學(xué)式檢索。用戶可根據(jù)需要，切換不同檢索方式。對(duì)于數(shù)據(jù)檢索結(jié)果頁面，系統(tǒng)提供了兩種顯示方式：概覽和細(xì)覽模式。概覽模式能顯示所查物質(zhì)的最常用的屬性；細(xì)覽模式能顯示所查物質(zhì)的所有屬性并顯示其他表中與其相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容。流體物質(zhì)數(shù)據(jù)庫還提供了數(shù)據(jù)下載和打印按鈕，方便用戶使用相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

為了合理有效地分配和維護(hù)流體物性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的資源，系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了超級(jí)管理員、普通管理員和會(huì)員3種角色。超級(jí)管理員可以分配普通管理員的相關(guān)操作權(quán)限，如流體物質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)維護(hù)的增加、刪除、更新的操作。而普通管理員可以根據(jù)不同的普通會(huì)員的需求，分配相關(guān)流體物性計(jì)算模塊以及數(shù)據(jù)檢索權(quán)限。以上這些操作，管理員可以在任意的計(jì)算機(jī)上登錄數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，而不必要遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器進(jìn)行管理。

2.4 流體物性計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.4.1 數(shù)據(jù)交互

系統(tǒng)提供了豐富的表單元素作為Web訪問接口[9]，如：文本框、多選框、單選按鈕、下拉框等。在TCP/IP和HTTP傳輸協(xié)議的支持下，通過點(diǎn)擊數(shù)據(jù)提交按鈕，即可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上，服務(wù)器經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)計(jì)算后，將數(shù)據(jù)以HTML形式反饋給用戶[10-11]。對(duì)于計(jì)算量較大的模塊，系統(tǒng)采用Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多線程異步技術(shù)，緩解了客戶端由于長時(shí)間等待計(jì)算結(jié)果而帶來的卡頓現(xiàn)象[12]。

系統(tǒng)集成了一套基于JavaScript腳本語言開發(fā)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K。該模塊會(huì)隨時(shí)監(jiān)控用戶輸入的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)有錯(cuò)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)提示給用戶。校驗(yàn)?zāi)K是針對(duì)客戶端的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，所以用戶提交數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)只是在本地進(jìn)行驗(yàn)證。這樣的設(shè)計(jì)不僅可以降低服務(wù)器負(fù)擔(dān)，還可以提高程序的運(yùn)行速度，節(jié)省了服務(wù)器的運(yùn)行資源。

2.4.2 實(shí)現(xiàn)的計(jì)算模塊

目前已完成的主要計(jì)算模塊有：氣液體臨界性質(zhì)計(jì)算、常壓/高壓下純氣體黏度計(jì)算、常壓/高壓下混合氣體黏度計(jì)算、常壓/高壓下純氣體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算、常壓/高壓下混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算。進(jìn)入模塊界面前，需要先登錄用戶界面(如圖2所示)，然后通過系統(tǒng)驗(yàn)證判斷是否有權(quán)限訪問。

圖2 登錄界面

該模塊編碼所需的公式全部來源于文獻(xiàn)，每種物性計(jì)算提供了兩種計(jì)算方式。由于模塊中的計(jì)算需要大量物性參數(shù)，因此模塊集成了一套參數(shù)智能回填系統(tǒng)。對(duì)于數(shù)據(jù)庫存在的流體物質(zhì)，用戶只需通過流體選擇界面點(diǎn)擊所要計(jì)算的物質(zhì)。當(dāng)選中物質(zhì)后，系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)自動(dòng)檢索所選物質(zhì)的物性參數(shù)(臨界參數(shù)、相對(duì)分子質(zhì)量、偶極矩、密度等)，檢索完畢后系統(tǒng)則會(huì)將物性數(shù)據(jù)填寫在對(duì)應(yīng)位置。針對(duì)某些物性數(shù)據(jù)計(jì)算需要基于基團(tuán)貢獻(xiàn)法，系統(tǒng)也收集了大量文獻(xiàn)中的基團(tuán)貢獻(xiàn)值，并且在相關(guān)的計(jì)算模塊中提供基團(tuán)貢獻(xiàn)值查詢界面，方便用戶使用。考慮到計(jì)算模塊操作的復(fù)雜性，系統(tǒng)在不同的計(jì)算模塊界面上提供了相關(guān)的計(jì)算幫助文檔，用戶可以參考文檔中相關(guān)的算例，正確地使用模塊計(jì)算。圖3是計(jì)算293 K、1 bar下，摩爾分?jǐn)?shù)為69.7%甲烷和30.3%正丁烷混合氣體的黏度，通過系統(tǒng)計(jì)算最后得出其黏度為97.987，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為3%。

圖3 常壓下混合氣體黏度計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

本文對(duì)基于Web的流體物性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的選擇、系統(tǒng)的架構(gòu)、資源權(quán)限的管理、數(shù)據(jù)交互、模塊功能實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，實(shí)現(xiàn)了流體物質(zhì)數(shù)據(jù)庫檢索、流體物性數(shù)據(jù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)下載等功能。該系統(tǒng)具有架構(gòu)合理、使用方便、檢索快捷等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于化工、冶金、能源等領(lǐng)域，為流程模擬和工藝生產(chǎn)條件優(yōu)化提供可靠的物性數(shù)據(jù)。服務(wù)器端采用Java+Tomcat+MySQL開發(fā)，既保證了系統(tǒng)的安全性，也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的跨平臺(tái)性[13]。

隨著研究工作的深入，基于Web的流體物性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能將得到充實(shí)完善。在不斷擴(kuò)充系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及物性計(jì)算模塊的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)流體模擬計(jì)算、文獻(xiàn)檢索、數(shù)據(jù)評(píng)估等功能，使其適應(yīng)廣大工程人員和研究人員的需求。

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Fluid properties database based on Web

Zhang Xin1, Li Rongxing1, Hou Yanqing2, Xie Gang1,3, Cui Yan3, Wang Jingjing1

(1.Faculty of Metallurgical and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093,China;2.State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Clean Utilization (Kunming University of Science and Technology), Kunming 650093, China; 3.Kunming Metallurgical Research Institute ,Kunming 650031,China)

The database based on web has the features of persistence, validity, sharing and so on. It has solved the management of physical data and estimation formula effectively. This paper analyzes the necessity of developing fluid properties database based on web and introduces choice of system integration environment, architecture of database system, management of resource permissions, data interaction, calculation module and so on. The establishment of this system not only has solved the shortcomings of the traditional method of acquiring fluid properties, but also has solved the defects such as poor portability, poor user experience, low data timeliness and incomplete data. It also provides a convenient and effective networking tool for engineering designers and researchers.

fluid properties calculation; database based on Web; fluids

國家自然科學(xué)基金(51374118)

TQ 015.9;O 6.39

A

1674-7720(2016)02-0011-03

章新，李榮興，侯彥青，等. 基于Web的流體物性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：11-13,16.

2015-08-25)

章新(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算冶金。

李榮興(1964-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：有色金屬方面的濕法冶金及冶金廢棄物綜合利用與回收。E-mail:lrxlyw@163.com。