基于Web的流體物性數據庫系統研究*

章 新，李榮興，侯彥青，謝 剛,，崔 焱，汪晶晶

(1.昆明理工大學 冶金與能源學院，云南 昆明 650093；2.省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室(昆明理工大學)，云南 昆明 650093;3.昆明冶金研究院，云南 昆明 650031)

基于Web的流體物性數據庫系統研究*

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 冶金與能源學院，云南 昆明 650093；2.省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室(昆明理工大學)，云南 昆明 650093;3.昆明冶金研究院，云南 昆明 650031)

Web數據庫具有持久性、有效性、共享性等特點，有效實現了物性數據和估算公式的管理。分析了開發基于Web的流體物性數據庫系統的必要性，對系統開發環境的選擇、系統架構、資源權限管理、數據交互、計算模塊實現等方面進行了詳細闡述。該系統的建立不僅解決了傳統方法獲取流體物性數據復雜、繁瑣等問題，而且還克服了傳統數據庫移植性差、用戶體驗性差、數據更新慢、數據不全面等缺點。為工程設計和研究人員提供了方便有效的應用工具。

流體物性計算；基于Web數據庫；流體

0 引言

流體物性數據是化工、冶金、能源等領域進行工程設計和研究時必不可少的基礎數據。目前獲取物性數據的方式主要包括實驗方法和物性估算方法[1-2]。在實際工作中由于受到條件限制，大部分工程技術人員往往借助物性估算方法來獲取數據。傳統手工計算物性數據具有復雜、繁瑣等缺點，顯然不能滿足人們的需求。隨著計算機技術的不斷發展，也相繼出現了一些基于單機版的流體物性數據庫。但是這些數據庫具有移植性差、用戶體驗性差、數據更新慢等缺點，為人所詬病。

傳統流體物性數據庫主要以表的形式顯示物性數據，其優點是能夠提供精確的數據。但是對于用戶獲取某些不同溫度和壓力下的物性數據的需求，卻不能得到很好的解決。用戶仍需利用復雜的計算公式進行計算，這種單一的機械化工作消耗了研究人員相當多的精力，降低了工作效率[3]。流體物性數據計算較為復雜，各種理論、半經驗、經驗公式各有特點，且當前沒有一種共通的方法計算所有物性數據的情況[4]，因此，建立一種物性數據和估算公式的管理的數據庫很有必要。

基于Web的流體物性數據庫整合了常用物質的物性數據，并將其存儲在數據庫中，作為計算系統的基礎數據。利用數據庫具有的持久性、有效性、共享性等特點，有效地實現了物性數據和估算公式的管理，解決了傳統流體數據庫數據更新慢、共享性差的缺點，為用戶計算提供了便利。

1 系統集成環境的選擇

選擇一種合適的系統集成環境，不僅能夠滿足軟件的業務和邏輯需求，而且還保證了系統的訪問效率和運行的安全性。本節將從系統服務運行的操作系統、開發語言、服務器軟件以及數據庫4個方面進行重點介紹。具體系統集成環境如表1所示。

1.1 系統運行的操作系統

目前主流的操作系統主要包括Windows和Linux。雖然Windows操作系統便捷的視窗界面深受PC用戶歡迎，但是其先天的內核設計，導致其漏洞較多。因此，對于大部分軟件開發機構，很少使用Windows系統作為軟件服務器系統。而Linux系統具有穩定的安全保護機制、高效的多任務、多用戶能力，且免費開源，因此選擇Linux系統作為系統運行的操作系統。

表1 系統集成環境

圖1 系統框架圖

1.2 開發語言

針對系統的業務和邏輯需求，選擇了Java作為系統開發的基本語言。相比其他開發語言，Java語言具有以下優點。

(1)跨平臺性：對于Java程序，不管是Windows平臺還是Linux平臺或者其他平臺，它都適用。Java編譯器把Java源程序編譯成與體系無關的字節碼指令，只要安裝了Java運行系統(JVM)，Java程序就可以在任意的處理器上執行[7]。

(2)安全性：Java適用于網絡分布式環境，適用Java可以構建防病毒、防篡改的系統。

(3)健壯性：Java語言開發初期，開發人員投入了大量的精力進行問題檢測、后期動態檢測，采用指針模型設計消除了重寫內存和損壞數據的可能性。

(4)便捷性：Java語言采用了面向對象開發模式，實現了代碼復用。

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

1.3 系統服務器軟件

開發語言的選擇決定了服務器軟件的選擇，基于Java語言開發服務器軟件主要包括：Tomcat服務器、Resin服務器、JBoss服務器、WebSphere服務器、WebLogic服務器。考慮到開發成本以及系統運行所占的資源不大的特點，選擇了免費開源的Tomcat服務器。

1.4 數據庫的選擇

目前流行的數據庫主要包括：甲骨文的Oracle、微軟的SQLServer、IBM的DB2以及瑞典 MySQL AB公司的MySQL。這些數據庫的運行效率和安全性各有特點。由于版權和開發成本的問題，系統采用了MySQL數據庫。MySQL是一種跨平臺數據庫，可以在多種平臺部署。其客戶端/服務端的架構的分布式管理模式完全滿足網絡運行的需求。MySQL中的SQL語言具有功能強、使用簡單、管理方便、運行速度快、可靠性高的特點。同時，它具有免費開源的特點，用戶可以自由地下載安裝和使用，并且可以無限制地應用到商業軟件開發中。

2 系統總體設計

2.1 系統結構

系統由流體物性計算系統、數據庫管理系統、流體物質數據庫、數據校驗系統、數據庫幫助系統五大模塊組成。各個模塊基于MVC模式開發，保證了系統的高內聚、低耦合，為系統后期功能擴展提供了條件。系統功能框架圖如圖1所示。

2.2 流體物質數據庫

流體物性計算系統需要一些參數數據。為了減輕用戶查閱相關參數數據的工作量，系統提供了流體物質數據庫，方便用戶隨時調用。目前流體數據庫包括了常見的500多種流體物質的物理化學性質，如密度、分子式、摩爾體積、分子結構、沸點、熔點、臨界參數、偶極矩等幾十種性質數據。流體物質數據庫是整個計算系統的核心部分，系統計算所用的基礎數據都來源于該數據庫。維護好、擴展好數據對整個系統使用和發展起到了至關重要的作用。因此，開發人員開發了一套功能齊全的數據庫管理系統。通過數據庫管理系統，系統管理人員可以實時地對數據進行維護。同時，系統也會定期備份數據庫中的數據，防止數據庫損壞所帶來的數據丟失[8]。

流體物質數據庫開放了數據檢索接口，為用戶提供了流體物性數據檢索服務。系統檢索方式包括：關鍵字檢索、名稱檢索、CAS號檢索以及化學式檢索。用戶可根據需要，切換不同檢索方式。對于數據檢索結果頁面，系統提供了兩種顯示方式：概覽和細覽模式。概覽模式能顯示所查物質的最常用的屬性；細覽模式能顯示所查物質的所有屬性并顯示其他表中與其相關聯的內容。流體物質數據庫還提供了數據下載和打印按鈕，方便用戶使用相關數據。

2.3 數據庫管理系統

為了合理有效地分配和維護流體物性數據庫系統的資源，系統集成了數據庫管理系統。該系統提供了超級管理員、普通管理員和會員3種角色。超級管理員可以分配普通管理員的相關操作權限，如流體物質數據庫數據維護的增加、刪除、更新的操作。而普通管理員可以根據不同的普通會員的需求，分配相關流體物性計算模塊以及數據檢索權限。以上這些操作，管理員可以在任意的計算機上登錄數據庫管理系統進行管理，而不必要遠程登錄服務器進行管理。

2.4 流體物性計算系統的實現

2.4.1 數據交互

系統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傳輸協議的支持下，通過點擊數據提交按鈕，即可將數據傳輸到服務器上，服務器經過一系列數據計算后，將數據以HTML形式反饋給用戶[10-11]。對于計算量較大的模塊，系統采用Ajax技術實現了多線程異步技術，緩解了客戶端由于長時間等待計算結果而帶來的卡頓現象[12]。

系統集成了一套基于JavaScript腳本語言開發的數據校驗模塊。該模塊會隨時監控用戶輸入的數據，如果數據有錯系統會及時提示給用戶。校驗模塊是針對客戶端的數據驗證，所以用戶提交數據時，數據只是在本地進行驗證。這樣的設計不僅可以降低服務器負擔，還可以提高程序的運行速度，節省了服務器的運行資源。

2.4.2 實現的計算模塊

目前已完成的主要計算模塊有：氣液體臨界性質計算、常壓/高壓下純氣體黏度計算、常壓/高壓下混合氣體黏度計算、常壓/高壓下純氣體導熱系數計算、常壓/高壓下混合氣體導熱系數計算。進入模塊界面前，需要先登錄用戶界面(如圖2所示)，然后通過系統驗證判斷是否有權限訪問。

圖2 登錄界面

該模塊編碼所需的公式全部來源于文獻，每種物性計算提供了兩種計算方式。由于模塊中的計算需要大量物性參數，因此模塊集成了一套參數智能回填系統。對于數據庫存在的流體物質，用戶只需通過流體選擇界面點擊所要計算的物質。當選中物質后，系統后臺會自動檢索所選物質的物性參數(臨界參數、相對分子質量、偶極矩、密度等)，檢索完畢后系統則會將物性數據填寫在對應位置。針對某些物性數據計算需要基于基團貢獻法，系統也收集了大量文獻中的基團貢獻值，并且在相關的計算模塊中提供基團貢獻值查詢界面，方便用戶使用?？紤]到計算模塊操作的復雜性，系統在不同的計算模塊界面上提供了相關的計算幫助文檔，用戶可以參考文檔中相關的算例，正確地使用模塊計算。圖3是計算293 K、1 bar下，摩爾分數為69.7%甲烷和30.3%正丁烷混合氣體的黏度，通過系統計算最后得出其黏度為97.987，與實驗數據誤差為3%。

圖3 常壓下混合氣體黏度計算結果

3 結論

本文對基于Web的流體物性數據庫系統開發環境的選擇、系統的架構、資源權限的管理、數據交互、模塊功能實現等方面進行了詳細的闡述，實現了流體物質數據庫檢索、流體物性數據計算以及數據下載等功能。該系統具有架構合理、使用方便、檢索快捷等優點，可廣泛應用于化工、冶金、能源等領域，為流程模擬和工藝生產條件優化提供可靠的物性數據。服務器端采用Java+Tomcat+MySQL開發，既保證了系統的安全性，也實現了系統的跨平臺性[13]。

隨著研究工作的深入，基于Web的流體物性數據庫系統功能將得到充實完善。在不斷擴充系統基礎數據以及物性計算模塊的基礎上，逐步實現流體模擬計算、文獻檢索、數據評估等功能，使其適應廣大工程人員和研究人員的需求。

[1] 吳江濤, 劉志剛, 張可，等. 基于 Web 的流體熱物性遠程計算系統研究[J]. 計算機與應用化學, 2004, 21(4): 529-532.

[2] 王小艷. 化工物性數據庫系統軟件開發[D].青島：青島科技大學,2012.

[3] 郝磊磊,方覺,王同賓，等. 冶金熱力學計算軟件的開發[J]. 河北聯合大學學報(自然科學版),2014,36(2):13-16.

[4] 張健, 陳丙珍. 基于面向對象的化工物性數據庫系統[J]. 計算機與應用化學, 1999, 16(4): 245-248.

[5] ASHOK S, BANSALB V K. JAVA: network-centric enterprise computing[J]. Computer Communications, 1998, 20(16):1467-1480.

[6] KORHONEN K, DONADINI F, RIISAGER P, et al. GEOMAGIA50: an archeointensity database with PHP and MySQL[J]. Geochemistry Geophysics Geosystems, 2008, 9(4):366-389.

[7] 羅時民.Java程序的國際化[J]. 中文信息, 2002(3):73-76.

[8] 李東風,謝昕. 數據庫安全技術研究與應用[J]. 計算機安全,2008(1):42-44.

[9] PATETOSRN L.HMTL4編程指南[M].徐征,馮文墉,等譯.杭州:浙江科學技術出版社,1998.

[10] 黃文力，馬禮，王玉超.嵌入Internet中TCP/IP協議棧的研究與設計[J].電腦開發與應用，2008, 21(1):46-49.

[11] 祝瑞,車敏. 基于HTTP協議的服務器程序分析[J]. 現代電子技術,2012(4):117-119，122.

[12] 劉波,周圣貢. 淺析asp.net應用程序中Ajax異步通訊層的架構[J]. 電腦知識與技術,2015(10):39-40.

[13] 吳小青. JSP+TOMCAT+MYSQL開源軟件整合配置初探——以揭陽職業技術學院圖書館網站服務器配置為例[J]. 齊齊哈爾大學學報(自然科學版),2012(4):66-69.

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的流體物性數據庫系統研究[J] .微型機與應用，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。