基于Android 的供熱管網水力平衡調節系統的研究與實現?

劉文英 于明曉 李 萍

（中國石油大學計算機與通信工程學院 青島 266580）

1 引言

供暖系統是一個復雜的流體網絡系統，其理想水力狀況是各管段中的熱水流量應當與該管段的用戶熱負荷相一致，但是由于受多種因素的影響，供熱的管網中某些管段的實際流量與設計流量的不一致，稱為水利失調［1］。熱水流量在管網中各管線中的分配取決于網絡中各部分的阻力情況［2］，而各管段中熱水的流量大小又直接決定了該管段供暖熱負荷的大小，當實際流量比所需流量大時，室內溫度會偏高，反之，則會偏低。

隨著移動通信技術的迅猛發展，手機已成為現代人們工作生活中必不可少的工具。Android 平臺憑借其開放性，迅速發展成為主流的智能手機應用系統。相比于其它系統來說，Android 平臺給開發商提供了一個非常自由的環境，具有更大的活力［3］。為改善某熱力公司的供熱質量，減輕供熱管網調節人員勞動負擔，研究并設計基于Android 平臺［4～5］的供熱管網水力平衡調節系統具有重要現實意義。設計的關鍵是建立供暖管網水力狀況分析計算模型，該模型以流體力學及流體網絡理論為基礎，借助數值求解方法，來分析目前供暖網絡的水力狀況。如果目前的管網水力狀況失調，則通過模型分析計算得出供熱管網參數［6］的調節量，從而指導制定如何糾正失衡狀況的管網調整方案，為管網的水力狀況調整提供理論依據。

2 熱網水力平衡調節研究

2.1 熱網水力特性調節

熱網水力特性調節子系統中“溫度調節法”所涉及模型的實現是熱網水力平衡調節的關鍵，中間變量計算分別由式（1）～（4）計算得出。

式中：nqpsrl 為暖氣片散熱量；lths_temp 為樓頭回水溫度；ltjs_temp為樓頭進水溫度；snhj_temp為室內環境溫度；nqpmj為暖氣片面積；α為暖氣片傳熱系數；mbsrl 為目標散熱量；mbsn_temp 為目標室內環境溫度；swtq_temp為室外天氣溫度；rsll為熱水流量。

最終變量計算分別由式（5）～（8）計算給出：

式中：mbhs_temp 為目標會水溫度；mbsrl 為目標散熱量；nqpmj 為暖氣片面積；α為暖氣片傳熱系數；mbsn_temp為目標室內環境溫度；ltjs_temp為樓頭進水溫度；wdtzl為溫度調整量；mbhs_temp為目標會水溫度；lths_temp 為樓頭回水溫度；mbrsll為目標熱水流量；mbsrl 為目標散熱量；lltzl 為流量調整量；rsll為熱水流量。

2.2 熱網熱負荷預測

根據計算方式的不同，熱網熱負荷預測可以分為“比值法”熱負荷預測和“面積法”熱負荷預測。

1）“比值法”熱負荷預測計算由式（9）給出。輸入包括天氣情況、天氣修正系數、風力情況、風力修正系數、當前室外溫度和目標室內溫度。

式中：Q 為熱負荷；JZ_Q 為基準熱負荷；mbhs_temp為目標會水溫度；dqsw_temp 為當前室外溫度；α 為天氣修正系數；β為風力修正系數；sn_temp 為室內溫度；sw_temp為室外溫度。

2）“面積法”熱負荷預測計算由式（10）給出。輸入包括總熱負荷原始數據、目標室內溫度、當前室外溫度、室內溫度和室外溫度。

式中：Q 為熱負荷；Z_Q 為總熱負荷；mbsn_temp 為目標室內溫度；dqsw_temp為當前室外溫度；sn_temp為室內溫度；sw_temp為室外溫度。

2.3 新增熱網水力特性預測

新增熱網水力特性預測涉及“熱水質量流量”、“最小管徑”和“比摩阻”三個熱網重要參數。“熱水質量流量”由供熱負荷、熱水比熱容、熱水入口溫度和熱水回水溫度等數據計算得出，按式（11）計算；“最小管徑”由公比摩阻、管內流體密度、質量流量和粗糙度等數據計算得出，按式（12）計算；“比摩阻”由管徑大小、管內流體密度、熱水質量流量和粗糙度等數據計算得出，按式（13）計算。

式中：rszlll 為熱水質量流量；Q 為供熱負荷；c 為熱水比熱容；rsrs_temp 為熱水入水溫度；rshs_temp 為熱水回水溫度。

式中：Dm 為最小管徑；rszlll 為熱水質量流量；Ra 為粗糙度；Rm為比摩阻；ρ為管內流體密度。

式中：Rm 為比摩阻；rszlll 為熱水質量流量；Ra 為粗糙度；ρ為管內流體密度；D為管徑大小。

3 系統設計與實現

根據現實供熱需求，完成熱用戶工況信息管理、熱網水力特性調節、熱網熱負荷預測、新增熱網水力特性預測及系統管理等功能［7］。

3.1 系統設計

1）系統用例設計

供熱管網水力平衡調節系統的主要用例有登錄系統、注銷登錄、發送郵件、管理工況信息、調節水力特性、獲取指導方案、預測熱負荷、預測新增熱網水力特性、管理系統、管理個人信息等。根據提煉出的用例繪制系統用例圖［8］，系統用例圖如圖1所示。

圖1 系統用例圖

2）數據庫設計

數據庫設計需要提高數據庫的一致性和可維護性，避免出現冗余信息，減少軟件訪問數據庫的難度，提高數據庫訪問效率。基于Android 平臺供熱管網水力平衡調節系統的數據庫組成包括客戶端數據庫和服務器端數據庫兩部分。客戶端使用SQLite 數據庫［9］，設計工具為SQLite Expert；服務器端使用SQL Server數據庫［10］，設計工具為SQL Server Management Studio。

系統客戶端數據庫主要包括水力特性表、中間結果表和工況信息表。工況信息表用于存儲熱用戶實時工況信息數據，包括各小區的樓頭回水溫度、樓頭進水溫度、室內環境溫度、目標室內溫度、室外天氣溫度和暖氣片面積等；中間結果表用于存儲通過“溫度調節法”計算模型，在對熱用戶工況信息進行計算時得到的中間結果，包括暖氣片散熱量、暖氣片散熱系數、目標散熱量和熱水流量；水力特性表用于存儲系統通過“溫度調節法”計算模型，計算得到的各小區供熱管網水力特性參數值，包括小區名稱、目標回水溫度、溫度調整量、目標熱水流量和流量調整量。

3.2 系統實現

3.2.1 系統服務器端實現

系統服務器端工程主要包括三個部分：服務器端數據庫操作部分、服務器端與客戶端通信部分以及服務器端與客戶端的公共消息類。upc.edu.ClientCommon 包中存放了三個消息的實體類，包括用戶類、消息類和消息類型類，用于服務器與客戶端通信時傳遞客戶端要求或發送的消息［11］。

1）服務器數據庫操作

供熱管網水力平衡調節系統服務器端數據庫操作部分放置在工程的bishe.tempcontrol.server.dao包中，包中共有三個數據庫操作類：DBUtil.java、MessageDao.java 和UserDao.java。服務器端使用SQL Server數據庫，DBUtil.java 類是數據庫連接類，使用了jdbc 的連接方式［12］。MessageDao.java 類和UserDao.java 類中放置了所有要對用戶消息表和用戶表進行的操作函數。

2）服務器與客戶端通信

供熱管網水力平衡調節系統服務器端與客戶端之間使用Socket進行通信［13～14］。使用Socket通信時需要引入java.net 包中的兩個類Socket 類和ServerSocket 類［15］。Socket 通信過程如下［16］：首先創建一個SocketServer 的類作為服務端，該服務端使用了多線程機制，可以在特定端口處監聽多個客戶請求，一旦有客戶請求，SocketServer 會創建一個服務來服務新來的客戶，而自己則繼續進行監聽。創建SocketServer 類對象時需要為服務端設置端口號，本項目中端口號設為5050。Socket 實例對象由SocketServer對象調用accept（）函數生成。accept（）是一個阻塞性方法，所謂阻塞性方法就是該方法被調用后將等待客戶的請求，直到有一個客戶啟動并請求連接到相同的端口，然后accept（）返回一個對應于客戶的Socket。這時，服務器端和客戶端都建立了用于通信的Socket，接下來就是由各個Socket分別調用getInputStream（）函數和getOutputStream（）函數打開各自的輸入、輸出流，然后進行數據通信。

3.2.2 系統實現

基于Android的供熱管網水力平衡調節客戶端采用三層架構的思想，整個系統框架分為表現層、業務邏輯層和數據訪問層三個部分。其中數據訪問層封裝了項目中所有對SQLite 數據庫操作方法的實現，并提供了一個接口，業務邏輯層通過該接口來進行對客戶端數據庫的操作。當需要對數據庫操作部分進行修改時，只需要將封裝的類進行修改，無需改動其他代碼。

工況信息管理設計了隨時間變化曲線形式，直觀顯示“樓頭回水溫度”、“樓頭進水溫度”和“室外天氣溫度”等參數的隨時間的變化，如圖2所示。

熱網水力特性調節通過“溫度調節法”計算模型計算生成，根據供熱單位的級別不同，系統能夠生成三級指導方案，指導方案包括兩部分：1）溫度、流量參數柱狀圖；2）各級別具體的調節方案，如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 參數變化曲線圖

圖3 一級單位水力調節指導方案界面

圖4 二級單位水力調節指導方案界面

圖5 三級單位水力調節指導方案界面

4 結語

論文針對供熱管網水力平衡調節展開研究，設計并實現了基于Android 的水力平衡調節系統，實現了供熱管網的水力工況分析計算模型，可以對供熱管網現狀進行分析診斷，依據“溫度調節法”計算模型對應不同級別的供熱單位生成各自的水力調節指導方案，該成果應用于某大型供暖企業，效果良好，證明了該系統的科學性、有效性。