技术领域

本发明涉及网络资源平台的实现，特别涉及一种基于网络的流体物理与化学性质数 据资源平台的实现方法。

                            背景技术

流体物理与化学性质数据在能源化工、石油、航空航天、生物及医药等领域有着重 要和广泛的应用。在许多工程设计和研究领域，如制冷系统、换热器、石油天然气输送 及化工机械等的设计都离不开流体的物理与化学性质数据。在CFC系列制冷剂的替代研 究中，为了筛选出性能良好、更为节能与环保的替代物，需要有大量的制冷剂性质数据 作基础，特别是随着越来越多新工质的应用，流体的物理与化学性质数据的重要性日益 凸现。

随着科学研究的不断深入和发展，产生了许多新的研究领域和学科，这其中有许多 的研究需要相关的性质数据作基础，如纳米流体、生物热力学、生物传热学和纳米尺度 下的材料性质等。在生物技术研究中，生物热物性数据在生物热物理的研究和应用中非 常关键，因为在各类生物组织的热模型中，都包含有热导率、热扩散率、血液灌注率和 代谢率等最为基本的物理参数，它们是揭示生物材料的热传输能力和载热能力以及进一 步开展生物热物理研究的前提。现有的研究表明，在纳米尺度下，材料的性质与常规情 况下有非常大的差别，将纳米材料添加到流体中(纳米流体)，流体的性质会发生明显的 变化，目前已在许多场合开始尝试应用研究，因此纳米尺度下流体的性质和纳米流体的 物理与化学性质数据是需要首先要解决的问题。另外，在新型能源方面，如超临界水制 氢涉及到许多的多体系混合物，需要每一个组分以及由各个组分组成的二元，三元或者 多元混合物的性质；在航空航天领域中，液体燃料的各种物理与化学性质数据就不可缺 少的。可以认为，流体的物理与化学性质数据是许多领域进行创新性研究必不可少的基 础。

经过研究人员长期的实验研究，目前积累了大量流体的物理与化学性质实验数据包 括流体的热力学性质、相平衡数据、临界特性参数和输运系数等，并在实验数据的基础 上总结了大量的经验、半经验公式和图表，以供实际工程使用。在过去，最常用的办法 就是通过图表查询或公式计算来获取流体的物性参数既繁琐又耗费时间，同时还要求具 备一定的专业知识，对一般的工程技术人员提出了较高的要求。信息化技术的发展，为 流体的物理与化学性质数据库系统的开发、共享提供了一条新的途径。

许多发达国家已经或正在开发流体物性数据库系统，目前最著名的流体物性数据库 系统是由NIST(美国国家标准与技术研究院)研究开发的Industrial Fluids and Chemical Engineering物性数据库系统，由多个子系统组成，并且在单机和网络环境中 都实现了基本功能。其中Thermophysical Properties of Fluid系统还初步实现了网络 版的热物性计算。德国的DETHERM热物性数据库系统，目前包含有21000种纯质和101000 种混合物的信息(注：06年1月数据)，既可以在单机上进行查询也可以通过Internet 查询。在美国化学工程师协会(the American Institute of Chemical Engineers)的 DIPPR(the Design Institute for Physical Property Data)计划支持下，许多的研究机构和大学 也正在建立基于Web的物性数据库。然而，这些数据库基本上局限于实验或计算数据的 查询，缺少分子模拟、理论推算和计算的功能，而且使用费非常昂贵，以DETHERM数据 库系统为例，其网络查询的数据以查询的记录数量进行收费，每条记录费用为$14.23。另 外，到目前为止，我国还没有一个完整、功能强大的或者说是真正意义上的流体物理与 化学性质数据库系统，更没有基于Web的流体物理与化学性质数据库系统。因此，作为 一种完全自主的资源平台实现方法，本发明有具有自主的创新性。

                                发明内容

本发明的目的在于，提出一种流体物理与化学性质数据资源平台的实现方法，该方 法将流体物理与化学性质的数据和资源进行整合，运用计算机技术和网络技术，将流体 物理与化学性质数据资源通过网络系统以B/S的方式实现共享。

为了实现上述任务，本发明提出如下的技术解决方案：

一种基于网络的流体物理与化学性质数据资源平台的实现方法，其特征在于，该方 法包括：

1)对流体物性数据的获取方法进行分类，按照数据的来源和获取方式不同，分为物 性计算数据、分子模拟数据、物性估算数据、物性查询数据，并经过整理评价建立模块， 存入网格系统中的数据库服务器上，使其成为数据资源平台的一部分；

2)将构成上述各类数据的网络物性推算方式、流体物理与化学性质数据查询方式、 流体物理与化学性质数据计算方式和流体热物性测试实验系统制成一系列适于网络的物 性程序，分布于网格节点内，经过网络程序接口的实现，通过Web页面为用户提供交互 式的物性数据获取方式；

3)流体物理与化学性质数据资源平台以CGI的方式或Servlet+Socket+Applet方式 实现计算数据和Web服务器之间的通讯，通过网络系统以B/S的方式实现共享。

本发明实现网络版的分子模拟。分子模拟，又称“计算机实验”，作为与实验科学、 理论科学并列的自然科学的第三分支。由于分子模拟对计算资源有较高的要求，需运行 在集群系统或超级计算机等高性能计算系统上。将以高性能计算资源为依托的分子模拟 网络化，成为大众化的模拟工具，方便获取流体物性模拟数据。具有巨大的社会价值和 商业价值。本发明通过Servlet+Socket+Applet接口为用户提供分子模拟数据。用户在表 单内提交要模拟的信息参数，可获取动态的模拟结果。

本发明实现网络版的物性估算。实验数据的获取特别是对精度较高的实验数据通常 需要较高代价且耗费时间。利用有实验数据的类似物质，按照其各基团对性质的贡献， 对新物质的各种物理与化学性质进行推算和预测，从而获取新物质的物性是相当经济。 特别是这种估算的网络实现则为广大用户提供一种简单的数据获取方式。本发明将估算 方法开发成一系列适于网络的估算程序，将程序分布于网格节点内，通过CGI接口同浏 览器建立联系。实现B/S查询方式。

本发明针对流体物理与化学性质数据实现数据查询，满足广大科技工作者和工程人 员对流体物理与化学性质数据的要求。

本发明针对流体物理与化学性质数据实现网络版的物性计算，相对于实验数据来说， 可通过计算公式得到连续点的数据。计算公式通过大量的实验数据筛选之后，拟合得到 有较高精度的计算公式。可满足科研人员的需要。

将流体热物性测试实验系统通过Internet与资源平台内的四个模块连在一起，作为 本数据资源平台的一部分，实现实验数据的动态发布，实验参数的拟合及动态加载，满 足对数据实时性的要求。随着流体热物性测试实验系统远程测量的实现，此实现方式必 然具有越来越重要的实际意义。

                            附图说明

图1项目总体构成示意图；

图2流体物理与化学性质数据资源平台结构图；

图3湿空气CGI实现计算结果；

图4servlet+socket+applet接口结构；

图5物性计算结构图；

图6常用化合物性质计算提交页面；

图7常用化合物性质计算计算结果；

图8分子模拟动态显示结构图；

图9分子模拟提交页面-rcut；

图10分子模拟运行结果-rcut(1)；

图11分子模拟运行结果-rcut(2)；

图12物性估算结构图；

图13物性估算提交页面-joback法；

图14物性估算结果-joback法；

图15物性查询结构图；

图16流体物性查询提交页面—临界参数性质；

图17流体物性查询结果—临界参数性质

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

                            具体实施方式

根据数据来源和获取方式的不同，本发明平台分为四个模块，分别是：物性计算模 块、分子模拟模块、物性估算模块、物性查询模块。总体目标是在对流体热物性数据进 行研究、对物性资源加以整合的基础上，利用Internet等网络资源，结合网络计算技术、 并行计算技术、数据库技术等计算机技术，采用C、C++、Java等程序开发语言，将常 用流体的物理与化学性质数据资源网络化，实现物性数据计算、分子动力学模拟、物性 数据估算和物性数据查询功能，为科学研究和工程应用提供及时、全面、多角度的物性 数据。

本发明平台的总体结构如图1，四个模块通过Internet为用户共享。四个模块的数据 资源来源除了现有的大量资源外，还有接入Internet的流体热物性测试实验系统。图2 显示了整个资源平台的网络结构，表示了流体热物性测试实验系统在整个资源平台中的 位置。

已经实现的四个功能模块体现了对四种物性数据来源的分类，即物性计算数据、分 子模拟数据、物性估算数据和物性查询数据。

物性查询模块，用于对现有流体物理与化学性质数据进行分类整理，存入分布于如 ChinaGrid等网格节点中的数据库服务器里，通过Web页面为用户提供便捷的查询方式， 主要为用户提供流体物理与化学性质实验数据；本模块提供的数据是通过大量实验而取 得，数据可信度高。

物性计算模块，利用现有各种流体物性的计算方程，开发一系列的物性计算程序， 布置在网格中的计算服务器上，通过交互式的Web页面为用户提供计算数据。

本部分提供的数据精度可以达到较高的精度，可满足对数据精度要求较高的科研人 员的需要，当然也适合一般工程技术人员。本模块包括运行在网络节点上的计算服务器、 Web服务器和浏览器，它们之间通过Internet进行连接，根据数据对显示方式要求的不 同，研究开发了两种不同的方式来实现计算数据和Web服务器之间的通讯；一种是CGI 的方式，另外一种是Servlet+Socket+Applet方式。

物性估算模块，利用有实验数据的类似物质，按照其各基团对性质的贡献，对新物 质的各种物理与化学性质进行推算和预测。将估算方法开发成适合网络的程序，布置在 网格中的计算服务器上，通过交互式的Web页面为用户提供估算数据。这主要为无实验 数据的流体，提供各种物理与化学性质的估算值。

分子模拟模块，它包括运行在网络中的机群上的分子动力学模拟并行算法程序、 Socket服务程序、Web服务器和Web浏览器，它们之间通过Internet连接；用于对流体 的各种物理与化学性质进行模拟，主要为无实验数据的流体提供各种物理与化学性质的 模拟值。特别地，模拟现实环境所不能达到或需要很大代价才能达到的条件(如高温高 压，地球外空间环境等)，提供珍贵的参考数据。

针对分子模拟，又称“计算机实验”，作为与实验科学、理论科学并列的自然科学的 第三分支。由于分子模拟对计算资源有较高的要求，需运行在集群系统或超级计算机等 高性能计算系统上。将以高性能计算资源为依托的分子模拟网络化，成为大众化的模拟 工具，方便获取流体物性模拟数据。具有巨大的社会价值和商业价值。本发明通过 Servlet+Socket+Applet接口为用户提供分子模拟数据。用户在表单内提交要模拟的信息 参数，可获取动态的模拟结果。

针对物性估算，实验数据的获取特别是对精度较高的实验数据通常需要较高代价且 耗费时间。利用有实验数据的类似物质，按照其各基团对性质的贡献，对新物质的各种 物理与化学性质进行推算和预测，从而获取新物质的物性是相当经济。特别是这种估算 的网络实现则为广大用户提供一种简单的数据获取方式。本发明将估算方法开发成一系 列适于网络的估算程序，将程序分布于网格节点内，通过CGI接口同浏览器建立联系。 实现B/S查询方式。

针对物性查询和物性计算。物性查询数据直接来自实验，因而具有较高可靠性。经 过长期的研究积累，实验数据的数据量已相当巨大；随着实验测量方法和测量手段的更 新、测量自动化程度增加，测量周期在减小，数据将以更快的速度在不停地增长，同时 数据精度也在逐步提高。对这些数据进行集中分类整理，分布于如ChinaGrid等网格节 点中的数据库服务器里，采用多层C/S结构实现网络查询。这样能大大缩短用户获取数 据的时间，提高所获取的数据的质量。目前已有的绝大多数数据库系统基本都以数据查 询作为主要部分。

在本数据资源平台的框架下，各个部分的数据还会不断得到补充完善。

四个模块的物性数据具有各自不同的特点，模块间程序差别较大。从网络实现上来 看，要求简单方便。用户提交所需的参数信息之后，即可获取所需要的物性数据。因此， 程序接口的设计需考虑到各个程序间的差异性。保证接口良好的通用性、可扩展性。基 于上述要求，本发明实现了两种接口，一种是CGI方式；另一种是Servlet+Socket+Applet 方式。

CGI即Common Gateway Interface(通用网关接口)，它是Web服务器调用外部程序 的接口。通过这个公共网关界面，服务器可以向CGI程序发送信息，CGI程序也可以向 服务器回送信息。可以使用C Shell、Perl、C、C++、FORTRAN和数据库语言等任何能 够形成可执行程序的语言编写CGI程序。

C/C++语言具有运行速度快的特点，特别适合做数值计算。

同C++语言编写CGI程序与普通可执行程序的区别主要在于与Web服务器间交换 数据的标准输入和标准输出的编程；与Web服务器间交换数据的标准输入和标准输出的 实现也形成了与浏览器之间的通讯，为物性数据的网络化实现提供了一种实现方式。具 体输入方式实现：分为GET和POST两种，GET方式可传输的参数小于2K字节。Post 可以传输较大的数据量。本发明实现的CGI接口同时考虑了GET和POST两种输入方 式。

　　 char*info＝getenv(″QUERY_STRING″)；//GET输入 　　 if(！info)//如果不是GET方式，则POST方式输入 　　 { 　　 char tmpChar[300]； 　　 cin＞＞tmpChar；//POST方式输入 　　 info＝tmpChar； 　　 } 　　CGI输出方式的实现：以HTML的格式输出到客户端，如： 　　 …… 　　 cout＜＜”＜html＞”＜＜endl； 　　　　 cout＜＜”＜head＞”＜＜endl； 　　 cout＜＜”＜title＞流体物理与化学性质数据资源平台-CGI输出举例 　　＜/title＞”＜＜endl； 　　 cout＜＜”＜/head＞”＜＜endl； 　　 cout＜＜”＜body＞”＜＜endl； 　　 cout＜＜”水的标准沸点为：”＜＜Tb＜＜endl；//Tb为计算过程返回的数据。 　　　 cout＜＜”＜/body＞”＜＜endl； 　　 cout＜＜”＜/html＞”＜＜endl； 　　 ……

利用C/C++开发的CGI程序不会影响到物性计算本身，同时将程序得到的物性数据， 以HTML的格式输出，在用户浏览器下显示。图3为物性计算模块内CGI实现的湿空 气物性计算结果。

CGI程序带来的输入输出并不影响程序本身，同时能实现与Web服务器的通讯。因 而有较好的通用性，本发明实现的四个模块中，物性计算、物性估算均有用到此接口。

已实现的另外一种接口Servlet+Socket+Applet方式，是基于JAVA技术，主要涉及 到其中的Servlet机制、Socket通讯、图形显示等。接口结构见图4，Web服务器将客户 端、网格节点内物性数据计算服务器通过Internet连起来。Applet运行在浏览器下，参 数的传递、数据的接收和显示。Applet对数据的处理能力较强，可以实现图形图像的显 示、动态过程、三维动画等，满足多种数据、多种形式的显示要求。

Socket是一种通讯的通道，通过它可以将数据通过特定的端中发送及接收，分两种 实现方式，无连接的UDP和面向连接的TCP。本接口所采用的是面向连接的TCP方式， 以保证数据的可靠传输。本接口分Socket服务程序和Socket客户端程序。Socket服务程 序运行于节点内的数据服务器端，负责监听来自客户端Socket发出的计算请求，同时根 据请求调用相应的物性程序，将计算结果发送到客户端Socket。

监听部分实现算法：

while(true)

{

    socket＝serverSocket.accept()；//serverSocket为服务Socket

    输出信息：“接受一个socket连接”

    //将socket带入并启动计算线程。

    Thread work＝new Thread(socket)；

    work.start()；

}

调用计算程序部分实现算法：

对所调用的程序只有一个要求，即只需是可执行程序，这样使得接口的适用面更广。 这样一些用旧程序语言实现的有价值的程序就不会因为其程序在不断更新的计算机技术 下失去其价值。其算法具体实现为：

    ……

    command＝getCommand()；//获得命令参数

    Process p＝runtime.exec(command)；//执行调用命令，返回对调用过程的控制

    p.getInputStream()；//获得计算输出

    ……

    将计算输出发送到客户端Socket

    ……

出于Java的安全性设置，Applet不能同运行于本机以外的计算机上的Socket进行通 讯。本接口设计一个运行运行在Web服务器端的Servlet，承载着一个客户端Socket，作 为中间桥梁，将数据服务器上的Socket和Web服务器上的Socket连起来；负责把客户 端的转送到数据服务器端，把服务器端信息转送到客户端。

与CGI相比，Servlet+Socket+Applet方式结构比较复杂，但通用型更好，对数据显 示的处理能力更强。在本发明中的物性计算、分子模拟模块中都有应用。

下面对本平台下四个模块的具体功能实现方式分别予以阐述。

1.物性计算模块

本模块为一些常用工质(包含常用制冷剂、水、空气、简单气体、湿空气、燃气等) 的物理与化学性质(如PVT性质、焓、熵、热容、临界参数、粘度、导热系数等)计算 方程编写了相应的计算程序，物性计算程序作为科学计算的具体应用，其特点是多迭代， 用到大量的数学库函数；同时，结合网络计算的特点，实现与网络接口的通信。将计算 程序布置在分布于如ChinaGrid等网格节点中的计算服务器上，通过Web服务器，为用 户提供物性计算服务。用户可以在浏览器下给出所需计算的物质和相应的计算参数，提 交给计算服务器，计算服务器根据用户的输入参数进行计算，将计算结果以Web页面的 形式返回给用户，实现网络化的物性计算功能。

本模块运行在UNIX系统环境下，计算程序使用C/C++的标准函数库，根据数据的 特点和显示需要分别以CGI接口和Servlet+Socket+Applet接口实现，具有较好的通用性， 可以方便地移植到其他操作系统下。包括运行在网络节点上的计算服务器、Web服务器 和Web浏览器，Web服务器通过Internet将Web浏览器和计算服务器连接起来。图5表 示了物性计算的实现过程：用户在浏览器下将计算请求和参数信息发送到Web服务器， Web服务器接受请求，选择较空闲节点，向运行在网格节点上的计算服务器发送计算请 求，计算服务程序完成计算，向Web服务器返回计算数据，Web服务器对来自计算服务 器的计算数据进行处理，在浏览器上显示。

图6、图7以物性计算模块内的常用化合物性质显示了物性计算的查询页面和结果显 示页面。

2.分子模拟模块

本模块主要为无实验数据的流体提供各种物理与化学性质的模拟数据。在提供原子 组成、分子结构、分子量和化学键等物质基本信息基础上，采用分子动力学和Monte Carlo 模拟方法，结合量子力学的ab inito算法，在如机群系统和超级计算机等高性能计算环境 下实现。

本平台已实现了具备初步功能的基于网络的五种分子动力学并行算法，分别为： Pairware法分子动态模拟、CGC法分子动态模拟、R-CUT法分子动态模拟、Verlet法分 子动态模拟、Linkcell法。并行算法目前运行在IBM RS6000工作站集群下。算法程序用 C/C++语言开发。

本模块包括运行在机群工作站环境下的分子动力学模拟算法程序、Web服务器和 Web浏览器，Web服务器通过Internet将Web浏览器和机群工作站连接起来。采用 Servlet+Socket+Applet接口实现网络化。图8表示了基于网络的分子模拟的实现过程： 用户在浏览器下将原子组成、分子结构、分子量和化学键等物质基本信息发送到Web服 务器，Web服务器接受请求，处理参数，发出调用分子模拟请求。在机群工作站上的Socket 服务程序监听到来自Web服务器的请求，处理请求并开始分子模拟的进程，模拟过程中 根据用户提交的显示时间间隔动态返回模拟数据，模拟数据通过Web服务器进行处理， 在浏览器端的Applet中以数字、图形的形式显示给用户。

图9、图10、图11以rcut的分子模拟动态显示为例显示了分子模拟的参数提交和模拟 结果显示。

3.物性估算模块

本模块是在已知某些物质性质数据的情况下，利用有实验数据的类似物质，按照其 各基团对性质的贡献，对新物质的各种物理与化学性质进行推算和预测。估算方法的程 序使用C/C++开发，以CGI接口方式实现。用户根据要查询的物质的性质，输入相应的 基团信息。包括运行在网络节点上的计算服务器、Web服务器和Web浏览器，Web服务 器通过Internet将Web浏览器和计算服务器连接起来。图12表示了物性估算的实现过程： 用户在浏览器下将要模拟的基团信息发送到Web服务器，Web服务器接受请求，选择较 空闲节点，向运行在网格节点上的服务器发送估算请求，计算服务程序完成计算，向 Web服务器返回计算数据，Web服务器对来自计算服务器的计算数据进行处理，在浏览 器上显示。

图13、图14以joback物性估算为例显示了物性估算的查询页面和结果显示页面。

4.物性查询模块

本模块是将长期实验积累得到的大量原始数据进行收集评价，加以分类之后，以数 据库的形式集中存储和管理。包括Web浏览器，Web服务器和数据库服务器。采用JDBC 接口对数据进行查询。图15表示了物性查询的实现过程：查询以Web页面所提交的查 询信息为起点，通过网络向Web服务器发送查询请求；Web服务器根据网络中空闲程度 将查询任务分配给数据库服务器；数据库服务器将运行的结果通过Web服务器返回给用 户，在Web浏览器中显示出来。