蒙小龍，黃 俊，劉志勤，張 勇，王耀彬

(1.西南科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川綿陽 621010;2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000)

0 引言

航空航天技術(shù)不斷發(fā)展得益于動力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是燃氣輪機、噴氣式發(fā)動機、火箭發(fā)動機、超燃燒沖壓發(fā)動機等技術(shù)演進，工程熱動力是該演進過程的關(guān)鍵。CEA程序由NASA研究開發(fā)，用于熱力學(xué)、物理化學(xué)反應(yīng)的計算與分析，如對固體推進劑組合能量特性分析，新型氧化劑的熱化學(xué)性能計算［13］。CEA程序一方面是其計算結(jié)果成為了相關(guān)航空航天研究人員的標(biāo)準(zhǔn)參照;另一方面逐步成為了一些涉及熱力學(xué)與化學(xué)平衡計算仿真平臺 (如，飛行器動力仿真系統(tǒng)［4］)的編程基礎(chǔ)庫。

現(xiàn)有的CEA程序需要下載安裝到桌面電腦，極大地限制了使用環(huán)境，并且在較新的操作系統(tǒng)中兼容性不佳。運用于工程計算時，通常需要進行二次開發(fā)［5］，然而該程序沒有提供標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口 (Application Programming Interface，API)，為開發(fā)人員增加了難度。

基于上述問題，本文提出采用基于Web技術(shù)實現(xiàn)CEA桌面程序的二次開發(fā)，提高了程序的便攜性，為涉及化學(xué)平衡問題的研究者提供開放便利的計算平臺。并且為相關(guān)開發(fā)人員提供了API，減少了二次開發(fā)的工作量。

1 CEA化學(xué)平衡計算程序

在NASA CEA程序官網(wǎng)可以獲得相應(yīng)的程序包，以及兩份程序手冊［6-7］。提供了在 Windows、Mac OS X、Linux、Sun/Solaris、Sgi/Iris系統(tǒng)下的程序包，覆蓋了目前主流桌面操作系統(tǒng)。第一份手冊是詳細介紹復(fù)雜化學(xué)平衡的數(shù)學(xué)分析和技術(shù)，包括計算指定熱力學(xué)狀態(tài)的化學(xué)平衡、平衡流和凍結(jié)流的火箭能量理論性能，以及入射和反射激波的性質(zhì)以及爆轟性質(zhì)等［8］。第二份是用戶手冊，介紹了程序的詳細使用方式。

CEA中的化學(xué)平衡計算代碼包含1個主程序、24個子程序以及5個入口，可以將它們分成8個不同的模塊［5］。如圖1所示，分別是2個數(shù)據(jù)前處理模塊，1個程序輸入模塊，1個主程序模塊，3個計算模塊，1個輸出模塊。

圖1 NASA－CEA代碼的8個模塊

以Windows程序包為例，官網(wǎng)提供了3個壓縮包，其中CEA+Fortran.zip包含CEA算法程序的Fortran源碼文件，CEAexec－win.zip包含CEA程序的算法可執(zhí)行文件和所需的數(shù)據(jù)文件，CEAgui－jar.zip為CEA用戶界面包。將后面兩者解壓放到同一個文件夾，運行.bat腳本便能執(zhí)行CEA圖形程序。整個程序運行過程中涉及到的文件如表1所示。通過分析，原始文件中除去“trans.lib”、 “thermo.lib”、“FCEA2.exe”，其余都是為配置中間生成的問題文件“*.inp”服務(wù)，將文件“* .inp”作為核心算法程序“FCEA2.exe”的輸入便可得到結(jié)果輸出文件“*.out”。

表1 官方windows版本壓縮文件及作用

2 基于Java Web的程序移植

由于“CEAgui.jar”只是用于配置問題參數(shù)客戶端界面，因此也可以開發(fā)不同的界面程序，來對配置問題輸入文件，再調(diào)用核心算法程序得到結(jié)果。考慮到跨平臺的各類終端使用，確立使Java Servlet技術(shù)來開發(fā)基于Web的應(yīng)用程序。

2.1 移植可行性分析

程序的移植的方法主要有源代碼移植和二進制移植兩種方法，源代碼移植通過修改環(huán)境相關(guān)的部分源代碼，可使程序適應(yīng)多種工作環(huán)境;二進制移植是指將軟件從原環(huán)境移植到目標(biāo)環(huán)境，不但能正確運行，而且與其在原環(huán)境下表現(xiàn)一致［9］。文獻提到一種基于VC的CEA程序調(diào)用方式，這種方法為源代碼移植。簡而言之是將CEA的Fortran源碼進行部分修改然后重新編譯成動態(tài)鏈接庫，使用VC對動態(tài)鏈接庫進行調(diào)用。因為CEA算法內(nèi)部函數(shù)之間的參數(shù)傳遞復(fù)雜，使用這種方法的弊端在于修改源碼后容易造成不可預(yù)計的錯誤。

圖2 CEA程序用戶界面

CEA算法在半個世紀(jì)以來，得到了空氣動力學(xué)以及熱力學(xué)研究者的廣泛認(rèn)可。因此為保證移植的可靠性，應(yīng)該在不修改算法源碼的基礎(chǔ)上，對程序進行二次開發(fā)。CEA軟件對算法和用戶界面有很好的分層，可以只對用戶界面移植而且不需要修改任何算法源碼。需要解決的問題之一是對算法的可執(zhí)行文件調(diào)用，在 Java中可以使用“java.lang.Runtime”類獲得當(dāng)前程序的運行時，使用運行時可以實現(xiàn)對可執(zhí)行文件“.exe”的調(diào)用并獲得一個進程，同時在“java.lang.Process”類的配合下能夠與該進程進行交互;需要解決的另一個問題是配置文件的生成，Java能夠方便地進行文件讀寫操作，并且配置文件的語法格式在用戶手冊［6］中已經(jīng)有詳細的介紹。

通過研究分析可以得到CEA圖形界面程序的計算流程，如圖3所示，在程序中配置生成物是可選的，其中包括指定生成物、忽略生成物、插入生成物。插入生成物指選擇可能的凝結(jié)物，雖然不影響最終的計算結(jié)果，但是在某些情況下能加快算法的收斂?！?.inp”與“*.out”文件在表1中有相應(yīng)的解釋，實際上可以參照CEA用戶手冊［6］手動對“*.inp”進行合法的添加與修改。

軟件良好的交互性與易用性能提高工作的效率，官方的CEA圖形界面程序在新的操作系統(tǒng)兼容性較差，同時界面組織復(fù)雜對非專業(yè)使用者不友好。使用Web技術(shù)能讓CEA工作在任何支持瀏覽器的終端上面，Java的Servlet技術(shù)能生成動態(tài)Web內(nèi)容并且能夠交互式瀏覽和修改數(shù)據(jù)。

圖3 CEA程序計算流程

面向?qū)ο缶幊痰腏ava語言除了能對可執(zhí)行文件進行調(diào)用，還能夠方便地進行文件讀寫操作。在Java EE中，使用已有的基礎(chǔ)能十分便捷地開發(fā)API，將CEA算法程序進行封裝，使用一個Servlet來處理客戶端API請求，API Servlet解析客戶端請求的問題信息，并且將計算結(jié)果返回給客戶端?？蛻舳烁鶕?jù)規(guī)范的接口定義調(diào)用服務(wù)器提供的CEA算法接口，輸入問題描述字符串語句，接口返回計算結(jié)果數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上的分析，將程序使用二進制移植方法完整移植到Java Web應(yīng)用中是完全可行的。

2.2 開發(fā)環(huán)境及應(yīng)用框架

選用流行的Eclipse作為開發(fā)平臺，應(yīng)用采用Servlet+JSP技術(shù)開發(fā)。在Java Web的開發(fā)中可以使用多種支持Servlet技術(shù)的服務(wù)器，Tomcat是其中的一個。因為開源和免費的特性，使得用戶可以自由無障礙地下載、安裝、使用Tomcat，這也是Tomcat能夠被廣泛使用的重要原因之一。在項目中我們選用Tomcat作為Web應(yīng)用服務(wù)器。

移植的Web應(yīng)用目標(biāo)框架如圖4所示，客戶端瀏覽器發(fā)出請求;HTTP服務(wù)器處理請求后再將請求遞交給Java虛擬機中的Servlet對象;Servlet對象將請求的內(nèi)容包裝成配置文件，并且調(diào)用CEA核心算法;CEA算法處理配置文件，并且生成結(jié)果文件;Servlet對象等待結(jié)果文件的生成，接著讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)數(shù)據(jù)封裝成請求返回給HTTP服務(wù)器;HTTP服務(wù)器收到請求后再將請求傳遞給客戶端瀏覽器。

圖4 移植目標(biāo)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3的流程，設(shè)計的Web主要包含四類頁面，分別是問題類型配置，反應(yīng)物配置，生成物配置以及輸出結(jié)果配置。每一個頁面對應(yīng)一個Servlet，頁面中的數(shù)據(jù)以Form表單的形式提交，一個頁面可能包含多個表單。同時，對于每一個表單對應(yīng)一個符合JavaBean規(guī)范的實體對象。在項目中主要有兩個目錄，一個是Java源代碼目錄，另外一個是Web Content目錄。

Java代碼目錄主要包含4個包，分別是“algorithm”，“servlet”， “entity”， “tools”。 “algorithm”包中主要是對CEA程序的調(diào)用代碼，“entity”中是對應(yīng)頁面表單的數(shù)據(jù)對象，“servlet”中包含的是處理各個頁面請求的servlet類，“tools”包含的是文件操作等工具類。Web Content目錄中包含四類文件及目錄，“CEAcore”目錄包含的是CEA程序可執(zhí)行文件及依賴數(shù)據(jù)文件;“Download”用于在程序運行后為每個用戶存放臨時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可供用戶下載;“META－INF”、“WEB－INF”、“static”這3個目錄包含頁面配置信息，依賴包以及靜態(tài)資源等;根目錄下“*.jsp”文件是相應(yīng)的網(wǎng)頁頁面。

對CEA算法可執(zhí)行文件的調(diào)用是項目中最關(guān)鍵的一步，使用 Java的運行時可以十分方便地實現(xiàn)。在“java.lang.Runtime”類的“exec”方法中包括3個參數(shù)，第一個是指令，第二個是環(huán)境變量設(shè)置，第三個是當(dāng)前的工作路徑。調(diào)用的流程如下，首先指定指令為包含絕對路徑的“FCEA2.exe”，還指定了當(dāng)前的工作路徑為“java.lang.File”類型的workpath。通過執(zhí)行該指令獲得一個“java.lang.Process”類型的對象“l(fā)ocalProcess”，也就是CEA算法的子進程。然后使用“l(fā)ocalProcess”的“getOutputStream”方法獲得該進程的標(biāo)準(zhǔn)輸出流，接著使用“java.io.PrintWriter”類的“println”方法指定帶絕對路徑的輸入文件名，也就是“*.inp”文件的位置。執(zhí)行“FCEA2.exe”，并且輸入“*.inp”文件的路徑。調(diào)用完成后在“*.inp”文件的目錄中會生成一個前綴相同的“*.out”文件。

2.3 支持多用戶及構(gòu)建API

為保證系統(tǒng)能在多用戶下正常工作，把用戶訪問服務(wù)器Session的唯一ID值作為臨時工作目錄名，每個用戶只能訪問對應(yīng)服務(wù)器工作目錄中的資源，在用戶訪問結(jié)束或達到指定時限自動刪除臨時目錄及文件。實現(xiàn)了多個用戶獨立訪問，保證了用戶數(shù)據(jù)的安全。

為提高CEA程序二次開發(fā)的便利性，將所有問題配置封裝成一個URL API。因為請求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以選用JSON的數(shù)據(jù)格式進行封裝，請求端以POST方式向服務(wù)器發(fā)送請求。程序中使用一個APIServlet來處理API請求，首先解析JSON數(shù)據(jù)為相應(yīng)的Bean對象，然后根據(jù)Bean對象配置輸入問題文件，接著調(diào)用CEA算法處理問題文件，最后將輸入數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果以JSON格式返回給接口調(diào)用者。

3 算例試算

將項目部署到Tomcat服務(wù)器上，便可以使用瀏覽器訪問，目前項目已經(jīng)部署到萬維網(wǎng)服務(wù)器［10］。應(yīng)用的使用流程如圖5，在首頁可以選擇查看示例、上傳問題文件或者新建一個問題文件，共3個選項。

圖5 CEA Web應(yīng)用使用流程

圖6為示例問題，第一段以“problem”開始，指定了案例名稱為“Example－1”，問題類型為“tp”(恒溫恒壓)，壓力為“1，0.1，0.01”個大氣壓，溫度為“3000，2000”開爾文，化學(xué)當(dāng)量比為“1，1.5”;第二段以“reac”開始，指定了反應(yīng)物及物質(zhì)的量，燃料為“H2”，量為1摩爾，氧化劑為“Air”(空氣)，量為1摩爾;第三段以“only”開始，指定了生成物的成分;第四段以“output”開始，指定輸出數(shù)據(jù)單位;問題以“end”結(jié)束。在輸入文件中，字段“problem”、 “reac”、 “end”是必須的，字段 “only”、“omit”、“insert”、“output”是可選的。

圖6 恒溫恒壓問題配置文本示例

上述問題可以寫入文本文件，并且將后綴改為“.inp”，然后通過上傳選項獲得結(jié)果。也可以使用CEA Web新建問題配置數(shù)據(jù)獲得結(jié)果，Web界面如圖7所示，配置的簡要過程如下:

1)在“problem”頁面輸入ID為“Example－1”;選擇類型為tp;在氧燃混合物中選擇當(dāng)量比并輸入值為“1，1.5”; 保存。

2)在“tp problem”頁面選擇溫度單位為“Kelvin”，值為“3000，2000”;選擇壓強單位為“atm”，值為“1，0.1，0.01”; 保存。

3)在“reactant”頁面選擇成分單位為“moles”，反應(yīng)物為“H2”，“Air”，數(shù)量都為“1”;保存。

4)在“only”頁面指定生成物的成分;保存。

5)在“output”頁面選擇能量單位為“calories”，求解。

6)在“problem and result”頁面可以查看和下載問題文件與求解結(jié)果文件。

圖7 CEA Web應(yīng)用界面

對于API的調(diào)用，在CEA Web［10］上可查看接口規(guī)范。開發(fā)人員只需將配置詳情按照API規(guī)范以JSON格式發(fā)出POST請求，服務(wù)器將返回帶有問題與結(jié)果詳情以及文件下載路徑的JSON數(shù)據(jù)。

JSON數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包含兩個部分，一個部分是“problempath”，包含文件名以及文件的相對路徑，將輸入/輸出文名與輸入/輸出文件路徑拼接可得到文件在服務(wù)器的相對路徑，進一步與服務(wù)器主機地址拼接可得到輸入/輸出文件的下載地址。因為程序?qū)ㄟ^服務(wù)器保留的Session檢驗請求者的下載地址是否合法，以此保證數(shù)據(jù)不會被其他用戶獲得，確保了用戶數(shù)據(jù)的安全性。另一個部分是“problemresult”，包含問題字符串和結(jié)果字符串。開發(fā)人員根據(jù)需要獲得問題與結(jié)果的字符串或者通過下載鏈接得到文本文件。

4 結(jié)束語

CEA是一款開源的計算化學(xué)平衡程序，廣泛應(yīng)用于空氣動力學(xué)和熱力學(xué)的研究當(dāng)中。本文介紹了CEA桌面應(yīng)用程序的主要結(jié)構(gòu)及工作流程，并且使用Servlet技術(shù)完整移植到了Web平臺中，支持用戶在任何具有瀏覽器的終端使用。同時，對CEA算法進行了封裝，為開發(fā)人員提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序編程接口API，方便將算法集成到其他大型系統(tǒng)中。接下來，將進一步改善用戶交互界面，對輸出結(jié)果文件進行分析，把各個部分用可視化圖表呈現(xiàn)出來。