劉文英 于明曉 李 萍

（中國石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 青島 266580）

1 引言

供暖系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其理想水力狀況是各管段中的熱水流量應(yīng)當(dāng)與該管段的用戶熱負(fù)荷相一致，但是由于受多種因素的影響，供熱的管網(wǎng)中某些管段的實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量的不一致，稱為水利失調(diào)［1］。熱水流量在管網(wǎng)中各管線中的分配取決于網(wǎng)絡(luò)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(fù)荷的大小，當(dāng)實(shí)際流量比所需流量大時(shí)，室內(nèi)溫度會(huì)偏高，反之，則會(huì)偏低。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，手機(jī)已成為現(xiàn)代人們工作生活中必不可少的工具。Android 平臺(tái)憑借其開放性，迅速發(fā)展成為主流的智能手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。相比于其它系統(tǒng)來說，Android 平臺(tái)給開發(fā)商提供了一個(gè)非常自由的環(huán)境，具有更大的活力［3］。為改善某熱力公司的供熱質(zhì)量，減輕供熱管網(wǎng)調(diào)節(jié)人員勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，研究并設(shè)計(jì)基于Android 平臺(tái)［4～5］的供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是建立供暖管網(wǎng)水力狀況分析計(jì)算模型，該模型以流體力學(xué)及流體網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，借助數(shù)值求解方法，來分析目前供暖網(wǎng)絡(luò)的水力狀況。如果目前的管網(wǎng)水力狀況失調(diào)，則通過模型分析計(jì)算得出供熱管網(wǎng)參數(shù)［6］的調(diào)節(jié)量，從而指導(dǎo)制定如何糾正失衡狀況的管網(wǎng)調(diào)整方案，為管網(wǎng)的水力狀況調(diào)整提供理論依據(jù)。

2 熱網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)研究

2.1 熱網(wǎng)水力特性調(diào)節(jié)

熱網(wǎng)水力特性調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中“溫度調(diào)節(jié)法”所涉及模型的實(shí)現(xiàn)是熱網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，中間變量計(jì)算分別由式（1）～（4）計(jì)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(jìn)水溫度；snhj_temp為室內(nèi)環(huán)境溫度；nqpmj為暖氣片面積；α為暖氣片傳熱系數(shù)；mbsrl 為目標(biāo)散熱量；mbsn_temp 為目標(biāo)室內(nèi)環(huán)境溫度；swtq_temp為室外天氣溫度；rsll為熱水流量。

最終變量計(jì)算分別由式（5）～（8）計(jì)算給出：

式中：mbhs_temp 為目標(biāo)會(huì)水溫度；mbsrl 為目標(biāo)散熱量；nqpmj 為暖氣片面積；α為暖氣片傳熱系數(shù)；mbsn_temp為目標(biāo)室內(nèi)環(huán)境溫度；ltjs_temp為樓頭進(jìn)水溫度；wdtzl為溫度調(diào)整量；mbhs_temp為目標(biāo)會(huì)水溫度；lths_temp 為樓頭回水溫度；mbrsll為目標(biāo)熱水流量；mbsrl 為目標(biāo)散熱量；lltzl 為流量調(diào)整量；rsll為熱水流量。

2.2 熱網(wǎng)熱負(fù)荷預(yù)測

根據(jù)計(jì)算方式的不同，熱網(wǎng)熱負(fù)荷預(yù)測可以分為“比值法”熱負(fù)荷預(yù)測和“面積法”熱負(fù)荷預(yù)測。

1）“比值法”熱負(fù)荷預(yù)測計(jì)算由式（9）給出。輸入包括天氣情況、天氣修正系數(shù)、風(fēng)力情況、風(fēng)力修正系數(shù)、當(dāng)前室外溫度和目標(biāo)室內(nèi)溫度。

式中：Q 為熱負(fù)荷；JZ_Q 為基準(zhǔn)熱負(fù)荷；mbhs_temp為目標(biāo)會(huì)水溫度；dqsw_temp 為當(dāng)前室外溫度；α 為天氣修正系數(shù)；β為風(fēng)力修正系數(shù)；sn_temp 為室內(nèi)溫度；sw_temp為室外溫度。

2）“面積法”熱負(fù)荷預(yù)測計(jì)算由式（10）給出。輸入包括總熱負(fù)荷原始數(shù)據(jù)、目標(biāo)室內(nèi)溫度、當(dāng)前室外溫度、室內(nèi)溫度和室外溫度。

式中：Q 為熱負(fù)荷；Z_Q 為總熱負(fù)荷；mbsn_temp 為目標(biāo)室內(nèi)溫度；dqsw_temp為當(dāng)前室外溫度；sn_temp為室內(nèi)溫度；sw_temp為室外溫度。

2.3 新增熱網(wǎng)水力特性預(yù)測

新增熱網(wǎng)水力特性預(yù)測涉及“熱水質(zhì)量流量”、“最小管徑”和“比摩阻”三個(gè)熱網(wǎng)重要參數(shù)?！盁崴|(zhì)量流量”由供熱負(fù)荷、熱水比熱容、熱水入口溫度和熱水回水溫度等數(shù)據(jù)計(jì)算得出，按式（11）計(jì)算；“最小管徑”由公比摩阻、管內(nèi)流體密度、質(zhì)量流量和粗糙度等數(shù)據(jù)計(jì)算得出，按式（12）計(jì)算；“比摩阻”由管徑大小、管內(nèi)流體密度、熱水質(zhì)量流量和粗糙度等數(shù)據(jù)計(jì)算得出，按式（13）計(jì)算。

式中：rszlll 為熱水質(zhì)量流量；Q 為供熱負(fù)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(zhì)量流量；Ra 為粗糙度；Rm為比摩阻；ρ為管內(nèi)流體密度。

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

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)現(xiàn)實(shí)供熱需求，完成熱用戶工況信息管理、熱網(wǎng)水力特性調(diào)節(jié)、熱網(wǎng)熱負(fù)荷預(yù)測、新增熱網(wǎng)水力特性預(yù)測及系統(tǒng)管理等功能［7］。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)用例設(shè)計(jì)

供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要用例有登錄系統(tǒng)、注銷登錄、發(fā)送郵件、管理工況信息、調(diào)節(jié)水力特性、獲取指導(dǎo)方案、預(yù)測熱負(fù)荷、預(yù)測新增熱網(wǎng)水力特性、管理系統(tǒng)、管理個(gè)人信息等。根據(jù)提煉出的用例繪制系統(tǒng)用例圖［8］，系統(tǒng)用例圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)用例圖

2）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)需要提高數(shù)據(jù)庫的一致性和可維護(hù)性，避免出現(xiàn)冗余信息，減少軟件訪問數(shù)據(jù)庫的難度，提高數(shù)據(jù)庫訪問效率?；贏ndroid 平臺(tái)供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫組成包括客戶端數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫兩部分?？蛻舳耸褂肧QLite 數(shù)據(jù)庫［9］，設(shè)計(jì)工具為SQLite Expert；服務(wù)器端使用SQL Server數(shù)據(jù)庫［10］，設(shè)計(jì)工具為SQL Server Management Studio。

系統(tǒng)客戶端數(shù)據(jù)庫主要包括水力特性表、中間結(jié)果表和工況信息表。工況信息表用于存儲(chǔ)熱用戶實(shí)時(shí)工況信息數(shù)據(jù)，包括各小區(qū)的樓頭回水溫度、樓頭進(jìn)水溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度、目標(biāo)室內(nèi)溫度、室外天氣溫度和暖氣片面積等；中間結(jié)果表用于存儲(chǔ)通過“溫度調(diào)節(jié)法”計(jì)算模型，在對(duì)熱用戶工況信息進(jìn)行計(jì)算時(shí)得到的中間結(jié)果，包括暖氣片散熱量、暖氣片散熱系數(shù)、目標(biāo)散熱量和熱水流量；水力特性表用于存儲(chǔ)系統(tǒng)通過“溫度調(diào)節(jié)法”計(jì)算模型，計(jì)算得到的各小區(qū)供熱管網(wǎng)水力特性參數(shù)值，包括小區(qū)名稱、目標(biāo)回水溫度、溫度調(diào)整量、目標(biāo)熱水流量和流量調(diào)整量。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 系統(tǒng)服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)器端工程主要包括三個(gè)部分：服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫操作部分、服務(wù)器端與客戶端通信部分以及服務(wù)器端與客戶端的公共消息類。upc.edu.ClientCommon 包中存放了三個(gè)消息的實(shí)體類，包括用戶類、消息類和消息類型類，用于服務(wù)器與客戶端通信時(shí)傳遞客戶端要求或發(fā)送的消息［11］。

1）服務(wù)器數(shù)據(jù)庫操作

供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫操作部分放置在工程的bishe.tempcontrol.server.dao包中，包中共有三個(gè)數(shù)據(jù)庫操作類：DBUtil.java、MessageDao.java 和UserDao.java。服務(wù)器端使用SQL Server數(shù)據(jù)庫，DBUtil.java 類是數(shù)據(jù)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(duì)用戶消息表和用戶表進(jìn)行的操作函數(shù)。

2）服務(wù)器與客戶端通信

供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)服務(wù)器端與客戶端之間使用Socket進(jìn)行通信［13～14］。使用Socket通信時(shí)需要引入java.net 包中的兩個(gè)類Socket 類和ServerSocket 類［15］。Socket 通信過程如下［16］：首先創(chuàng)建一個(gè)SocketServer 的類作為服務(wù)端，該服務(wù)端使用了多線程機(jī)制，可以在特定端口處監(jiān)聽多個(gè)客戶請(qǐng)求，一旦有客戶請(qǐng)求，SocketServer 會(huì)創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)來服務(wù)新來的客戶，而自己則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)聽。創(chuàng)建SocketServer 類對(duì)象時(shí)需要為服務(wù)端設(shè)置端口號(hào)，本項(xiàng)目中端口號(hào)設(shè)為5050。Socket 實(shí)例對(duì)象由SocketServer對(duì)象調(diào)用accept（）函數(shù)生成。accept（）是一個(gè)阻塞性方法，所謂阻塞性方法就是該方法被調(diào)用后將等待客戶的請(qǐng)求，直到有一個(gè)客戶啟動(dòng)并請(qǐng)求連接到相同的端口，然后accept（）返回一個(gè)對(duì)應(yīng)于客戶的Socket。這時(shí)，服務(wù)器端和客戶端都建立了用于通信的Socket，接下來就是由各個(gè)Socket分別調(diào)用getInputStream（）函數(shù)和getOutputStream（）函數(shù)打開各自的輸入、輸出流，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于Android的供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)客戶端采用三層架構(gòu)的思想，整個(gè)系統(tǒng)框架分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層三個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)訪問層封裝了項(xiàng)目中所有對(duì)SQLite 數(shù)據(jù)庫操作方法的實(shí)現(xiàn)，并提供了一個(gè)接口，業(yè)務(wù)邏輯層通過該接口來進(jìn)行對(duì)客戶端數(shù)據(jù)庫的操作。當(dāng)需要對(duì)數(shù)據(jù)庫操作部分進(jìn)行修改時(shí)，只需要將封裝的類進(jìn)行修改，無需改動(dòng)其他代碼。

工況信息管理設(shè)計(jì)了隨時(shí)間變化曲線形式，直觀顯示“樓頭回水溫度”、“樓頭進(jìn)水溫度”和“室外天氣溫度”等參數(shù)的隨時(shí)間的變化，如圖2所示。

熱網(wǎng)水力特性調(diào)節(jié)通過“溫度調(diào)節(jié)法”計(jì)算模型計(jì)算生成，根據(jù)供熱單位的級(jí)別不同，系統(tǒng)能夠生成三級(jí)指導(dǎo)方案，指導(dǎo)方案包括兩部分：1）溫度、流量參數(shù)柱狀圖；2）各級(jí)別具體的調(diào)節(jié)方案，如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 參數(shù)變化曲線圖

圖3 一級(jí)單位水力調(diào)節(jié)指導(dǎo)方案界面

圖4 二級(jí)單位水力調(diào)節(jié)指導(dǎo)方案界面

圖5 三級(jí)單位水力調(diào)節(jié)指導(dǎo)方案界面

4 結(jié)語

論文針對(duì)供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)展開研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Android 的水力平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了供熱管網(wǎng)的水力工況分析計(jì)算模型，可以對(duì)供熱管網(wǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析診斷，依據(jù)“溫度調(diào)節(jié)法”計(jì)算模型對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的供熱單位生成各自的水力調(diào)節(jié)指導(dǎo)方案，該成果應(yīng)用于某大型供暖企業(yè)，效果良好，證明了該系統(tǒng)的科學(xué)性、有效性。