隨著計算機技術和網絡技術的迅猛發展，Web熱力學數據庫已成為當前熱力學數據庫技術發展的主流并得到廣泛應用,目的在于建立解決特定熱力學問題的正確、高效的數學模型。.

　　1引言

　　隨著Internet技術的不斷發展。基于瀏覽器/Web服務器結構模型（即B/S結構模型）的熱力學數據庫得到了廣泛的應用。在這種結構模型下，一部分事務邏輯在客戶端瀏覽器實現，大部分事務邏輯在熱力學數據庫服務器端實現。然而，由于在熱力學數據庫的應用中涉及到大量的數值計算，會大量消耗服務器CPU和內存資源，從而導致熱力學數據庫服務器的負載加重，增大響應時間，因此，如不能很好地解決數值計算的速度問題，系統整體性能將受到較大的影響。

　　同時，在熱力學數據庫的開發過程中，開發人員不僅要集中精力將熱力學數據庫中的數學模型轉換為計算機控制代碼，而且還需要花費大量精力去實現、驗證、優化數學模型中所涉及的數值計算方法。從而加大了熱力學數據庫的開發周期和難度。

　　本文針對Web熱力學數據庫數值計算的特點和對性能的要求。使用面向服務的架構思想，提出了基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式，實現了Web熱力學數據庫計算模型控制與數值計算過程的分離，大大提高了系統數值計算能力和速度，同時簡化了熱力學數據庫系統實現數值計算方法的過程。

　　2Web熱力學數據庫架構模式研究

　　隨著計算機技術和網絡技術的迅猛發展，Web熱力學數據庫已成為當前熱力學數據庫技術發展的主流并得到廣泛應用。但是圍繞著提高Web熱力學數據庫系統性能的研究依然沒有停止。這些研究主要集中在兩個方面，一方面是對熱力學數學模型的理論研究數值計算，目的在于建立解決特定熱力學問題的正確、高效的數學模型。另一方面是對Web熱力學數據庫架構模式的研究，目的在于降低系統開發難度和縮短系統開發周期，優化網絡計算性能，提高應用系統的效率和共享能力，在這類研究中，普遍采用了多層架構模式思想，將系統不同類型的工作任務分配到不同的層中執行，這樣不僅便于網絡用戶使用熱力學數據庫，同時也便于系統的協同開發，提高了系統代碼的復用性，便于業務邏輯的共享、重組和系統的維護。

　　2.1 三層架構模式的Web熱力學數據庫

　　圖1. Architecture ofthree-tiers

　　在圖1所示的三層架構模式中，客戶端采用瀏覽器作為的系統界面訪問工具。數據庫服務器提供高效、安全的數據存儲操作。WebServer則實現整個系統的控制核心期刊。

　　三層架構模式主要解決了熱力學數據庫業務邏輯控制與數據存儲控制的分離，實現了“瘦客戶端”訪問，便于用戶使用，系統部署簡單，維護成本低。從圖1可以看出，熱力學數據庫系統的工作負載主要集中在Web Server，從而導致WebServer負載過重，成為影響系統性能的瓶頸。

　　2.2 n層架構模式的Web熱力學數據庫

　　圖2. Architecture of n-tiers

　　為了減輕三層架構模式下Web熱力學數據庫系統Web Server的工作負載，系統架構師們提出了如圖2所示的n層架構模式。其中，業務邏輯層負責熱力學數據庫的核心功能----計算模型控制和數值計算。表示層負責用戶界面控制，數據訪問層負責熱力學數據庫的訪問并屏蔽使用數據庫的細節信息。

　　采用n層架構模式使整個系統的工作負載分布到不同的服務器中，避免因某臺服務器負載過重而成為影響系統性能的瓶頸，也便于系統的協同開發和維護，增加了系統部署的靈活性。例如，能夠在業務邏輯層利用負載均衡技術構建應用服務器集群，解決復雜業務邏輯控制和大量用戶并發訪問的性能問題，在數據訪問層引入中間件技術，解決高效訪問數據庫的問題。

　　3基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式

　　雖然n層架構模式的Web熱力學數據庫具有很多優勢，但是在具體實現架構模式中的核心層----業務邏輯層時，面臨兩個比較棘手的問題。

　　一是如何實現熱力學數據庫數學模型中的數值計算，例如積分、方程組求解等，這需要熱力學數據庫開發人員耗費大量的時間和精力去編程實現各種相關數值計算求解程序。如果能夠在系統中直接引用目前成熟的科學計算軟件來解決數值計算求解問題，將大大簡化數值計算實現過程。

　　二是如何提高數值計算的效率。數值計算往往會消耗計算機大量的內存和CPU資源，加重應用服務器的負載，從而導致系統的響應時間增長，成為影響系統性能的瓶頸。如果能夠將數值計算過程從業務邏輯層中分離出來，將其轉移到專用的數值計算服務器中數值計算，不僅能夠減輕應用服務器的負載，而且專用的數值計算服務器能提供更好的執行效率，從而改善系統的性能。

　　本文提出的基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式能夠很好的解決以上兩個問題。該架構模式的核心思想是利用MCR框架構建高性能的、易于使用的熱力學數據庫數值計算引擎，避免了在熱力學數據庫的開發過程中直接編程實現數值計算算法，同時使熱力學數據庫計算模型控制與熱力學數據庫數值計算過程分離，從而達到簡化熱力學數據庫的開發過程和提高系統性能的目的。

　　MCR（MATLAB CompilerRuntime）是建立在MATLAB基礎上的一個獨立的應用框架，能夠執行MATLAB文件和函數。而MATLAB是世界上公認的功能強大、應用廣泛的科學計算軟件，具有豐富的數值計算工具和高效的數值計算效率，占據世界上數值計算軟件的主導地位。利用MATLAB提供的MATLAB Builder NE編譯工具，能夠將MATLAB數值計算函數轉換成MCR組件（.net類）。因此，在.net框架中安裝MCR就能夠實現.net應用調用MCR組件（.net類），進而可以在程序中直接使用MATLAB強大的數值計算功能。為此，本文擴展了n層架構模式，構建了如圖3所示的基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式。

　　圖3. Architecture of Basedon MCR

　　從圖3可以看出，數值計算引擎將數值計算功能從業務邏輯層中獨立出來，數值計算引擎的構建采用了Service-OrientedArchitecture（面向服務體系架構）的思想，利用Web Service技術實現SOA。SOA 是一種IT體系結構樣式，支持將業務作為鏈接服務或可重復業務任務進行集成，可在需要時通過網絡訪問這些服務和任務。SOA將應用程序的不同功能單元（稱為服務）通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。接口是采用中立的基于XML的語言（也稱為Web服務描述語言，Web Services Definition Language，WSDL）定義的，它獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言。這使得不同類型的業務邏輯層可以以一種統一和通用的方式與數值計算引擎進行交互，便于各種異構熱力學數據庫業務邏輯層與數值計算引擎的集成和復用，同時也能夠利用服務群集技術構建數值計算引擎集群，動態均衡數值計算負載，滿足網絡高并發、高密集的數值計算需求，優化了系統性能，大大提高了Web熱力學數據庫數值計算引擎的計算能力和速度。

　　1）數值計算引擎接口

　　對外提供統一的熱力學數值服務接口，例如焓、熵計算等。只要通信雙方定義好服務契約，數值計算引擎可以為各種同構或者異構系統提供熱力學數值計算服務，從而使數值計算引擎能夠實現跨系統的業務集成和復用。

　　2）數值計算類

　　實現數值計算引擎接口定義的具體的熱力學數值計算方法，這些方法封裝了各種熱力學基本計算公式的求解過程，例如求解焓、熵的基本積分公式等。并在方法中調用MCR組件（.net類）利用MATLAB完成具體的數值計算過程。例如定積分運算或矩陣運算等核心期刊。此外，數值計算類還要負責本地調用語言數據類型與MATLAB數據類型的轉換，以及錯誤處理等輔助工作。

　　3）MCR

　　根據數值計算類的調用請求，執行相應的MATLAB函數。

　　4基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式的優點

　　在基于MCR框架的Web熱力學數據庫架構模式中，建立數值計算引擎將數值計算功能從熱力學數據庫業務邏輯層中分離出來，具有以下優點。

　　1）采用SOA思想，實現了業務邏輯層與數值計算引擎之間的松耦合數值計算，便于各種異構熱力學數據庫共享數值計算引擎服務。

　　2）采用SOA思想，能夠使用服務器集群技術建立數值計算服務器群，通過負載均衡技術分擔各個數值計算引擎的工作負荷，支持高密集數值計算，可靈活的增減系統數值計算能力。

　　3）減輕了熱力學數據庫應用服務器的負載，有利于提高系統的整體性能。

　　4）熱力學數據庫的業務邏輯層只關注如何使用數值計算服務，而不關心如何實現數值計算，簡化了業務邏輯層的實現過程，提高了熱力學數據庫系統開發效率。

　　5）能夠充分利用MATLAB豐富的數值計算工具，屏蔽了使用MATLAB的復雜的過程。同時借助于MATLAB卓越的數值計算性能提高了數值計算效率。

　　6）可對數值計算引擎做進一步的優化。如直接利用MATLAB并行計算功能構建多核、多處理器并行計算服務器。或利用MATLAB分布式并行計算功能構建MATLAB分布式計算計算機集群。進一步提高數值計算引擎的數值計算速度。

　　5結束語

　　在冶金、化工領域的生產和研究中，熱力學數據庫作為基本工具得到了越來越廣泛的應用，對熱力學數據庫的計算性能要求也越來越高，而系統的架構模式是影響熱力學數據庫系統性能的關鍵因素之一，是熱力學數據庫系統軟件開發的基礎。本文分析了三層和n層架構模式的Web熱力學數據庫所存在的問題，根據熱力學數據庫數值計算的特點，在n層架構模式的基礎上，提出了基于MCR框架的、多層、分布式計算的Web熱力學數據庫架構模式，可以方便的實現對MATLAB計算功能的調用而無需了解具體的技術細節，從而大大簡化了Web熱力學數據庫開發過程中實現數值計算功能過程，同時也為Web熱力學數據庫在重負載網絡環境下的應用和異構熱力學數據庫共享熱力學數值計算服務提供了一種可行方案。