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虚拟实验系统的分类研究

发布时间:2022-05-05 09:25:02 | 浏览次数:

[摘要]虚拟实验系统的分类是一项基础工作。近二十年来,众多的虚拟实验系统得到了广泛使用,但学术界尚未研究出一套有效的分类方法,影响了虚拟实验系统的研究。文章从虚拟实验的流程出发,给出了基于实验对象、实验设计和实验控制的三维的分类方法。

[关键词]虚拟实验;分类;实验对象;实验设计;实验控制

[中图分类号]G420

[文献标识码]A

[论文编号]1009-8097(2011)10-0117-04

一 引言

自从1989年Gentral Florida大学教育训练研究院建立了第一个虚拟系统实验室以来,国内外有很多组织都已经开展了虚拟实验系统的研究和建设工作,特别是在一些著名的大学和重点实验室中,已经建好并投入使用的虚拟实验系统也不少,下面仅列出一些比较有代表性的虚拟实验系统。

第一类,根据仪器设备的真实性来划分:基于软件模拟的虚拟实验系统,有单机版的,也有基于网络的虚拟实验系统。软件仿真虚拟实验通常由一组仿真引擎模块组成,通过对实验数据的建模和数学求解对实验过程、结果进行计算机仿真。基于虚拟仪器的虚拟实验系统,也称为远程控制实验,这类虚拟实验系统一般都是基于网络的。远程控制实验核心部件是可以接受数字控制的实验装置和同时连接实验装置和网络的控制器,用户通过网络访问控制器,调节实验装置的算法、参数等要素,通过数据反馈、视频直播等方式实时得到实验结果。

第二类,根据虚拟实验系统的开发技术来划分:基于VRML-JAVA的网上协同虚拟实验系统、基于J2EE的网络虚拟实验室、基于NS2的虚拟实验系统、基于Flash的虚拟实验系统、基于MATLABWeb的虚拟实验系统,等等。

第三类,根据学科门类划分:机械工程虚拟实验系统、机械制造虚拟实验系统、机械设计虚拟实验系统、电子电工虚拟实验系统、大学物理虚拟实验系统,等等。

第四类,根据虚拟实验的类型来划分:演示型虚拟实验、验证型虚拟实验、测量型虚拟实验、设计型虚拟实验等。

这些分类是一个好的开端,但却没有一个成熟的分类标准,因而不能回答虚拟实验系统开发与应用中出现的一些基本问题。从计算机科学角度来看,一类系统的分类一旦形成,就会促进该类系统的程序设计、应用开发、系统设计、系统优化。同时,好的分类也有利于知识的积累、传播和重用。我们的研究工作首先说明什么是虚拟实验系统,并分析其分类的需求和难点,进而提出一种有效的分类方法,直接为虚拟实验系统的开发与应用服务。

二 虚拟实验系统及其分类问题

分类首先需要界定分类的对象,即什么是虚拟实验系统。为了明确什么是虚拟实验系统,我们必须考察真实的实验教学系统,真实的教学实验系统有很多共同特征:首先,明确实验内容和实验目的;在实验过程中需要实验者按一定次序给予一定的操作;在实验过程中和实验结束时,实验者将得到一定的实验结果信息;实验过程中都有一定的物理实体:仪器仪表、元件、药品等。这些实体在虚拟实验系统中需要用各种技术手段来实现(称为虚拟实体对象或简称实验对象)。可见,一个虚拟实验系统应该有:实验对象、实验操作、实验过程、实验内容。

①“实验对象”:真实实验中的实验设备、实验物质和实验仪器等实体,在虚拟实验中都以实验对象的形式来建模。实验对象需要像现实的物理实体一样具有大小、颜色、质量、容量、管脚等各种属性,同时,实验对象还要能够感知环境和其它实体的作用,并对不同的要求作出不同的反应。即是说,实验对象即封装了实体的静态属性,也封装了实体的各种动态行为即方法,因而,实验对象是这样的一个二元组:(属性集,方法集)。

②“实验操作”:(实验对象,实验结果)。实验操作通过对实验对象的方法的适当调用来实现,实验操作还需要包含实验对象之间的关系。当一个实验操作被执行时,就意味着相应的实验对象能够接受用户的操作,或者完成某项动作。实验操作通常由用户通过实验引擎来启动,或者由实验操作的前置条件来启动,该实验操作的执行导致一定的实验结果,可以向实验者返回一定的数据或者状态等,也可以向下一个实验操作送入输入条件。

③“实验过程”:(实验操作,实验操作的顺序)。之所以要考虑实验操作的顺序,是因为对于同一个实验,不同的操作者可能采用不同的流程或顺序,也可能得到不同的结果。实验过程决定了虚拟实验过程执行时所经过的操作和它们的时序关系,各个实验操作通过实验过程关联起来。

④“实验内容”:每一个虚拟实验都有它特定的实验内容,实验内容用来描述虚拟实验所需要的实验对象、虚拟实验的实验操作和实验过程。

研究领域确定后,下面的工作就是将其合理分类。分类可以借鉴的标准很多,但实际分类工作中发现现有的分类标准中没有一个可以直接照搬来用的,主要原因是虚拟实验是新的领域,而且近年来发展迅速。一般而言,分类越粗则概括性越高,分类越细则精确度越高,分类的最终结果总是在概括度和精确度这两个相互矛盾的指标中寻求平衡。一个好的分类应该有利于虚拟实验系统的建设和发展,为此,我们提出以下几个判别条件,它们也是虚拟实验系统分类工作的研究目标。

条件1:划分。一个好的分类应是所有虚拟实验系统集合的一个划分(partition),即互不相交的子集,这些子集之并集就是虚拟实验系统的全集。条件1在自然科学领域分类工作中比较普遍。例如,“柳树”是一种植物,就不会是动物、微生物,也不存在40%植物60%动物的物种。但在虚拟实验系统领域,这样完美的划分有时难以达到。

条件2:简单。分类应该足够简单。尽管划分性是一个理想的目标,不一定强求,但我们还是应该尽量使分类简单,比如尽量使子类互不相交,尽管我们不一定能排除实际系统是混合系统。另外,最初的几个大类应该严格控制它们的数量。

条件3:编程。一个好的分类应该有利于虚拟实验系统的程序设计和开发使用。一个类别的虚拟实验系统,其应用软件和应用服务的开发应具有共同的特点,人们可以利用这些特点发展出一套编程模式,甚至使得开发出的软件与服务可以在本类别的任一系统上运行。

条件4:优化。一个好的分类应该有利于虚拟实验系统本身的优化设计、实现与维护。同类系统有共同的难点,一个系统的成功经验、技术、体系结构与部件可以用于同类系统中。

三 一种虚拟实验系统分类法

对于虚拟实验系统可以一般性描述为:实验者为了完成某个实验内容,选择一定的实验操作对象,在实验过程中按一定次序给予一定的实验操作,实验对象将根据实验操作做出相应的反应,得到某种形式的实验结果。由于实验内容决定实验对象、实验活动(实验过程、实验操作),而实验活动又决定着实验结果,因此,为了从中抽取出关键特征来做为归类的特征值,我们观察几种典型实验的流程。

(1)装配实验。装配是产品设计与开发过程中至关重

要的环节,一般流程:确定装配顺序→绘制装配工艺流程图→动手装配:按顺序选择零部件,按约束关系进行定位,对准位置装入零部件→检验装配结果。

(2)测量实验的一般流程:选择仪器仪表和元器件→连接仪器仪表和元器件→设置参数和工作方式→测量并记录数据→对测量的数据进行分析和处理→得到测量结果。

(3)设计与组装实验的一般流程:分析实验题目→提出实验假设→设计实验方案(主要是实验参数的设计、技术规格的设计等)→选择实验装置→进行实验操作→分析和处理实验数据,得到实验结果→将实验结果和实验假设对比分析得到结论。

(4)过程控制实验的一般流程:确定仿真实验内容和实验方案→建立过程控制的数学模型→设置控制器模式、控制算法和控制器参数→观察变化趋势。

从中不难看出,虚拟实验活动就是针对一个具体的应用实验问题,对虚拟实验系统所提供的相关资源进行合理的调度与管理。实验流程的起点是明确实验目标,依据实验目标生成一个问题集,对问题进行加工处理,从中提取一些变量(主要包括输入变量、输出变量和控制变量),在此基础上,将提取的变量定位到相应的位置,设置变量之间的约束关系,然后仿真实现,得到实验结果即可。因此,我们从实验对象的实现层面、实验活动的流程环节这二个维度来思考虚拟实验系统的分类方法。

1 实验对象

实验对象主要有两种,一种是虚拟仪器,另一种是软件模拟的实验对象,如仪器仪表、元器件等。

虚拟仪器就是利用现有计算机,加上特殊设计的仪器硬件和专用软件,形成既有普通仪器的功能,又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能,其核心部件是可以接受数字控制的实验装置和同时连接实验装置和网络的控制器,用户通过网络访问控制器,调节实验装置的算法、参数等要素,通过数据反馈、视频直播等方式实时得到实验结果。软件是虚拟仪器的关键,当基本硬件确定以后,就可以通过不同的软件(如用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件)实现不同的功能。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能。现在虚拟仪器及虚拟实验的开发平台有很多种,如:LabWindows/CVI、LabVIEW等。

由软件模拟的实验对象构成的虚拟实验通常由一组仿真引擎模块组成,通过对实验数据的建模和数学求解对实验过程、结果进行计算机仿真。如目前广泛应用的很多电路仿真软件,有的侧重于电路的仿真,如美国Microsim公司开发的Pspice系列软件;有的侧重于方程求解的仿真,如美国Mathworks公司开发的MATLAB软件。现在除了Workbench、Pspice、MATLAB等,纯软件方式开发的虚拟实验开发平台有很多种,如Java、ActiveX、NS2、VRML/3D、Flash等技术。

2 流程实现

虚拟实验活动的流程需要考虑以下几个方面:实验设计、实验控制、实验数据、实验结果。

实验设计方法可以分为如下几种:(1)单因素实验设计方法:适用于对单实验因子的实验项目进行实验方案设计;(2)正交实验设计方法:该方法能够有效减少实验次数,对于实验因子比较多的实验项目是比较理想的实验设计方法;(3)全面实验设计方法:该方法能够覆盖所有可能的实验方案,适用于实验因子比较少的实验项目的实验设计:(4)自由实验设计方法:该实验设计方法可以自由确定实验因子的水平数。

实验控制包括输入接口控制、输出接口控制、实验状态控制。输入接口控制完成用户定义信息和数据的输入与转换,主要是设置实验对象的参数和工作方式,使实验对象保持所需的工作状态。输出接口控制将实验系统内部的数据与指令,如实验方案数据、实验分析结果数据,以一定的数据格式输出。实验状态控制有启动、终止、暂停以及继续实验等实验状态控制,主要有两种控制层次:(1)半自动的控制回路:实验的执行过程中需要人工干预;(2)全自动的控制回路:实验的执行全部自动化。

实验数据在进行实验的过程中需要根据实验状态进行实时的更新,因此涉及实验数据的操作和实验数据的表示方法两个方面。系统运行时,实验设备的状态或有关实验数据要在实验界面上及时表示出来。实验数据的表示方法有以下几种:(1)直接表示:在界面上用字符串直接显示数据的即时数值,显示的内容随数值而及时改变;(2)变量图表;用曲线、柱状图等表示数据的变化过程和趋势;(3)图形对象状态表示:用数据驱动界面上的图形对象,改变其显示状态,从而构建出设备运行的虚拟场景。用户也可以通过实验界面操作改变有关实验变量的数值,或者改变中间变量的数值从而控制与此中间变量相关联的其他图形单元。实验数据的操作方式有以下几种:(1)直接修改:将变量与某个图形的属性相关联,用户通过改变此图形对象的属性,从而改变与之关联的变量值;(2)隐含修改:实验系统运行时,用户触发一个消息,从而使一段脚本语言执行,在脚本执行过程中改变变量的数值;(3)定时更新:使用定期运行的命令语言进行变量数值的修改。

得到实验数据后,需要对实验数据进行分析处理,以得到实验结果。主要有以下两种方法:(1)单方法处理和多方法处理结合。单方法处理就是将分析的问题集进行一致化处理,采用统一的算法,从而突出问题的共性。多方法处理是将问题尽可能层次化、分块化,从而突出问题的个性。在实际应用中,单方法处理流程简单,但对于差异明显的问题集,一致化的合理性问题会影响分析结论的可信性。多方法处理过程稍显复杂,但可以克服单处理方法中的可信性不足问题。将两种处理手段结合起来,可以取长补短,更好地满足应用需求。(2)解析方法和图示方法相结合。解析方法和图示方法相结合,就是用解析方法给出详细的分析数据,再通过直观的图形表达呈现,兼顾了分析结果的可读性与可观性,体现了计算与表现一体化的思路。

考虑到实验数据的表示方法、操作方式以及实验数据分析处理过程中的多样性,我们只将实验设计和实验控制组合起来,得到图1所示的8类虚拟实验系统。

3 虚拟实验系统的分类

现在,我们可以根据(实验对象,实验流程)两个维度对虚拟实验系统进行分类,首先将虚拟实验系统按实验对象分为2类,每一类再与实验流程中的(实验设计,实验控制)8类组合。

四 结论

本文根据虚拟实验系统的组成,提出了一种按照实验对象、实验设计和实验控制3个维度的分类方法,对虚拟实验系统的设计、开发和应用有着直接的影响和指导作用。

参考文献

[1]汪诗林,吴泉源,开展虚拟实验系统的研究和应用[J].计算机工程与科学,2000,f2):33-35

[2]叶时平等,基于Web的数字电子虚拟实验系统平台[J].系统仿真学报,2008,(8):2092-2096,

[3]孙建芳,张国辉,一种虚拟实验系统的设计方法及应用[J].液压气动与密封,2008,(2):22-25

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