（教育技术学专业论文）远程虚拟实验过程模型研究.pdf

硕士学位论丈 m a s t e r st 1 l f s i s 摘要 现代远程教育闩益成为当今t 吐界教育技术发展的热点和潮流。目前作为 教学中的一个重要组成部分实验教学，还不能在远程教育中很好地实现。 虚拟实验是解决远程教育中实验教学的最佳选择，但是由于理论和技术上的原 因，远程虚拟实验的开发还远远不能满足远程教育的需求，造成这种局面的一 个重要原因是远程虚拟实验的开发没有一个统一的系统模型，这就导致虚拟实 验开发效率不高、代码重用率低下、进程缓慢、成本过高。 针对远程虚拟实验设计中缺乏统一的系统模型问题，本文应用面向对象方 法和u m l 建模语言对远程虚拟实验过程进行了多侧面和多个抽象层次的模型 分析和构建在所建模型基础之上，对远程虚拟实验进行了形式化定义，并提 出了用对象p e t r i 网对虚拟实验过程模型进行描述的方法。 整个建模过程分为五个主要步骤：一、分析远程虚拟实验系统抽象出系 统的核心部分虚拟实验过程，进一步总结出虚拟实验过程模型的构成：实 验操作、过程变迁、实验对象和实验分组。二、应用u m l 中的类图和状态图 对远程虚拟实验过程的静态结构进行建模，用静态模型描述其中的主要对象和 各种对象间的关系。三、应用u m l 中的系列图和活动图对其动态行为进行建 模。主要针对各个对象间的交互和原子实验操作控制过程两个方面进行，详细 刻画其动态特征。四、为了实现开发的灵活性和重用性，便于计算机实现，同 时并能进行自动性能分析和验证，以所建模型为基础，对远程虚拟实验过程进 行形式化描述。五、给出用对象p e t d 网描述虚拟实验过程的方法。并且用对 象p e t r i 网对过程变迁、原子实验操作的控制过程和实验对象内部控制过程进 行一般化建模。 在第七章中，以远程虚拟实验系统用例模型为基础，设计丌发了一个远程 虚拟实验系统。本文最后对远程虚拟实验过程模型的建立过程进行了总结，同 时对远程虚拟实验的设计和开发进行了展望。 关键词：虚拟实验：模型；对象p e t r i 网；u m l ：面向对象：知识表示 硕士学位论丈 m a s t e r st 1 l f s i s a b s t r a c t m o d e md i s t a n c ee d u c a t i o nh a sb e c o m et h ef o c u sa n dt r e n do fe d u c a t i o nt e c h n o l o g y d a yb yd a y a tp r e s e n t ，e x p e r i m e n tt e a c h i n g ，a sa ni m p o r t a n tp a r ti nt e a c h i n g ，c a n t b ec a r r i e do u tw e l l t h ev i r t u a le x p e r i m e n ti st h eb e s tc h o i c et os o l v ee x p e r i m e n t t e a c h i n gi nt h ed i s t a n c ee d u c a t i o n b e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t yo fd e v e l o p i n g ，t h e d e v e l o p m e n to ft h ed i s t a n c ev i r t u a le x p e r i m e n ti ss t i l lf a rf r o mm e e t i n gt h ed i s t a n c e e d u c a t i o n sd e m a n d s t h el a c ko f au n i f i e ds y s t e m a t i cm o d e li so n eo ft h e i m p o r t a n tr e a s o n st ot h i s ，a n di ta l s oc a u s e st h ep h e n o m e n ao fi n e f f i c i e n c ya n d l o w f r e q u e n c yo fc o d er e u s i n gi nv i r t u a le x p e r i m e n td e v e l o p i n g ，a n dm a k e st h ep r o g r e s s s l o ww i t hh i g hc o s t s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fl a c ko ft h eu n i f i e ds y s t e m a t i cm o d e lw h i l e d e s i g n i n gt h ed i s t a n c ev i r t u a le x p e r i m e n t ，t h i st h e s i sa n a l y z e sa n dc o n s t r u c t st h e m o d e lf r o ma l lk i n d so fa s p e c t sa n dl e v e l sb yu s i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o da n d u m lm o d e l i n gl a n g u a g e t h et h e s i sn o to n l yf o r m a l l yd e f i n e st h ed i s t a n c ev i r t u a l e x p e r i m e n tb a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft h em o d e l s 。b u ta l s od e s c r i b e st h ev i r t u a l e x p e r i m e n tp r o c e s sm o d e lw i t ho b j e c tp e t r in e t w o r k t h ew h o l em o d e l i n gp r o c e s si sd i v i d e di n t o f i v e k e ys t e p s ：t h ef i r s ts t e pi s t o a n a l y z et h ed i s t a n c ev i r t u a ll a bs y s t e m ，f i n do u tt h ek e yp a r t so ft h es y s t e m ：v i r t u a l e x p e r i m e n tp r o c e s s ，a n dt h e ns u m m a r i z et h ec o m p o s i t i o no ft h ev i r t u a le x p e r i m e n t p r o c e s sm o d e lf u r t h e r , w h i c hi sc o n s i s t e do ff o u rc o m p o n e n t s ：e x p e r i m e n t a l o p e r a t i o n ；p r o c e s so ft r a n s i t i o n ；e x p e r i m e n t a lo b j e c t i o na n de x p e r i m e n t a lg r o u p t h es e c o n ds t e pi s t oc o n s t r u c tt h em o d e lo fs t a t i cs t r u c t u r eo fd i s t a n c ev i r t u a l e x p e r i m e n tp r o c e s sb yu s i n gc l a s sd i a g r a ma n ds t a t ed i a g r a mo fu m l ，a n dt o d e s c r i b et h ev a r i o u sk i n d so fm a i no b j e c t sa n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e m t h e t h i r ds t e pi st om o d e li t sd y n a m i cb e h a v i o rb yu s i n gs e r i a ld i a g r a ma n da c t i v i t y d i a g r a mo fu m l ，a n dt op o r t r a yi t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nd e t a i l t h ef o u r t h n 硕士学位论丈 m a s t e r st 1 l e s i s s t e pi st od e s c r i b ef o r m a l i z a t i o nt ot h ed i s t a n c ev i r t u a le x p e r i m e n tp r o c e s sb a s e do n m o d e l sb u i l t i tm a k e si te a s yt od e v e l o pv i r t u a le x p e r i m e n to nt h ec o m p u t e lt h e f i f t hs t e pi st op r o v i d eam e t h o do fd e s c r i b i n gt h ev i r t u a le x p e r i m e n tp r o c e s sw i t h o b j e c tp e t r in e t w o r k ，a n dc o n s t r u c tt h eg e n e r a l i z a t i o nm o d e lf o rp r o c e s so f t r a n s i t i o n ；a t o m i ce x p e r i m e n to p e r a t i o na n dt h ec o n t r o l l i n go fe x p e r i m e n to b j e c t i o n b yo b j e c tp e t r in e t w o r k i nc h a p t e rs e v e n ，t h et h e s i sd e s i g n sa n dd e v e l o p sad i s t a n tv i r t u a ll a b s y s t e mb a s e d o nt h ef o u n d a t i o n so fv i r t u a ll a bs y s t e mm o d e l t h et h e s i ss u m m a r i z e st h e m o d e l i n gp r o c e s so ft h ed i s t a n c ev i r t u a le x p e r i m e n tf i n a l l y , a n di tl o o k e dg i v e sa p r o s p e c to ft h ed e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gd i s t a n c ev i r t u a le x p e r i m e n ta tt h es a m e t i m e k e yw o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n t ；m o d e l ；o b j e c tp e t r in e t w o r k ；u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ；o b j e c t o r i e n t e d ；k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n i i 硕士学位论丈 m a s t e r st 1 l f s i s 第一章前言 现代网络教育，或者说现代远程教育无疑是信息技术改革传统教育的一 个重大突破。由于实验是多数工程类课程和应用类课程的重要教学环节，因 此在远程教学模式中特别需要建立和应用基于网络的远程虚拟实验系统。 月前远程虚拟实验的丌发和应用远远不能满足现代远程教育的需要。因 为远程虚拟实验的设计和丌发还存在很多理论禾i 技术上的难点，基于远程虚 拟实验研发和需求之间的矛盾，本文将从远程虚拟实验过程的角度来研究远 程虚拟实验系统，并利用而向对象的方法，应用u m l 和对象p e t r i 网作为工 具对远程虚拟实验过程建立模型，以期为远程虚拟实验的设计和开发提供参 考。 1 1 研究背景 为什么要对远程虚拟实验过程进行建模呢? 到目前为止，远程虚拟实验 还没有得到广泛的应用，远程虚拟实验在软件丌发方面的困难是造成这个问 题的一个重要原因。目前在开发远程虚拟实验时，主要还是针对具体的实验 进行开发，而缺乏系统和统一的虚拟实验丌发方法和系统模型。这导致在虚 拟实验丌发过程巾的效率不高、代码重用低下、进程缓慢、成本过高，不能 满足快速发展的远程教育的需要。因此，现在迫切需要找到一种方法来描述 远程虚拟实验，在此基础上建立一个虚拟实验的丌发平台，实现虚拟实验的 快速定制开发。 如何对远程虚拟实验过程进行建模呢? 为了能够建立成功的、对虚拟实 验丌发有指导意义的模型，本文在对远程虚拟实验过程的建模过程中，将遵 循以下四条原则： 1 ) 以面向对象的观点建造虚拟实验系统。这个系统模型将以各种类和类之间 的交互模式为中心。 2 ) 对远程虚拟实验从多个不同精度级别上进行建模，可以方便设计人员和丌 发人员从不同角度和不同详细程度上对虚拟实验进行观测。即可以在不同 的角度和不同的详细程度上对系统进行可视化。 硕士学位论文 m a s t e r lst l i e s i s 3 ) 以真实实验为基础。在建模过程中，将以真实的实验为基础，对各种实验 进行比较分析，对实验的非重要细节进行简化，抽象出实验的重要的共同 特性。以这些重要的共同特性为基础建立虚拟实验系统的通用模型。 4 ) 利用多个视图来建立模型。没有任何一种单一的模型能够描述一个现实系 统的所有细节。所以在为远程虚拟实验系统建模的时候将用多个互补的 视图：用况视图( 揭示远程虚拟实验系统和远程虚拟实验过程的需求) ， 类图，活动图，系列图和o p n 图。这些视图一起从整体上描绘了远程虚拟 实验的蓝图，一起构成了远程虚拟实验模型。 1 2 研究目标 针对远程虚拟实验丌发现状，在分析各种不同学科的不同类型实验的基 础之上，特别是具体分析研究了各种虚拟实验执行过程以后，可以发现各种 学科的各种类型的实验之间都有一些共同的特点和机制。本文将基于这些共 同的特点和机制，拟从多个层而和不同深度为远程虚拟实验系统中的远程虚 拟实验过程建立一组通用模型，即一种基于虚拟实验过程模型的远程虚拟实 验的分析和建模方法。在这个方法中，虚拟实验过程模型被分解成独立的实 验操作、关联各个实验操作的过程变迁以及与操作交换信息的实验用户和实 验对象四个部分，通过它们可以清晰地定义虚拟实验的执行过程。对虚拟实 验过程建模的目的是建立一个独立于过程的模型，建立的模型不依赖于任何 特殊的软件开发方法和工具，能对各种虚拟实验的设计和丌发具有一定的指 导和参考作用。 具体来说，通过这些通用模型可以让我们更好地理解我们将要丌发的远 程虚拟实验系统。对远程虚拟实验进行建模，我们可以达到三个目的： 1 ) 通用模型可以帮助我们对具体的虚拟实验系统进行可视化。 2 ) 通用模型可以帮助我们对具体的虚拟实验系统的静态结构和动态行为进行 详细说明。 3 ) 通用模型给出了一个指导我们开发虚拟实验系统的模板。 硕士学位论文 m a s t e r lst i i e s i s 1 3 论文框架 本论文的最终目的是建立一个通用的远程虚拟实验模型，为虚拟实验的 设计和开发提供参考，大致的框架如下： 首先介绍远程虚拟实验的概念和固内外对远程虚拟实验的研究和丌发现 状，阐述了对远程虚拟实验进行建模的必要性。 然后第三章介绍两种适合于远程虚拟实验建模的工具和理沦，一种是丽 向对象的建模语言u m i 。在分析远程虚拟实验系统和远程虚拟实验过程的需 求、静态结构和动态行为时需要利用u m l 作为工具来描述；另种是对象 p e t r i 网，在对远程虚拟实验过程建立形式化模型时需要利用对象p e t r i 网作 为建模工具。 在第四章中对远程虚拟实验过程进行建模。在建模之前从各种具体实验 出发阐述了建模方法和建模工具的选择依据，然后利用u m l 对远耩! 虚拟实 验过程进行了多侧面和多个抽象层次的模型分析和建立，在此模型基础之一j 二， 对远程虚拟实验进行了形式化定义，并提出了用对象p e t r i 网对虚拟实验过 程模型进行描述的方法。 首先对远程虚拟实验系统进行分析，总结出远程虚拟实验系统模型的构 成，进一步抽出该系统模型里面最重要的部分远程虚拟实验过程。在对 远程虚拟实验过程进行分析后，总结出了虚拟实验过程模型的构成，虚拟实 验过程是由四个主要部分构成的：实验操作、过程变迁、实验对象和实验分 组。 然后应用u m l 中的类图和状态图对远程虚拟实验过程的静态结构进行 了建模，用模型描述了远程虚拟实验过程中的主要对象和各种对象间的关系。 最后应用u m l 中的系列图和活动图对远程虚拟实验过程的动念行为进 行了建模。主要是针对虚拟实验过程中的各个对象间的交互和原子实验操作 控制过程两个方面进行的，详细刻画了虚拟实验过程中的动态特征。 在第五章中，为了实现远程虚拟实验开发的灵活性和重用性，便于汁算 机实现，同时能进行自动性能分析和验证，在抽象出远程虚拟实验模型视图 的基础之上，进步对远程虚拟实验进行定义，首先是用自然语言进行描述， 硕士学位论文 m a s i e r lst i i e s i s 然后对它进行形式化描述。 在第六章中，给出了用对象p e t r i 网描述虚拟实验过程的方法。并且用对 象p e t r i 网对过程变迁结构、原子实验操作控制过程和实验对象内部控制过程 进行了一般化的建模。 在第七章中，以第四章中对远程虚拟实验系统的用例模型为基础，设计 并丌发了一个远程虚拟实验系统。首先给出了系统框架，然后列出了系统功 能说明，最后给出了系统的开发步骤。 本文最后对远程虚拟实验过程模型的建立过程进行了总结，同时为虚拟 实验设计和丌发的下一步工作进行了展望。 4 硕士学位论文 m a s t e r lst i i e s i s 第二章远程虚拟实验概述 随着信息技术的飞速发展，特别是计算机网络技术和多媒体技术的不断 成熟和进步，传统的教育模式正面临着挑战，新的教育方式现代远程教 育正在不断发展壮大，并以其特有的作用引起人们广泛关注。现代远程教育 的教学方式将克服传统教育在时问、空问、受教育年龄等方面的限制，满足 社会性和组织性的学习需求，使信息时代的教育变得更自1 1 多样化和人性化。 我国是一个人口众多，地区发展不平衡的国家，而现代远程教育具有覆盖面 j 、全方位为各类社会成员提供教育服务的优势，因此发展网络远程教育， 是符合我国国情发展的最具潜力的一种新型教育模式。 实验是多数工程类课程和应用类课程教学中的重要教学环节，缺少了实 验的动手机会，课程的教学效果将大打折扣，尤其是对那些通过远程教学网 进行自学的学员来说更是如此。因此要成功丌展这些学科的远程教学就必须 解决实验教学在网络远程教育中的实现问题。而一个好的虚拟实验教学系统 则是人们快速、廉价地获取各种知识和技能的重要场所。特别是近年来，各 种i n t e r n e t 上虚拟实验的成功应用，更是使基于w e b 的虚拟实验教学锦上添 花。因此，基于w e b 的远程虚拟实验的应用前景将十分泛。在各个学科 领域创建方便而完善的远程虚拟实验系统则是成功丌展现代远程教育的重要 保证。 2 1 远程虚拟实验 所谓远程虚拟实验是指在i n t e m e tl 二采用虚拟现实技术实现的各种虚 拟实验环境实验者置身其中就如同在真实的环境中一样完成各种预定的实 验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效 果。 与传统实验相比，远程虚拟实验具有不可比拟的优点： 1 ) 虚拟实验可以部分代替那些需用高额投资设备的实验，以及实验周期长或 有危险的实验，而且通过计算机直观地、生动地把实验现象再现在学生的 面前。 硕士学位论文 m a s t e r lst i i e s i s 2 ) 虚拟实验能够模拟原木无法用实验手段直接观察的实验，例如电磁波的传 播等，从而填补此类教学实验的空白。 3 ) 虚拟实验能够解决某些较难预习的实验问题，通过虚拟实验可大大提高预 习效果，对实验的关键步骤、注意事项印象深刻，从而保证了实验教学的 质量。 4 ) 虚拟实验可使传统实验中一些看不到或很难讲清的实验现象和难点化难为 易。例如操作电位差计面板旋钮时因搞不清内部线路原理，学生容易盲日 操作，造成检流计指针超程的现象，而用虚拟实验做这一实验时，线路和 面板在同一屏幕对照，学生不仅可以模拟“校准”和“测量”步骤，还可 以自行改变极性，自我判断f 误，加深了对补偿原理和关键步骤的理解。 5 ) 虚拟实验通过交互、反馈过程可实现教和学的双向交流。在基础实验阶段， 虽说是在教师指导f 由学生做实验，但教师有时不能做到及时解惑。虚拟 实验采用的是交互式的动而，在学生可能卡壳的地方，计算机就会提出问 题；或是实验做错了，屏幕就会指出错误及提示如何改正。这种教与学的 灵活交互，提高了学生学习的兴趣和效率。 6 ) 虚拟实验不仅可以大幅度地降低实验的材料费用，从而大大降低了实验成 本，而且能使因实验成本过高而难于丌出或无法一人一一组丌出的实验i l i o n 开出。因而虚拟实验增加了学生的实验机会，提高了实验教学的质量。 7 ) 从时间安排一h 看，虚拟实验能够缩短实验时数，在单位时间里可安排更多 的实验，从而在不增加实验总学时的情况下，提高了实验教学内容的容量。 从环境保护角度看，化学、化工、生物等方面的虚拟实验可避免使用有毒、 有害试剂，从而减少了对环境的污染。 此外，虚拟实验可随时调出反复进行实验，便于对某些实验细节重复观 察，保证了学生对重要部分的认识，这一实验效果是传统实验不能达到的。 虚拟实验又能在实验中自行处理和保存实验数据，自动打印出每位学生的实 验报告，并记录实验者的成绩，这将减轻教师批改实验报告的工作量。 尤其是在现代远程教育中，传统实验根本不能适应远程教育中的实验教 学需要，远程虚拟实验是现代远程教育中的实验教学的首选方式。 6 硕士学位论文 m a s t e r lst i i e s i s 2 2 国内外对远程虚拟实验的研究与开发 近年来，随着基于w e b 的现代远程教育的迅速发展，基于w e b 的远程 虚拟实验也受到了各个大学和研究机构的重视。远程虚拟实验作为一种新兴 的远程实验模式，必将成为未来远程教育的主要实验教学方式，但是，由于 同前丌发远程虚拟实验的理论和技术还不是很完善，大大制约了它的推广和 应用，所以已经建好并投入使用的虚拟实验系统并不多。 美国的j o h ncw a l l e r 等设计了一个虚拟的气相色谱质谱仪供学生在 w e b 上学习使用。澳大利亚r m i t 大学的j o h nb a l l 等设计的虚拟热传递 实验可以帮助学生快速地掌握这个抽象的概念。加拿大l i c e f 研究中心的 hhs a l i a h 等设计了一套通用的远程交互式虚拟电子工程实验软件，使得对 电子工程虚拟实验的配置和重新设计工作得以简化。由美国m i c h i g a n 大学化 学j ：程系创建的v r i c h e i ，f v i r t u a l r e a l i t y i n c h e m i c a l e n g i n e e r i n g l a b o r a t o r y ) 实 验室，主要用来探索和丌发虚拟现实技术在化学工程领域的应用。柏林大学 于1 9 9 6 年研制建成0 0 r a n g e 一试验数学虚拟实验系统，它由一组支持数学 试验的创建、执行和发布的低层服务构成。c e n t r a l f i o r i d a 大学计算机学院正 在丌发个名为e x p l o r e n e t 的虚拟学校系统。在这个系统中，小学生们可以 通过计算机网络在虚拟学校迸行学习、游戏、实验、交流等一系列的活动， e x p l o r e n e t 的人机接i s 是孩子们很喜爱的一维卡通图形接v i 。加拿大的 q u a n s e rc o n s u l t i n g 公司的w e b l a b 系统可以在w e b 上通过远程控制的方 式进行直升机模型的控制实验。 与国外相比，国内在虚拟实验方面开展的工作还不多。目前从网上可查 到的信息和各院校丌放的对外服务看，国内清华大学、北京大学、上海交通 大学、华南理工大学、天津大学、华中科技大学、中山大学等高校已陆续在 网上设立了自己的电子教室，其中只有少数电子教室提供了有限的虚拟实验 服务。 例如，天津大学理学院研制- 丌发了一个虚拟实验平台，用计算机图形技 术、模拟技术仿真实现电势差计的虚拟实验过程，使学生在计算机上见到被 仿真的仪器，利用鼠标操作完成实物图连接、仪器调节和数据处理，通过计 算机屏幕尝试实验的操作。华中科技大学研究的工程测试虚拟实验室是根据 实验者的输入数据显示不同的实验结果。 然而，到目前为止远程虚拟实验还没有得到广泛的应用，特别是在需求 最大的普通中小学教育和大学教育中，真f 实用的远程虚拟实验更是风毛麟 角。远程虚拟实验在软件丌发方面的困难是造成这个问题的一个重要原因。 目前在开发远程虚拟实验时，主要还是针对具体的实验进行开发，而缺乏系 统和一致的虚拟实验丌发方法和系统模型。这导致在虚拟实验开发过程中的 效率和代码重用率低，进程缓慢。成本高。不能满足快速发展的远程教育的 需要。因此，现在迫切需要找到一种方法来抽象描述远程虚拟实验，在此基 础上建立个虚拟实验的开发平台，以便实现虚拟实验的快速定制开发。 通过对虚拟实验执行过程的分析研究，应用面向对象的观点，本文提出 了一种基于虚拟实验过程模型的远程虚拟实验的分析和建模方法。在这个方 法中，虚拟实验过程模型被分解成独立的实验操作和关联各个实验操作的过 程变迁，通过它们可以清晰地定义虚拟实验的执行过程。为虚拟实验的快速 定制丌发提供了一个模型指导。 第三章建模工具介绍 3 1 u m l 技术 3 1 1u m l 技术概述 统一建模语, 苦( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 是山几位著名的面 向对象方法创始人b o o c h 、r u m b a u g h 和j a c o b s o n 共同创建的。u m l 是一种 用于对软件密集型系统进行可视化、详述、构造和文档化的建模语言，它融 入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术，是近十年来最重要的具有划 时代意义的软件技术之一。主要用于分析和设计阶段的系统建模它最主要 的特点是表达能力丰富，可以对任何具有静态结构和动态行为的系统建模。 随着o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 组织将u m l 作为面向对象分析和设 计建模语言的标准，u m l 被广泛地推广和使用。 简单地说，u ml 定义了一套一致、通用的面向对象建模符号、表示法 和术语，各种丽向对象方法都可以采用该套符号进行对象建模，从而消除了 术语、符号的歧义。uml 定义了一系列图来对现实世界进行面向对象建模， 包括：用例图、类图、对象图、包图、状态图、顺序图、合作图、活动图、 构件图、配寅图。这些图为系统的分析、开发提供了多种可视化图形表示。 它们的有机结合就有可能表达出完整、一致的系统模型。当然，进行系统开 发时，并不一定要画出所有的图，而应根据实际情况选择合适的图形进行建 模。本文将应用uml 从不同视角、不同层面对远程虚拟实验系统的虚拟实 验过程进行建模，以期为远程虚拟实验丌发人员进行各种学科远程虚拟实验 的开发提供参考。 3 1 2u m l 的基本模型图 uml 是为人们提供从不同角度观察和描述系统的各种特征的一种标准 方法。它是一种图形标记语言，可以用不同的图形来表示系统的各种因素和 系统的各个方面。为了支持从不同的角度来描述复杂的事物或系统，uml 定义了5 类、共1 0 种模型图。从多角度、多方位对系统进行描述，使用户和 丌发者之间更易于交流。 9 硕士学位论丈 m a s t e r st 1 l f s i s 用例图i 用例图是用丁描述系统应该具有的功能的集合，它是从系统的 外部用户的角度出发，对系统的抽象表示。其所描述的功能山外部用户或另 一个系统出发或激活，为用户或另一个系统提供服务，实现两者闭的交互。 用例图包含系统、角色( a c t o r ) 和用例三种模型元素，这三种元素之问的相互 关系有通用化( 继承) 、关联和依赖。在用例图中不仅要画出这三种元素，而 且要显示描述元素之问的相互关系。 静态图；包括类图( c l a s ad i a g r a m ) 、对象图( o b j e c td i a g r a m ) 和包图 ( p a c k a g ed i a g r a m ) 。类图是对系统中类的静态结构的一种描述，表示系统中 的类、类之间的关系，包括关联、依赖、通用化或打包等。在系统的整个生 命周期中类图所描述的静态结构都是有效的。对象图是类图的一个具体实例， 帮助人们理解比较复杂的类图，有时也可以用于显示类图在某时刻某一位 置上的关系。由于对象存在生命周期，因此对象图表示的只是系统的某一时 剜段或情景的具体对象实例，以及它们之阈的具体关系。包图由包和类组成， 主要描述包与包和包与类之间的关系，类似于面向对象中的主题，主要用于 描述系统的分层结构。 行为图：包括状态图( s t a t ed i a g r a m ) 和活动图( a c t i v i t yd i a g r a m ) 。用 来摇述系统的动态模型和组成对象间的交互关系。状态图主要用来描述对象、 子系统、系统的生命周期，状态图包括了该类对象所能到达的所有状态以及 对象收到事件时对该对象状态的影响。一般情况下，状态图是类图的个补 充说明，我们只需为有多个状态的、并且其行为受角色影响发生改变的类绘 制状态图。活动图反映一个连续的活动滚，通常用来描述一个操作中所要进 行的各项活动的执行流程以及活动之间的关系。其主要目的是描述动作及对 象状态改变的结果。使用活动图可方便地表示并行活动。 交互图：描述对象问的交互关系，包括序列图( s e q u e n c ed i a g r a m ) 和合 作图( c 0 1 a b o r a t i o nd i a g r a m ) 。序列图用于反映若干个对象阃的动态协作关 系。它强调对象之阳j 消息的发送顺序以及对象之间的交互过程。而合作图除 了显示消息变化外，还显示对象和它们之阔的关系，即交互和链接。序列图 突出的是时问和顺序，而合作图突出的是空间，即对象间的通信关系。 实现图：包括构件图和展开图。构件图( c o m p o n e n td i a g r a m ) 描述软件组 l o 硕士学位论丈 m s t e r st 1 l f s i s 什和! f 件之问的依赖关系，鼹示代码的物理架构。组件是逻辑架构中定义的 概念和功能( 如类、对象、关系等) 在物理架构中的实现。构件图可以帮助分 析和理解组件之间的相互影响程度。展，i ：图( d e p l o y m e n td i a g r a m ) 用于描述 系统中软硬件在运行时的物理体系结构。它是系统拓扑的最终物理描述。 3 1 3u m l 在虚拟实验过程建模中的应用 远程虚拟实验的开发过程分成需求定义、分析、设计、实现几个阶段。 需求定义阶段建立系统的需求模型，分析阶段建立系统的分析模型，这两个 模型成为后面设计、实现阶段的基础。所以本文重点介绍利用u m l 建立系 统的需求模型和分析模型。 建立系统需求模型包括： 1 ) 问题陈述。远程虚拟实验的用户主要是熟悉该实验的教师和需要操作该实 验的学生，所以在漫计实验的开始需要根据实验用户的初始需求，在该实 验教师和学生用户帮助下，写出问题陈述； 2 ) 定义参与者( a c t o r ) 。存用户参与下定义系统的参与者： 3 ) 建立gui 界丽原型。在用户的积极参与下，用可视化编程工具为每个参 与者建立g ui 界面原型； 4 ) 定义用例。观察参与者与界面原型的交互过程，导出用例。问题陈述、参 与者、gui 界面原型和用例。起构成了系统的需求模型。 建立系统分析模型包括： 1 ) 静态建模。根据问题陈述和用例，对系统的静态结构建模，静态模型可以 用类图表示，它概要地描绘了问题域对象类，同时也表示出这些类的基本 属性和类问的关系； 2 ) 动态建模。根据用例及静态模型进行动态建模，动态模型可用顺序图、合 作图、状态图和活动图等表示。动态模型表达了系统的动态特征； 3 ) 将用例、静态模型、动态模型互相验证、参照、进一步修改，精化静态模 型和动态模型并完成模型词典。静态模型、动态模型、模型词典构成了 系统的分析模型。 硕士学位论丈 m a s t e r st 1 l f s i s 3 2 对象p e t r i 网建模技术 3 2 1p e t r i 网的定义 p e t r i 网理论是德国的c a r la d a mp e t r i 博士在1 9 6 2 年提出的研究信息 系统及其相互关系的数学模型。它是一种用t o k e n ( 托肯或令牌) 的流动来描 述系统动态过程的网络。p e t r i 网最早的应用领域是计算机科学和通讯协议， 主要用来评估这些系统的一些定性的性能指标。p e t r i 网理论经过三十多年 的发展，已发展成为一种具有严密数学基础、能从多种抽象层次研究分布式 系统中并发、冲突现象的通用网论。下面给出p e l t i 网的形式化定义： 定义1 1三元组= ( p ，t ；f ) 满足以下条件就称为有向网： 1 ) p u t a ： 2 ) p n t - 0 ： 3 ) f = p x t u t p ，( “”为笛卡尔积) ； 4 ) d o m ( f ) uc o d ( f ) = p u t ： 其中p = p 1 ，p 2 ，p n 称为的有限库所( p l a c e ) 集：t = f t l ，t 2 ， t m ) 称为的有限变迁( t r a n s i t i o n ) 集；f 称为流关系( f l o wr e l a t i o n ) ， 0 表示空集。d o m ( f ) = x l b y ：( x ，y ) f ) ：c o d ( f ) = y 1 3 x ：( x ，y ) f ；其中d o m ( f ) 和c o d ( f ) 分别为f 的定义域和值域；其中x ，y x ： x - p u t 为的元素； 库所集和变迁集是有向网的基本成分，流关系是从它们构造出来的所 以在t 和f 之问用分号( ：) 隔丌。库所和变迁是两类不同的元素，所以p n t = 0 ，而p u t 0 表示p n 中至少要有一个元素。每个库所代表一种资源，资 源的流动有流关系规定，所咀变迁只能与库所有直接的关系：f p x t u t p ， 不参与任何变迁的资源表现为孤立的库所，不引起资源流动的变迁表现为孤 立的变迁元素，d a m ( f ) uc o d ( f ) = p u t 规定p n 中不能有孤立元素。 定义1 2 六元组n = ( p ，t ：f ，k ，w ，m o ) 构成一个p e t r i 网的充要条 件是： ( 1 ) = ( p ，t ，f ) 是一个网，称为n 的基网； ( 2 ) k ，w ，m 0 依次是上的容量函数、权函数和初始标识，记n = ( 1 ， 硕士学位论丈 m s t e r st i f f s f s 2 。3 ，) ，n 。= f 0 ，1 ，2 ，) ，o ) 表示无穷：f o = + l = 0 ) - - 1 = + ：则 ( a ) k ：p n uf ( i ) ，称为的容量函数( c a p a c i t yf u n c t i o n ) ，k ( p ) 表 示p 的最大容量； ( b ) w ：r n u ，称为的权函数( w e i g h tf u n c t i o n ) ，w ( x ，y ) 表示 弧( x ，y ) 的权值。如果( x ，y ) f ，定义 w ( x ，y ) = 0 ，则w 可扩展为p x l u t p + n n 。 ( c ) m ：p n ：称为n 的一个标识( m a r k i n g ) ，对p e p ，m ( p ) k ( p ) ，表 示p 中的t o k e n 数，m = ( m ( p 1 ) ，m ( p 2 ) ，m ( p n ) ) 表示系统的一个状态。 m 0 为系统的初始标识( i n i t i a lm a r l b l 表示由m 引发t 而导致m ，t 在m 有发生权记为m t 。如果 口表示。个变迁引发序列，则记幽m 经。而m 为m o m7。 3 2 2p e t r i 网的图 p e t r i 网是种图形建模，具，p e t r i 网的图是表示p e t r i 网结构的有向 图。p e t r i 网包含有库所、变迁两个基本要素，对应的图有两类节点。在图 上用圆圈“o ”表示库所集中的一个库所，用小矩形“口”表示变迁集中的 一个变迁，从库所到变迁的箭头和从变迁到库所的箭头表示有向一个流关系， 若( x ，y ) f ，则存在一。条由x 指向y 的有向弧，弧上的数字表示w ( x ，y ) ， 若w ( x ，y ) - i ，则省略。每个库所节点旁的数字表示对应的k ( s ) ，若k ( s ) = 一则省略。姆个库所= 市点圆圈内的小黑点“”数或一个数字表示席所节点 中的托肯( t o k e n ) 数，它既可代表某种物质资源，又可代表信息资源。p e t r i 网中的行为用托肯( t o k e n ) 的分布束描述，即用m 来描述：p e t r i 网的运行 就决定于p e t r i 网中托肯的分布情况。变迁发生的条件是它的一个输入库所 中含有的托肯数要多于或等于该库所到该变迁的流关系的权数，即：s 。t ： m ( s ) w ( s ，t ) ，其中s 是t 的前集中的元素，同时满足条件：s t 。：m ( s ) + w ( t ，s ) k ( s ) ，其中t 是变迁l 的后集，这时t 在状态标识m 有发生权，也说m 授权t 发生，记作：m t ) 。 变迁一旦触发，托岢在p e t r i 网中的分布就会立即改变，变迁的输入库 所中的托肯就好相应减少。 3 2 3p e t r i 网的特点 p e t r i 网具有如下一些特点： 1 ) 直观的图形表示。p e t r i 网是一种图形化语言。经典的p e t r i 网有两种元素； 1 4 t j t p o p那毗弧 一订似吣叭吖 ，、l fm 硕士学位论丈 m a s t e r st 1 l f s i s 变迁元素( 用方框表示) 、库所元素( 用圆圈表示) ，而有向边表示这两种元 素之间的关系。 2 ) 形式化的语义。p e t r i 网( 包括各种高级网系统) 都有形式化的语义定义，一 个p e t r i 网模型加上相应的语义就能描述一个动态过程。 3 1 状态和事件的显式表示。有些过程建模方法侧重于描述系统状态的变化， 如状态自动机；有些建模方法是基于系统中事件的发生，如过程代数、数 据流图。p e t r i 网能够同时显式地描述系统状态和事件，这样便于对系统 的理解和分析。 4 1 丰富的分析技术。p e t r i 网模型一个很重要的特点在于它提供了丰富的系统 分析技术，如对系统不变量( i n v a r i a n c e ) 、活性( 1 i v e n e s s ) 、有界性 ( b o u n d o e s s ) 、安全性( s a f e t y ) 等分析计算。 基于以上所述，本文主要描述p e t r i 网在远程虚拟实验过程建模中的应 用，包括远程虚拟实验过程的p e t r i 网表示、形式化说明等。 3 2 4 对象p e t r i 网( o p n ) 对象p e t r i 网是由c a l a k o s 提出的，它在p e t r i 网的基础上融合了面 向对象设计的各种概念，包括类、对象、封装、继承、多态、动态绑定等， 及其具有完善的形式化语义和通俗易懂的图形化表示的特点，使o p n 成为 一种优秀的面向对象的系统建模工具。 而向对象技术( 0 0 ) 是目前世界上非常流行的一种大型复杂系统的建模 方法，它利用对象的封装性把对象的内部数据和操作这些数据的代码连接在 一起，并且将它们与外部隔离，使用户只能通过对象的公共接口与其内部数 据进行通讯，是系统具有很强的模块性，便于系统的添加、维护和修改。而 p e t r i 网与面向对象技术有许多可以结合之处： 首