（机械电子工程专业论文）基于cscw的电子教室系统的设计与实现.pdf

浙江工业人学坝，l 论文一批十c s c w 的i b 予教室系统的世m 0 实现 摘要 y 0 8 0 16 f 计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t iv ew o r k c s c w ) 是研 究用计算机系统支持人们进行协同工作的科学，目前c s c w 的研究正处于蓬勃发展的 阶段j 本文以其基本理论为起点，主要就如何在w i n d o w s 环境下设计与实现一个基于 c s c w 的电子教室系统展开研究。 、第一章绪论简单回顾了c s c w 的发展历程；着重探讨了目前c s c w 的发展状 况，分析了它的主要研究课题以及商品化产品的不足之处。 第二章电予教室系统接口的设计与实现；首先阐述了目f j i c s c w 系统接口设计 的一般方法，然后指出现有电子教室系统接口的不足，提出在接口设计中引入对象的 链接与嵌入( o l e ) 技术，并具体设计和实现了一个支持o l e 的电子教室系统的接 f 3 。 第三章电子教室系统通信的设计与实现f 就w i n d o w s 环境下如何利用w i n s o c k a p i 进行通信展开研究。f 针对不同数据对可靠性和实时性的不同要求，设计了流方式 和数据报方式两种网络通信方式，较好地实现了电子教室系统中数据信号与语音信号 的通信。p 、r 一一 第四章协调机制的研究：论述了协同管理和并发控制的概念，并根据c s c w 系 统对并发控制算法的要求，重点分析了当的各种并发控制算法的优劣和电子教室系统 中对并发控制算法的选择。 第五章总结与展望f 总结本文的主要： 作，并对c s c w 今后进一步的发展作了 初步讨论。声，一 关键字：c s c w ，电子教室，接口，通信 矿”。 | r e s e a r c ho nw h i c hi sn o wf l o u r i s h i n g t h i sp a p e rb e g i n sw i t hc s c w sb a s i ct h e o r y ， e x t e n d si t si n v e s t i g a t i o na r o u n dt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fac s c ws y s t e m r u n n i n gi nw i n d o w s c h a p t e ro n e ： i n t r o d u c t i o n c o u r s eo fc s c w sd e v e l o p m e n ti s s i m p l yr e v i e w e d ，w i t h i t s p r e s e n t s i t u a t i o n ， i n c l u d i n gm a j o rs u b j e c t s a n dt h el i m i t a t i o n so fm e r c h a n d i s e d p r o d u c t s ，e m p h a s i z e d c h a p t e rt w o ：d e s i g no fs y s t e mi n t e r f a c eo fc s c w w it ht h e g e n e r a l m e t h o do fp r e s e n ti n t e r f a c e d e s i g n o f c s c w s y s t e m e x p o u n d e df i r s t ，i t sd e f i c i e n c i e sa r ep o i n t e do u t t h u sa ni d e ao fi n t r o d u c i n g t h et e c h n i q u eo fo b j e c t1 i n ka n de m b e di n t oi n t e r f a c ed e s i g ni sp u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e ，t op u ti tt oe f f e c t ，as y s t e mo fe l e c t r o n i cc l a s s r o o mi ss e tu p ， i n t e r f a c eo fw h i c hr e a l i z e ss u c c e s s f u l l yt h es u p p o r tt oo l e c h a p t e rt h r e e ：d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o ni nas y s t e mo f e l e c t r o n i cc l a s s r o o m t h er e s e a r c hi se x t e n d e da r o u n dh o wt oc o m m u n i c a t ew i t hw i n s o c ka p ii n w i n d o w s a c c o r d i n gt od i f f e r e n td a t a sd i f f e r e n tr e q u i s i t i o n so fr e l i a b i l i t y a n db e t i m e s ，t w of a s h i o n s o fn e t c o m m u n i c a t i o n ，s t r e a ma n dd a t a g r a m ，a r e p r o d u c e d c h a p t e rf o u r ：r e s e a r c ho nc o o r d i n a t i v em e c h a n i s m t h ec e n t r a li d e ao fc o l l a b o r a t i o nm a n a g e m e n ta n d c o n c u r r e n c yc o n t r o la r e d i s c u s s e df i r s t ，t h e n a c c o r d i n gt ot h er e q u i s i t i o no fc s c i s y s t e m ，t h eg o o d n e s s a n dw e a k n e s so fe a c hc o n c u r r e n c yc o n t r o la l g o r i t h me r es t r e s s i v e l y a n a l y z e d c h a p t e rf i v e ：c o n c l u s i o na n df u r t h e rr e s e a r c h w i t ht h ec o n c l u s i o no fm a i nw o r ki nt h ep a p e r ，p o s s i b l ef u r t h e rr e s e a r c h o nc s c wa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c s c w ，e l e c t r o n i cc l a s s r o o m ，i n t e r f a c e 。c o m m u n i c a t i o n - i 黪舞黪鼙 op 黪 ”。| 一二j ji 。j 致谢 本论文的完成过程中，我得到了许多老师和同学的热心帮助和支持，在这单向所 有关心、帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢。 首先要感谢我的导师张立彬教授。两年多来，张老师以他渊博的学识、学者的风 范引导着我在知识的海洋中畅游、成长，在学习和工作上给我以悉心指导和谆谆教诲， 令我终生受益。老师的殷切希望将激励着我今后在工作中加倍努力，争取最好成绩。 感谢胥芳老师和方仲平、计时鸣老师，他们不仅在论文选题、框架结构等方面给 予我悉心指导，而且对我的论文构思也有不少启发和帮助，在他们身上时刻闪现着中 国知识分子谦逊、认真的美德。 感谢徐立权、李晗、张丽等师兄弟们，他们在论文的写作过程中不时给我以鼓励 和帮助，他们的勤奋、友爱无论在工作还是生活中都非常值得我学习。 我还要感谢我的妻子黄瑕，一直以来她都默默地支持着我。我的每一点成绩都凝 聚着她的一份辛劳。 最后，感谢生我养我、并给予我无私关爱的父母，对于他们，我只能以自己的努 力和成绩聊以回报。 。 ， 李荣 2 i ：4 。，馘一* i ，j 势口渗劳黪 v“殳，奠， ， 塑坚二些叁鲎堡：! 堡兰= 苎! ：! ! ! ! 竺! ! ! 塾皇墨竺堕整生生窒型一 第一章绪论 随着网络技术和分布式系统的普及，计算机应用正从传统的单用户工作模式向多 用户协同工作的方向发展。计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v e w o r k c s c w ) 作为一个新兴的多学科交叉领域，吸引了越来越多的关注。 1 1c s c w 的概念和特点 计算机支持的协同工作是研究用计算机系统支持人们进行协同工作的科学，也就 是研究如何利用计算机技术、多媒体技术和网络通信技术，支持工作群体成员在共享 环境下的交互协商、分工合作，共同完成某些任务t 1 1 【2 】。共同任务和共享环境是c s c w 区别于其它多用户系统如多用户分时系统的关键。 一般说来，c s c w 系统具有以下特点p 】： 1 ) 分布性：c s c w 应支持用户使用地理位置分散的计算机，c s c w 本质上应是 一个分布式系统，并且应支持与协同无关的透明性，如位置透明性。 2 ) 共享和通信：信息共享是协同工作的核心，通信是c s c w 的基础，系统应提 供多种通信方式，如点对点、组播( m u l t i e a s o ，支持多种媒体的传送，包括文 本、图形、声音、图像等，支持不同通信形式如实时通信、异步通信等，以 提供用户多种信息共享的功能。 3 ) 并发性和一致性：系统应允许多用户同时操作，并保持共享数据的一致性。 显然，一致性可能要求对并发性作一定的限制。 4 ) 可靠性：系统能对一些故障( 如通信错误) 进行恢复，用户操作错误也不应导 致整个系统的崩溃。 5 ) 高性能：系统应支持对用户动作的快速响应。从总体上说，一项工作由多用 户合作完成，无疑提高了性能，但信息在网络上传输韵开销可能导致性能降 低。 6 ) 高质量的用户接口：系统的分布特性、并发操作及系统错误的发生，在c s c w 接口处不应导致用户的惊讶，高质量的接口应便于用户的操纵，并且提供用 户裁剪的功能，以增强接口的适应性。 7 ) 易于升级和开放：易于升级是指能方便地将单用户应用升级为多用户应用， 以便能重复利用大量已有的软件，开放性是指能提供一个环境使不同的 c s c w 系统能相互开放地使用，即提供不同c s c w 应用之间的互操作 ( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ，从而可以多个c s c w 系统连接为个整体，避免被孤立使 用。 1 2c s c w 的发展过程 1 2 1 协同科学的概念 “协同科学”是- f - j 研究完全不同的学科中存在着的共同本质特征的横断学科， 已成为联系各种学科的桥梁和纽带。人们正试图以“协同科学”为基础，建立一套能概 括自然科学、技术科学乃至社会科学的综合性的理论与方法。它也是系统科学( 系统 论和系统工程) 的基础n ，。 “协同科学”的思想和方法也充分体现了辨证法的观点，具有深刻的哲学意义。 整个自然界是由不同的运动形式、不同的物质层次和不同的系统构成的统一整体。而 各种运动形式、不同物质层次、各系统之间既相互作用、相甄制约又相互依存、相互 合作，通过对立面之间的统一和斗争，以一定方式发展演化。我国古代的自然科学中 也十分重视不同事物之间的相互协作现象和协同作用，有“天时不如地利，地利不如 人和”的“和谐”观点。 近代自然科学也十分注重研究各个不同的物质结构、层次、运动和系统的内部各 元素的协调问题。爱因斯坦就曾指出：“如果不相信我们世界的内在和谐性，那就不 会有任何科学”。 在社会学、经济学和组织理论中，也早就有对“协同作用”概念的讨论。各种学 科，诸如物理学、化学、生物学、医学、信息科学( 包括计算枫和通信) 、军事学、 社会学、经济学、组织科学等，都在从不同的角度研究协同现象，研究本学科范围内 或相关交叉学科的协同问题。协同科学则是要把不同的学科中拭同存在的协同现象抽 取出来作为其研究对象，研究协同的本质、协同的结构、协同的描述模型、协同的作 用、协同的研究方法和支撑工具、以及应用等。 1 2 2 从“协同学”到c s c w 德国斯图加特大学h e r m a n nh a k e n 在6 0 年代研究激光理论的过程中，逐步形成 了所谓“协同学”的基本理论和观点，1 9 7 7 年发表了“协同学导论”一书，正式建立 了协同学的理论框架。它以信息论、控制论、突变论等为基础，用统计学和动力学方 2 法，通过分析类比，建立了一整套数学模型，用来描述各种系统和运动现象中从无序 到有序转变的共同规律”。 计算机网络技术及其应用，给协同科学的研究提供了支持。计算机支持的协同工 作( c s c w ) 研究领域的出现可以说是协同科学在信息化时代的新发展。 c s c w 最早出现在1 9 8 4 年，美国麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t e si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y - - m i t ) 的i r e n eg r e i f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 组织了个来自不同 领域的二十人研究组，共同探讨协同工作中如何发挥技术作用的问题，并正式提出了 c s c w 的概念，代表那些支持用户群共同工作的计算机系统。1 9 8 6 年，第一届c s c w 国际会议在美国德克萨斯州举行，c s c w 作为一门跨学科、跨领域的新兴学科被确认 下来。 自此，c s c w 领域聚集了越来越多的不同学科学者进行研究和探讨，在国际上得 到了极大的重视。1 9 8 9 年欧洲学者们在伦敦召开了第一届欧洲c s c w 国际会议 e c s c w 8 9 ，以后这两个代表最高水平的国际会议每年在北美和欧洲交替举行。1 9 9 6 年在北京召开了第一届计算机协同设计c s c w i d 国际会议，以后每年举行一次( 1 9 9 7 年在曼谷、1 9 9 8 年在东京、1 9 9 9 年在法国贡比涅举行) 。1 9 9 8 年1 2 月，在清华大学 召开了中国第一届c s c w 学术会议c c s c w 9 8 ，今后将每两年召开一次，这标志着 c s c w 在国内的研究正在同益深入和推广。 1 3c s c w 的现状 c s c w 研究涵盖了在复杂的组织结构内使用计算机和信息技术支持群体工作的 所有范畴，其研究范围是广义的协同工作( c s ) 和广义的计算机支持( c w ) 。目前 c s c w 研究正处于蓬勃发展的阶段，已形成了一套复杂的通信和协调机制，以及基于 半结构化消息、视图耦合、s p e e c ha c t 理论的基础结构1 7 1 。国外对c s c w 研究很感兴 趣，发展势头十分强劲，近年来出版了专门刊物，如c s c wj o u r n a l 、g r o u pa n d o r g a n i z a t i o nm a n a g e m e n t 、j o u r n a lo f o r g a n i z a t i o n a lc o m p u t i n g 等，报道该领域的最新 研究成果。 1 3 1 c s c w 的主要研究课题嘲们 1 、群体工作理论 社会学、人类学、管理科学和分布式人工智能( d 慷i ) 都对群体工作进行了深入的 研究，探索群体工作的本质和特点及提高群体工作绩效的策略、方法。管理学强调组 3 浙江t 业人学硕：l 论文一柴十c s c w 的i u 予教室系统的设计与实理 织结构，认为组织结构是实现组织目标的基础，组织结构包括任务和角色的划分、管 理机制、有效的协调手段三要素。不同的组织结构有着不同的侧重点，如传统组织结 构强调等级制度，现代项目中心结构强调灵活性及适应性等等。d a i 旨在研究合作或 竞争环境下如何协调智能系统的行为，在全局协同、通讯和知识分布方面得出了丰富 的理论成果，提出了合同网、功能精确合作( f a c ) 方法、多结点规划等协调合 作策略。 群体工作理论始终是c s c w 研究焦点。较有代表性的有： 1 ) w i n o g r a d 和f l o r e s ( 1 9 9 8 年) 提出了基于语言学的群体动作分析理论- - s p e e c h a c t ( 语言行为) 理论，并以此设计了c o o r d i n a t o r 系统。s p e e c ha c t 是指 出语言交互而引起行为的变化。该理论认为语言行为具有不同的类型，用户 可利用语言行为建立他们之间的协作，如人们通过相互发出或跟踪“请求” “承诺”这两类语言行为，实现协同工作的任务分配过程。因此可以根据 s p e e c ha c t 理论建立某种模型来描述和控制协作过程。c o o r d i n a t o r 系统包 括了一个语言行为集和该集合之上的对话转换模型，实现了工作组的任务分 配和合作行为。 2 ) m a l o n e ( 1 9 9 0 ) 基于组织理论和a i 中的黑板结构，提出了如何综合这两种理 论，以实现组织中信息路由和协作实体之间的相互通信，并用于设计信息透 镜( i n f o r m a t i o nl e n s ) 系统。在a i 技术中，黑板是一种全程的层次性数据库， 不同的知识源访问黑板的特定层次，多个知识源通过对黑板的读写进行通信， 通过控制和调度机构进行系统的控制操作，黑板结构为不同的程序模块提供 了极为灵活的通信方式。 3 ) h o l t ( 1 9 9 8 ) 描述了一种用于设计协作工具的理论语言，其实现主要基于p e 删 网，这种方法来源于计算机科学中的并行处理理论研究。该语言可作为大型 “协作机制”理论框架的一部分，它可用于设计“合作环境”，以帮助人们基 于计算机网络的协作工作。 2 、多用户接口 为了支持协同感知( c o l l a b o r a t i o n a w a r e n e s s ) 的特性。多用户接口是要建立和维 持一个公共上下文( c o m m o n c o n t e x t ) ，允许一个用户的活动能疲唳在其他用户的屏幕 上。这个公共上下文通过共享应用的信息来实现，对共享信息的实时表达和操作是协 同多用户界面的主要功能。 3 、通信 通信是提供协作支持的基本手段。c s c w 系统应提供多种通信方式，如点到点的 传播、成组通信，支持文本、图形、声音和视频等多种媒体的传送，支持同步的、异 步的通信。新通信方式的引入，对通信技术提出了更高的要求。目日f 热点的研究课题 4 浙江_ 业大学颂1 ：论文一坫十c s c w 的叱了教室系统的设计与实现 是c s c w 组通信( g r o u p c o m m u n i c a t i o n ) 。 c s c w 组通信支持c s c w 体系结构中各层次之间的多种模式的协作通讯，并保 证报文的排序和实时性( 时间敏感性) 。其通讯模式有1 ：n 、m ：1 和m ：n 。c s c w 组通讯具有如下几个特性：组建立与撤销的动态性；多组可覆盏性；组内部和组间的 协作性；组成员( 内部或外部) 之间可直接进行同步通信和异步通信；综合集中式和 分布式两种管理方式。 c s c w 通讯系统的层次结构包括： 1 ) c s c w 用户通信层：主要完成用户之间基于c s c w 协作应用内容的通讯，如 e m a i l 内容、共同写作文件的内容以及会议系统的主题内容等，它是出用户直 接控制的； 2 ) c s c w 组通信管理与控制子层：根据c s c w 应用要求建立或撤销工作组需求， 或把若干相关c s c w 进程组成或撤销相应的逻辑工作组。 3 ) c s c w 报文传输层：根据c s c w 用户所设置的控制参数( 如同步异步工作 模式) 和q o s 参数( 如端一端延迟，时间间隔以及数据速率等) 实现所需的 工作组内部通讯。 4 ) 网络通信层： 和c s c w 组通信有关的研究还包括高级通讯协议、通讯机制、通信语言等问题。 4 、协调机制 协作的动态性和灵活性决定了协调机制的复杂性。协调指对个人的工作进行调整 和集成以完成群体目标。传统的分布式系统注重面向系统的控制方法和分布透明性， 在协调控制方面对c s c w 支持不足，c s c w 系统支持丰富盼人际闯协作模式，这是 c s c w 系统区别于其他分布式应用的要求和特性。c s c w 系统允许用户显式地控制合 作过程，即控制要以用户为中心。 在c s c w 的研究过程中，主要存在两种方向和策略：美国研究者对小群体应用 感兴趣，研究和产品之间的联系比较紧密；欧洲研究者侧熏于支持组织内部和大群体 活动，注重系统的观点、方法。 1 3 2 c s c w 系统的层次模型1 1 0 i c s c w 系统模型应该包括四个层次： 1 ) 通信平台；具备高服务质量( q o s ) 的网络技术和高速传输协议。 2 ) 系统平台：提供具有异步和同步通信功能的通用部件和服务。例如：多媒体 5 浙江工业人学碳一l ? 论文一拱十c s c w 的1 u 予教室系统的设计j 实些 电子邮件、多媒体同步机制、多媒体数据库、实时参考对象访问、音频视频 通信、应用共享等。 3 ) 多媒体应用技术：例如：异步目录访问、电视点播、专家咨询、联合工程设 计等。 4 ) 各种不同的应用领域和系统。 由第1 ) 、2 ) 、3 ) 三层提供了高质量网络、多媒体通信通用部件和服务、各种多 媒体应用支撑技术和剪裁机制；第4 ) 层设计和开发各种面向特定领域的应用系统， 例如商业应用、银行金融应用、医学应用、制造业应用、军事应用、办公应用等。 1 3 3c s c w 系统的结构模型1 1 0 】 c s c w 系统结构模型有集中式和分布式两大类。 1 ) 集中式结构 集中式结构又被称作客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 结构。主从 ( m a s t e r s l a v e ) 结构是客户服务器结构的特例，它使用其中的一台客户机同时充 当服务器。在集中式系统中，所有的用户输入都被送到中央服务器，由服务器协调输 入的计算次序，并将计算的结果输出到所有的客户机。 集中式系统的最大的优点是简单和易于实现，尤其是使用象x w i n d o w s 这样的网 络窗口系统时实现更加方便。由于所有的应用和数据都存放在服务器上，所以易于实 现存取管理和保证数据的一致性；另外由于服务器能够直接把输出送给所有客户机， 所以即使是很细粒度的协同也可以较方便地实现。 但是集中式系统缺乏灵活性，虽然有的集中式系统实现了视图级的信息共享，但 实现复杂而且功能很弱。集中式系统的另一个缺陷是健壮性茇，当中央服务器或充当 服务器的客户机出现故障时，系统将无法正常工作。在集中式系统中。所有的用户动 作都必须经过服务器的计算才能在本地用户的屏幕上显示动作的结果，在网络速度较 慢或并发用户较多的情况下，系统的响应时问很长。 采用单一黑板结构的系统是典型的集中式结构，早期的c s c w 系统多数是基于黑 板结构的，见图卜l a 。 6 浙江工业人学硕士论文基于c s c w 的l u 予教室系统的设计与皇! 型 一，控制流 一数据流 l a n ，w 心 a 黑板结构b 多代理结构 图l - lc s c w 的两种结构模型 2 ) 分布式结构 分布式的方法采用对等通讯( p e e r t o p e e r ) 模型方式，在每个与会成员的机器 上，每个模块都运行一个本地“代理”( 1 0 c a la g e n t ) ，它接受用户动作，计算动作 的结果，并将结果广播给其它用户。典型的多代理结构，如图卜l b ： 分散式的方法灵活性大，开放性好，通用性强，且便于将异构的机器的软件连接 在一起。分布式系统允许每个用户定义自己的工作界面，响应时间较短。当分布式系 统中的一台或几台机器出现故障时，分布式系统仍能正常工作，为了预防机器故障而 采取差错措施也较为容易。分散式方法为开放式的大型工作组提供了可扩散的远程协 作服务。 分布式系统的主要缺点是难以解决协同工作的实时性和数据的一致性问题，为了 缩短响应时间，每个用户的输入首先在本地机上响应后再广播给其它用户，由于网络 传输带来的延时，在不同的机器上操作的执行序列可能不同，从而造成操作结果的不 一致。分布式系统的另一个问题是用户的动态注册，即新用户如何加入已经开始的协 作过程。在集中式系统中，由中央服务器接受新用户的注册请求并将系统的当前状态 传递给新用户，而在分布式系统中，由于没有统一的控制中心。动态注册的用户必须 将自己的注册请求通知每一个分布用户，并根据每个用户的返回状态计算系统的当前 状态。 1 3 4 群件 近几年来，网络和通讯技术的飞速发展，促进了分布式多媒体信息交互技术及其 应用的发展，为c s c w 的商品化提供了技术和经济上的支持。 商品化的c s c w 应用系统，即群件( g r o u p w a r e ) ，是一种基于计算机的系统，用 来支持从事某个共同任务的群体，在通信、合作、协调等方面给予协助，并提供对共 7 蓬滋+ 蒸。 塑里! 些墨堂堡! ：堕塞= 苎! ! ! 型塑! ! 王塾奎墨竺堕坠生尘茎型一 享环境的连接接口【“1 。其典型代表如l o t u s n o t e s 软件，l o t u s - n o t e s 实现了 以丌放式信息共享、工作流支持、共同写作、面向文档的数据库管理等功能，有效地 支持了办公室的日常协同工作。c s c w 和群件两者要解决的根本问题是一致的，由于 研究的背景和看待概念的角度不同才产生了差异。c s c w 团体着重研究c s c w 有关 理论并进行实验系统的开发，而群件研究者着重讨论c s c w 软件商品化的技术问题。 群件系统作为c s c w 应用的具体技术实体，种类较多，形式多样。从应用角度 主要可分为以下四类”卅： ( 1 - ) 消息系统：这是最为熟悉的群件系统，支持工作于不同地点的成员异步地 交换各种媒体信息，包括电子邮件系统、异步式计算机会议系统、公告板 系统等。为了解决“信息过裁”的现象，人们将智能引入到消息系统中， 自动完成报文分拣的信息过滤功能，如i n f o r m a t i o nl e n s 允许用户制订规 则，出系统根据报文内容自动归档或转发。 ( 2 ) 共同编辑系统：包括协同写作工具、多媒体协同设计工具等，支持用户同 步或异步的合作。协同写作工具实现了路由、排序、存储控制、版本控制、 一致性检查、并发控制实现方法等功能来支持多用户文本编辑，还可根据 用户角色的相互关系、信息的特征和写作的阶段，分配文档的存取权限。 目前的产品有g r o v eq u i t 、g r o u p w r i t e r 等。s h a s t r a 是美国p u r d u e 大学研 制的一个分布式设计环境，以加强科学和工程设计中的协同设计工作，它 集成了多种工具，形成了分布的、可扩展的多媒体协同设计环境。 ( 3 ) 计算机会议系统：由计算机连接各用户并且提供相应的环境提示、通过各 种通信网络实时传送文本、图象、影象和声音的会议支持系统。这又可分 为三类：实时计算机会议通过分散的用户终端或相对集中的会议室同步地 进行交互，但不能相互传递视频，如r e a lt i m ec a l e n d a r ，c o g n o t e r 等；远 程计算机会议则是在多媒体通信网络支持下进行的视频交互会议，但用户 不能共享正文、图表等计算机信息，如c r u i s e r ；台式计算机会议结合以上 两者优点，所有参加者都可以共享信息，且具有现场视频提示，如m m c o n f 系统和基于多媒体网络的r a p p o r t 会议系统。 ( 4 ) 群体决策支持系统：提供电子会议环境帮助群体解决非结构化问题。群体 决策利用群体的力量提高决策的质量和及时性，一般包括3 个步骤：会前 的计划与准备；会中的创造性思维、提出备择方案、磋商讨论、方案集成； 会后的文档形成和评价。群体决策支持系统除了提供对会议过程的支持之 外，还集成了观点引出、组织与评价等辅助工具，如基于a i r e s 的 m u l t i g r o u pd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ( m o d s s ) 。 另外，从时空角度，又可把群件系统分为四类：同时一同地( 面对面交互) ，如 剪贴板、群组决策等 同时一异地( 同步分布式交互) ，如视频会议等；异时一同地 ( 异步交互) ，如共享文件等；异时一异地( 异步分布式交互) ，如e - m a l l 等； 8 在实际应用中c s c w 系统往往不止提供单一模式的支持，研究者越来越注重多 种模式的集成以提高系统的灵活性。 目| j ，c s c w 在欧美和同本得到了广泛的应用。在欧洲，c s c w 系统应用最成功的 例子之一，是丹麦在建造h a l s s k o v - k n u d s h o v e d 大型隧道过程中所使用的c s c w 系统。 这是c s c w 支持大规模工程项目实施的极好实例。从工程立项开始，到工程设计、招 标、投标、工程合同的签订，以及全部工程设计图纸的产生、文档资料的编辑加工、 分发、管理和工程进度的监督、验收，以致于经费的预算、决算等都是在c s c w 环境 下进行的，不但保证了工程的质量，而且加速了进度，大大节约了资金。 1 4 本课题主要研究内容 目前i n t e m e t 上的大部分远程学习系统是以w w w 为基础，将学习内容以h t m l 格式集中存储在w e b 服务器上，由学员通过浏览器进行学习。这种系统模型简单、 内容单一，大部分为文本信息，交互性不强，虽然通过c g i 、j a v a 、a c t i v e x 等工具 能实现一定的交互性，但是这种交互缺乏实时性，同真正的课堂讲学有很大的差别。 本课题将设计并实现一个运行在w i n d o w s 环境下的、通用的电子教室系统。该 电子教室系统即可以通过单位内部的局域网连接各用户，也可以通过互联网连接远程 用户。电子教室系统示意图如下所示，其拓朴结构为星形结构。 图i - 2 电子教室系统示意图 9 浙江工业大学硕士论文一基于c s c w 的l 乜于教室系统的设计与实现 电子教室系统提供一个模拟环境来进行教学活动。在这个环境中教师将教学内容 通过网络传送到每个学生的计算机上，教师拥有对整个教学的绝对控制权和发言权， 学生可通过电子举手和电子点名两种途径获得发言权，在得到教师同意后也可暂时控 制教学过程，而教师在必要时可强行收回各种权力。该系统将涉及到c s c w 研究领域 中许多共性的东西，本文主要就以下三个方面展开研究： ( 1 ) 接口的设计：用户对共享数据的操作必须通过接口传递给系统和其他用户。 现有电子教室系统的接口一方面对教学提供的支持比较简单，不能适应多种课程的教 学，另一方面功能也较单一，一旦开发完毕其功能就固定下来，无法按用户的意图更 改。本文提出的用o l e 技术进行接口设计将较好地解决这一问题。 ( 2 ) 通信的实现：群体合作的基本要求之一，就是实时的信息共享，因此必须实 现信息的多点传送。多点传送可有多种实现方式，每种方式各有长短，根据不同数据 对可靠性和实时性的不同要求，我们分别设计并实现了流方式和数据报方式两种网络 通信传输方式加以解决。 ( 3 ) 协调机制的选择：协同教学是有多人参与的一项群体活动，有“协同”就必 然有“冲突”，所以有必要进行一定的管理和控制。c s c w 系统中为解决冲突可有多 种选择，各种方法在一致性、复杂性等方面各有所长，电子教室系统应根据自身的特 点加以选择。 1 0 第二章电子教室系统接口的设计与实现 传统的单用户系统的特点是只有一个用户，该用户通过一个接口( 如显示器) 与 系统进行交互活动；分布式多用户系统支持多个用户通过各自的终端同时使用系统提 供的服务，系统提供多种透明支持，使用户感觉似乎只有他一个人在使用整个系统。 单用户系统和分布式多用户系统实现的都是单一的人一机交互，而c s c w 系统与此不 同，它支持一组用户通过各自的接口与系统进行交互，并且将交互结果反映给组内的 其他用户，从而实现人一人之间的交互，这种人一人交互方式是通过人一机、机一机、 人一机三个步骤实现的。在电子教室系统中，它实现的是教师与学生以及学生与学生 之间的交互，在这种交互方式下，教师与学生能互相感知对方的存在、行为及状态， 相互协作以共同完成教学任务。 2 1 接口的信息表示 接口信息在多个用户的显示器上如何表示，可以有如下一些选择， 1 ) 在所有用户的屏幕上显示的信息完全相同，但这就意味着要求所有用户使用 同样的显示器。这种方式被称为屏幕共享( s h a r e as c l 饿：n ) ，在实际电子教室 系统中因对用户要求过高而较少采用； 2 ) 将用户屏幕分为若干个窗口( w i n d o w ) ，其中显示共事信息的窗口内容完全一 致，即相同的共享信息以相同的方式在共享信息窗口中表示这种方式也被 称为窗口共享( s h a r e dw i n d o w ) ，在实际应用中最为常见； 3 ) 对相同的信息，每个用户接口有不同的表示方法，例如同一个数据在一个用 户接口上可以用字符表示，在另一个用户接口上可以表示为图形，甚至还可 以用声音、图像等来表示； 4 ) 考虑到一个系统的共享信息可能在一个屏幕或窗口内不能全部显示，用户也 不可能始终关注相同的部分，这就要求各用户的接口能够表示不同的内容。 前两种接口又称为w y s i w i s ( w h a t - y o u s e e - i s w h a t - i - s e e ) 接口对于这类接 口，由于共享信息完全一致地显示在共享窗口或共享屏幕上，多个接口可以由一个接 口模块管理，因此许多由单用户应用系统升级而来的多用户协同皮用系统都采用这种 接口方式。只要在输入输出模块与对话模块或应用程序之间增加一个多路传送器 ( m u l t i p l e x e r ) 和一个过滤器( f i l t e r ) ，将应用程序的输出多路发送给组内所有用户和 将多个用户输入过滤为一个，这样，从应用程序的角度看，它仍然是一个只有单个用 户和单个输出的单用户系统。 后两种接口又称为w y s i n w i s ( w h a t y o u s e e i s - n o t - w h a t - i s e e ) 接口。因为它 适应了多个用户对相同信息不同表示的兴趣以及对共享信息不同部分的关注，使得它 成为当前c s c w 接口研究的重点。 2 2 接口的协同形式与故障恢复 c s c w 系统中多用户的协同工作要由其接口来支持。通过接口，使用户能感觉到 别的用户的存在与合作，并且他自己的动作也能被别的用户所感知。随之而来的一个 问题是：一个用户的操作( 如修改、删除等) 应如何通知其他的用户? 可以有以下几 种方法： 1 ) 动作同步：一个用户与其接口的所有交互动作都传送给其他的用户，从而引 起相应的信息改变。这种方法使用户每一个细微的动作都能被别的用户感知， 协同程度较高，但加重了协同管理的负担和通信的负载。更为重要的是，它 可能对协同起完全相反的作用：当有足够多的用户，并且任务具有足够高的 交互程度时，它足以使人目不暇接。 2 ) 状态同步：每一个用户接口有一个数据缓冲区，可以将用户当前一系列动作 所引发的变化存放于此，待用户确认后再通知别的用户。这样使传送的数据 保持一致性状态，也因此减少了可能的冲突，提高了协同的效率。但这种方 法协同程度较低，数据缓冲区大小也不易确定：小了对动作同步的改善不明 显，大了限制了多用户操作的并行性。 3 ) 综合控制：系统提供同步通信机制，由应用程序员决定共享粒度，在应用程 序开发过程，可以指定某些交互动作立即传送，参与协同，某些存入缓冲， 暂不传送，还有一些私有动作则干脆不通知别的用户这种方法比较灵活， 但增加了程序员的负担。 共享信息显示在用户接口屏幕上，可以看作是存储在某一节点内的该信息的一个 副本或高速缓存，当由于系统故障( 如通信错误、节点崩溃等) 蔼导致对显示信息的 操作未能通知相应用户，即该动作流产时，便出现了数据的不一致性，此时应对屏幕 进行刷新，恢复到动作执行前的状态。传统的事务一致性( t m m a e t i o n - c o n s i s t e n c y ) 允许这种数据不一致性暂时存在，直到下一个读操作执行前为止。因为其副本是内在 的，用户并未察觉，对c s c w 接口，情况就完全不同了，显示是连续的，即用户随时 都在进行读操作，因此，系统应提供错误检测，一旦出现故障，立即进行恢复，对屏 幕刷新。 1 2 浙江u t 业大学硕士论文一赫于c s c w 的i u 予教室系统的设过兰壅些 2 3 接口开发 2 3 1c s c w 系统对接口的要求 大多数已有的协同系统都把接口开发作为应用程序开发者的任务。协同接口开发 的焦点是信息麸享，需要对共享信息不同的表示和交互技术提供支持。单用户接口开 发已有一些可遵循的原则，与之相比，c s c w 接口更为复杂，更需要接口开发技术的 支持。 c s c w 接口一般应满足以下要求： 1 ) 分离性：与单用户接口一样，c s c w 接口应独立于应用系统，这种特性具有 下列好处：可复用性( r e u s a b i l i t y ) ，即接口和应用都能不同程度地分别被 复用；方便性( c u s t o m i z a t i o n ) ，即接口能分别被程序员和用户剪裁；可 移植性( p o r t a b i l i t y ) ，即接口可方便地移植到其他的应用中；多接口( m u l 邱l e i n t e r f a c e ) ，即同一应用能被不同的接口操纵。 2 ) 快速反馈和馈通：反馈指用户自己动作的屏幕显示，馈通( f e e dt h r o u g h ) 是 指一个用户的动作导致工作在不同机器上的别的用户接口的修改。c s c w 接 口必须支持反馈和馈通的快速响应，使参与协同工作的用户及时了解到工作 的最新进展，提高协同效率。 3 ) 允许用户剪裁：参与协同工作的用户往往采用不同的工作方式。c s c w 接口 设计者不可能满足所有用户对接口表示的要求。一个解决办法就是用户根据 自己的需要修改各自的接口以增强接口的适应性。 2 3 2 现有电子教室系统接口的不足和改进方法 现有电子教室系统都会提供一个电子白板( w h i t e b o a r d ) 作为多人参与讨论的共 享区域。在这个电子白板中，多个用户通过文字、图形( 包括线段、椭圆、矩形以及 自画图形等) 、图像等方式进行讨论，其一般操作方式类似于w i n d o w s n e t m e e t i n g 中的白板程序，接口效果见图2 - 1 。 1 3 塑垩三些查堂塑主丝壅= 篓! ! ! ! 些! 坚型曼垒墨竺堕堂盐兰壅堡一 图2 - 1 现有电子教室系统接口效果图 但是，简单的文字、图形、图像功能对于语文、英语等以纯文字交流为主的课程 来说也许还能胜任，对于数学、化学等课程来说则是远远不够的，因为这些课程的教 学过程中还要大量使用各种特殊符号，如数学中常用到的开根号、积分号、希腊字母， 化学结构中的分子结构图等。这些特殊符号在现有电子教室系统中实现方式只有两 种：一种是临时以画笔在电子白板中手工绘制，另一种是以图像的方式粘贴进来，但 不管采用哪种方式，实际使用中都很不方便，即不美观又难于实时修改，这也成为现 有电子教室系统难以推广的一大原因。 我们希望自己设计的电子教室系统可以进行多种课程的教学，而要克服以上缺 陷，一个简单的想法就是：提供一个大而全的图形符号库，教学中可能用到的各种符 号和图形都包括在其中。但是，各门各科所使用的特殊符号何其繁多，再加上各种图 形，整个工作量将难以想象，有没有更好的方法昵? 与此同时，我们注意到，现有的一些商品化软件已经提供了较理想的解决方法用 于表现各种复杂的对象，例如m i c r o s o f t w o r d ，不仅有较为完备的图形符号集，还 支持对象的链接和嵌入，使得在其文档中可以插入各类应用程序对象如e x c e l 图表、 p o w e r p o i n t 幻灯片、b m p 图像等。能不能在我们的电子教室系统中也实现类似的功能 呢? 我们的设想是：对于文字和简单的图形( 如直线、矩形、椭圆等) ，可以在电子 教室系统中直接加以支持；复杂的对象( 如数学公式、化学物质的分子结构图等) ， 可以以对象的形式嵌入到电子教室系统中。这样，如果在教学过程中需要临时修改， 1 4 ， 只需双击这些对象即可启动相应的应用程序进行编辑。采用以上方式，一方面解决了 前面提到的特殊符号太多难以一一实现的问题，更重要的是：它可以使我们的电子教 室系统“集成”其它应用软件的功能，从而大大丰富了本电子教室系统的功能。 要实现以上设想，唯一的办法就是采用对象的链接与嵌入( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g - - o l e ) 技