（机械设计及理论专业论文）基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 迅速发展的互联网技术和虚拟现实技术使虚拟实验的实现成为可能。在集虚拟现 实、虚拟制造、数据库以及网络应用等理论的基础上，以自动生产线为对象，本文提 出基于虚拟制造的自动生产线虚拟实验系统的平台设计方案，分析了定制虚拟实验体 系构架的策略，包括：以j a v a 语言和v r m l 为宿主语言的选择：v r m l 编程与u g 软件 相结合的虚拟设备场景建模方法：增强w e b 服务器动态交巨功能的h t m l 、j s p 、j a v a a p p e t 混合应用；确保管理模块实现系统动态数据库访问和数据显示的w e b 服务器 与数据库管理系统的组合，阐述了虚拟实验系统的具体实现方法及所涉及的关键技 术，构建了基于w e b 环境的远程自动生产线虚拟实验系统，并实现了网络交互式操作 和虚拟实验应用等功能。研制的虚拟实验系统表明，该方案是可行的，并能达到预期 的效果。 关键词：虚拟制造，虚拟实验，虚拟现实，互联网，远程教育 基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究 - - 一- _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 a b s t r a c t r a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fi n t e r a c ta n d 瞎( v i r t u a lr e a l i t y ) m a k e si t p o s s i b l ef o r 也er e a l i z a t i o no fd o i n ge x p e r i m e n t si nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt o t h e a p p l i c a t i o n o f 佟台矗t h es c h e m eo ft h e p l a t f o r md e s i g n o fa n _ a u t o m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，w h i c hi sb a s e do i lv r a n dv m ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) a n dd a t a b a s e i sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r w i t ha na i mo f s t u d y i n ga na u t op r o d u c t i o nl i n e ，t h es t r a t e g yo fc u s t o m i z i n g t h ev i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mi sm a i n l ye l a b o r a t e d ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fj a v al a n g u a g e a n dv 砌咀l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) a st h eh o s tl a n g u a g e s ，t h em o d e l i n g m e t h o do fv i r t u a ls c e n eu s i n gv r m la n du g 。t h eb l e n da p p l i c a t i o no fa s p , h t m l a n d j a v aa p p l e tf o re n h a n c i n ga c t i v ei n t e r a c t i n gf u n c t i o no fl 掩6s e r v e r , a n dt h ei n t e g r a t i o no f w e bs e r v e ra n dd b m sf o ra s s u r i n ga c t i v ev i s i tt od a t a b a s ea n dd a t ad i s p l a yb e t w e e nt h e m i nt h ep a p e r ，t h er e a l i z i n gm e t h o do fv i r t u a le x p e r i m e r i ts y s t e ma n di t sc o r r e l a t i v ek e y t e c h n o l o g y a ep r e s e n t e d t h ei n t e r a c t i v ef u n c t i o no f d o i n g e x p e l i m e n to n t h en e t w o r ka n d t h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a le x p e r i m e n ta r er e a l i z e d t h ev i r t u a le x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e s t r a t e g yi sf e a s i b l ea n dt h eg o o de r i e c te x p e c t e dc a nb ea c q u i r e d k e y w o r d s ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v i r t u a le x p e r i m e n t , v i r t u a lr e a l i 吼i n t e m e t ，r e m o t e e d u c a t i o n i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 在现代教育中，实验教学占有非常重要的地位。实验是教学活动中一个必不可少 的课程，很多学习科目都是以实验课程为基础，尤其是对于一些实践性较强的学科如 理工类学科，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力至关重要，学生的 大部分实践能力都是通过实验得到的。 实验课程的有效程度取决于不断发展和完善的实验手段和方法。在我国，高等教 育的普及，对实验资源的需求与目前存在的实验条件不足之间的矛盾日益突出。由于 实验项目的复杂性和规模的不断扩大，使得许多实验设备耗资巨大、造价十分的昂贵， 学校由于无法大量购置这些昂贵的设备及生产线，而使学生无缘接触一些反映先进制 造技术的实验，不能满足教育快速发展的要求。 随着网络的全球化以及计算机技术的进步，使利用虚拟实验成为可能，我们可以 通过网络共享远程实验资源，从而更好地利用信息时代所带来的资源优势。虚拟w e b 实验系统为学生创造一个类似于实际实验的虚拟环境，让学生体验身临其境的感觉， 同时通过对三维物体的交互式操作来完成实验。虚拟实验不仅仅能够提高实践教学的 教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够“身临其境” 地观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。目前对于网络教学实验的研究还 是比较少见的。研究在网络环境下实验教学的原理、模式和方法就显得更加具有必要 性和紧迫性。 本文在对网络虚拟实验基本概念和相关技术发展现状进行了解和分析的基础上， 提出了建立网络虚拟实验环境，以自动生产线为对象，实施虚拟实验研究和开发应用 的思想。即，应用w e b 技术构建基于虚拟现实的实验平台，用户在客户端调用虚拟 单元，组建虚拟自动生产线，模拟物流在生产线上的工序流程。这种实验方法，不用 增加耗资巨大、造价昂贵的大型化的实验设备，能够共享虚拟实验设备以降低实验成 本。雨且在不消耗资源的情况下，用户可深入地学习、调试自动生产线，包括虚拟加 工和虚拟装配。在现有的计算机软硬件构架平台上，利用v r m l ( v i r t u a lr e a l i t y m o d e l i n gl a n g u a g e ，虚拟现实建模语言) ，开发虚拟实验，不仅可为用户提供形式上 更生动、直观以及内容上更为详尽的教学或生产的实验环境；而且，对系统本身的研 究也是对现代信息科学和技术的推广和应用。 基于虚拟；| ；造的自动线虚拟实验系统研究 1 2 虚拟实验及其相关技术的发展 1 2 1 虚拟实验的国内外发展状况 虚拟实验即在利用虚拟现实技术仿真或虚构的某些情景中，学生利用鼠标的点 击、拖动，将微机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统， 同时在这个系统上完成整个实验，包括原材料的添加、实验条件的改变、数据采集以 及实验结果的模拟、分析。将虚拟实验放在网络上，在w e b 中创建一个可视化的三 维环境，这样既满足了学生对实验资源的需求，又解决了远程教学中的实验教学问题。 虚拟实验概念的提出虽然仅有十几年的时间，但由于其广阔的应用前景，目前国 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，并取得了很大的进 展。 国外比较著名的虚拟实验教学有以下一些：g e n t r a l f l o r i d a 大学教育训练研究院 于1 9 8 9 年建立的v s l ( v i s u a ls y s t e ml a b o r a t o r y ，虚拟系统实验室) ，其目的旨在提 高计算机图形的艺术表现力以及改进仿真过程中的人机接口设计：美国m i c h i g a n 大 学化学工程系为配合课程w h a t i se n g i n e e r i n g ? ) ) 的教学而建立的v r i c h e l ( v i r t u a l r e a l i t y i nc h e m i c a le n g i n e e r i n g l a b o r a t o r y ) 实验室，实验的目的是引导学生尽快地掌 握实验、问题求解、数据采集和科学分析的方法；美国巴尔的摩( b a l t i m o r e ) 约翰霍 普金斯大学的化学工程系的卡尔威教授( p r o f e s s o rm i c h a e lk a r w e i t ) 在电脑网络上建 立了虚拟自动化实验，尝试解决工程上遇到的各种问题；德国的汉诺威大学建立了虚 拟自动化实验室：西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利瓦多大学 建立了远程虚拟教育实验室等。 国内在虚拟实验方面也得到了应有的重视，并且现在正处于蓬勃发展的时期。目 前已有不少高校初步建立了虚拟实验室。如国内清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发 动机检测系统：陕西师范大学创立了虚拟实验( 测试) 中心；北京邮电大学、清华大 学、北京工业大学、北京科银京成技术有限公司、中科院研究生院网络多媒体研究中 心联合建设的网上虚拟大型实验室；吉林大学与世界上最大的科研仪器研发企业 美国国家仪器公司合作，共同投资5 - 3 万美元建成的东北首个虚拟仪器实验室等。 1 2 2 虚拟制造技术的发展 v m ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，虚拟制造) 即是对真实产品制造的动态模拟，是一种 在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术，具有建模和仿真环境，并使 产品从生产过程、工艺计划、调度计划、后勤供应以及财会、采购和管理等形成一种 集成的、综合的制造环境。美国在一次专业会议上对3 种类型的v m 作如下解释： 1 ) 以设计为中心的v m ，是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计 算机上进行数字化制造，仿真多种制造方案。评估各种生产情景，通过仿真制造来优 化产品设计和工艺设计，以便做出正确决策。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 ) 以生产为中心的v m ，是将仿真能力加到生产计划模型中，以便快捷地评价 生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生产效率，从而优化制造环境和生产供 应计划。 3 ) 以控制为中心的v m ，是将仿真能力加到控制模型中，提供对实际生产过程 的仿真环境，其目标是实际生产中的过程优化，改进制造系统。 虚拟制造是一种新的制造技术，它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持。 虚拟制造技术涉及面很广，诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结 构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交叉功能、决策支持工具、接口技术、虚 拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后三项是虚拟制造的核心技术。 1 2 。3 仿真技术的发展 仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分 析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。 产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的 产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿 真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。 加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真、检验过程仿真。具体分类如图 图1 - 1 产品制造过程仿真的分类 1 2 。4 虚拟现实建模语言的发展 v r ( v i r t u a lr e a l i t y ，虚拟现实) 是一门涉及计算机技术、传感与测量技术、仿真 技术、微电子技术为一体的综合集成技术，虚拟现实技术是在为改善人与计算机的交 互方式，提高计算机可操作性中产生的，它是综合利用计算机图形系统、各种显示和 控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境( 称为虚拟环境) 中提供沉浸感 觉的技术。 1 基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究 v r m l 是一种虚拟现实建模语言，可以用它来描述三维物体及其行为，构建虚 拟境界( v i r t u a lw o r l d ) 。v r m l 的基本目标是建立i n t e m e t 上的交互式三维多媒体，基 本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。v r m l 开始于2 0 世纪9 0 年代初期。1 9 9 4 年3 月在日内瓦召开的第一届w w w 大会上，首次提出了 v r m l 这个名字。1 9 9 4 年1 0 月在芝加哥的第二届w w w 大会上公布了规范的 v r m l l 0 标准。1 9 9 6 年在新奥良召开的优秀3 d 图形技术会议上，公布了规范的 v r m l 2 0 标准。它比v r m l l 0 增加了近3 0 个节点，增强了静态世界，使3 d 场景 更加逼真有效，并增加了交互性、动画功能、编程功能、原形定义功能。1 9 9 7 年1 2 月v r m l 作为国际标准正式公布，简称v r m l 9 7 。2 0 0 0 年6 月世界w e b 3 d 协会发 布了v r m l 2 0 0 0 国际标准( 草案) ，2 0 0 0 年9 月又发布了v r m l 2 0 0 0 国际标准。由 此，虚拟现实技术进入了一个崭新的发展时代。 1 3 课题的来源和本文研究内容 本课题来源于南京工业职业技术学院教改项目。主要研究内容为以f e s t o 自动 生产线为对象，实现了基于虚拟制造的自动加工过程仿真。该系统在组建上具有柔性 即根据实验项目，可调用不同的虚拟加工单元组成不同的虚拟自动线。本文主要内容 如下。 第一章为绪论。概括叙述了虚拟实验及其相关技术的发展包括虚拟实验的基本概 念、虚拟实验的国内外发展状况、仿真技术的发展、虚拟现实技术v 砌咀。的发 展；本课题研究的意义；课题的来源和本文研究内容。 第二章论述了虚拟制造系统的软件平台。包括v r m l 、j a v a 语言、w e b 技术、数 据库技术、j a v a s c r i p t 语言、u g 软件平台的介绍等。论述了选用这些软件的原因， 以及这些软件的主要功能和特点。 第三章阐述了系统的框架设计即系统的基本体系框架；系统的配置包括服务器端 的配置和客户端的配景：系统的功能简介以及系统的实验流程。 第四章剖析了虚拟实验系统的关键技术，即v r m l 场景的生成技术包括v 则l 的优化技术、一v r m l 的动画交互设计、v r m l 场景的动态生成技术、模型的封装技 术；v r m l 、j a v a 与网络技术的接口；数据库的具体实现：j a v a 网络编程等。 第五章为总结和展望。根据课题的预定要求，总结本文已完成的研究工作；并根 据本文作者的研究体会，提出了进一步的设想和研究内容。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章虚拟实验系统的软件平台 2 1 引言 虚拟实验系统的开发需要选择合适的软件开发平台，才能实现预定的实验功能， 达到预期的实验效果。在对众多的软件开发平台的筛选和比较中，本文选择第二代 w e b 技术上的关键v r 技术虚拟建模语言( v r m l ) ；适用于网络且平台无关的j a v a 语言；网络编程技术h t m l ( h y p e r t e x t m a r k u p l a n g u a g e ，超文本标示语言) 、j s p ( j a v a s e r v e r p a g e s ，j a v a 服务器主页) 、j a v a s c 螂t 语言；可视化的建模软件u g ( u n i g r a p h i c s ) 以及数据库管理系统s q ls e r v e r2 0 0 0 等技术进行三维虚拟实验室的开发。 2 2 虚拟现实建模语言( v 础讧l ) 虚拟实验系统开发过程中关键的一步是构建三维的虚拟实验系统模型。虚拟环境 是特殊的可视化环境，它是动态的、实时的、三维的和逼真的。 虚拟现实建模语言是虚拟现实接口的核心，不依赖特定平台和技术，中立地描述 虚拟场景，实现虚拟现实建模语言需要满足如下几点要求： 1 ) 可扩展性该建模语言应能自我扩展描述不断复杂的虚拟场景。采用面向 对象思想使系统能不断地自我扩展。 2 ) 操作平台无关性文件访问基于b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式，用户通过本 地平台的i e ( i n t e r n e t e x p l o r e r ) 或n e t s e a p e 和v r m l 浏览器交互式地访问通过网络 下载的文件描述的虚拟境界，实现了平台无关性。 虚拟现实建模语言v r m l 正好符合了这两点要求。而且v r m l 是一种描述 i n t e m e t 上的交互式3 d 模式，需要通过网络传输的只是一个很小的描述文件，大量的 计算和场景生成由浏览器完成。基于以上原因，本系统的建模语言就选用v r m l 。 2 2 1v r m l 的主要特性 v r m l 是一种三维场景的描述性语言。它的基本原理是用文本信息描述三维场 景，在i n t e m e t 网上传输，再在本地机上由v r m l 的浏览器解释生成三维场景，解释 生成的标准规范即是v r m l 规范。正是这种思想使得在i n t e m e t 上传输很少的数据， 就可以使在w e b 上实现三维虚拟场景浏览成为可能。用v r m l 实现与i n t e m e t 虚拟 现实交互有下面几个好处：丰富了媒体表现形式、协同工作角色的可视化管理、改善 了虚拟实验的用户界面、增强了虚拟实验的交互性。可见，将v r m l 融合到网上虚 拟实验的开发过程中，必将增强虚拟实验的表现力和用户的接受力。 v r m l 内部可以直接利用j a v a s c r i p t 语言进行编程处理，并可与外部的j a v a 语言 共同作用，因而可以编写复杂的程序，产生复杂的显示效果。v r m l 的基本组成为 基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究 5 4 个节点( n o d e ) ，由这些节点生成节点语句，进而构造三维物体，物体间可以产生 交互作用。利用v r m l 可以构造具有奇异效果的三维世界，可以将照片显示在物体 表面，还可以在三维空间产生环绕立体声。v r m l 主要具有以下特性： 1 ) 每个v r m l 文件都是个基于时间的三维空间，它包含了可通过多种机制动 态修改的图形对象和听觉对象。v r m l 文件的一个重要特性就是通过包含关系把文 件组织在一起，并能通过超链接把文件联系在一起。这样v r m l 文件中的三维空间 就出现了6 + 1 个自由度，即三个方向的移动和旋转以及和其他三维空间的超链接。这 种层次性的文件包含关系使得任意大的动态境界成为可能。 2 ) v i 州l 的另一重要特性是它试图用在分布式环境中，因而内建了支持多个分 布式文件的多种对象和机制，包括运用内联式( i r d i n e 节点) 嵌入其他v r m l 文件或 通过超链接指向其他文件等。 3 ) v r m l 的访问方式是基于b s 模式的，其中服务器提供v r m l 文件及支持资 源，客户通过网络下载希望访问的文件，并通过本地平台上的v r m l 浏览器交互式 地访问该文件所描述的虚拟世界。 4 ) 传统的v r 技术中使用的3 d 着色引擎在v r m l 中得到了更好的体现。这使 得v r 的建模与实时访问更明确地隔离开来，这也是v r 优于其他三维建模和动画软 件之处，后者预先着色，因而不能提供交互性。 5 ) v r m l 同h t m l 一样，也是使用a s c i i 文本格式描述三维场景。这使得程序 编写起来十分方便，并且保证在各种平台上传输的同时，降低了数据量，从而在低带 宽网络上也可以实现文件的传输。 除上述特点外，v r m l 还是一种开放式的标准，实现了真正的动态交互，这些 魅力使得v r m l 深受人们的欢迎。另外v r m l 对于系统配置的要求很低，只需要一 个浏览器就可以将虚拟世晃展现在人们面前，因此v r m l 使得大多数计算机用户都 可以通过因特网来领略虚拟世界的风采。 图2 - 1c o r t o n a 浏览器界面 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 2v r l v i l 浏览器c o r t o n a 的简介 一般来说，用v r m l 编写的程序( 后缀名为w r l 的文件) 可以用目前流行的浏览 器i e 和n e t s c a p e 来浏览。但需要在这两个浏览器中加入支持解释v r m l 的功能，即 将v r m l 浏览器作为插件嵌入到i e 和n e t s c a p e 中。近几年随着v r m l 标准的制定，v r j l 浏览器也已发展得相当成熟，各厂家开发了形形色色附带扩展功能的v r m l 浏览器， 其中用户使用最多是p a r a l l e l g r a p h i c s 公司开发的v r m l 浏览器叫o r t o n a 浏览 器。它的优点是安装文件很小，仅有1 m 多，是各种v r m l 浏览器中最小的，而且使 用方便，3 d 的效果、交互性能近乎完美，它的工作界面如图2 1 所示。 2 3 j a v a 语言 j a v a 语言是一种可移植的，简单的，健壮的嵌入式语言，也是最重要的一种网 上通用语言，使用它开发的程序具有两种层次上的可移植性能，源代码级可移植性和 二进制级可移植性，j v m ( j a v av i r t u a lm a c h i n e ，j a v a 虚拟机) 的存在使得这种可 移植性成为了可能。另外j a v a 语言的下标检查机制和自动内存管理机制也为其增加 了较强的稳定性和安全性，这一点对于构建网上虚拟实验系统来说也是非常关键的。 并且它对数据库有很好的支持，基于j a v a 语言的这种特性可以十分容易地建立一个 小型i n t e r n e t 服务器。 i n t e r n e t 的出现，为在网络模式下的科学计算和信息处理提供了良好平台。然而， 要充分利用网络计算模式的功能与效益，平台的运行环境是个制约因素，而j a v a 语 言和j a v a 技术则是解决这一问题的最佳途径。 2 3 1j a v a 语言的主要特点 1 ) 简单性 j a v a 与c + + 相比，不再支持运算符重载、多级继承及广泛的自动强制等易混淆和 较少使用的特性，而增加了内存空间自动垃圾收集的功能，复杂特性的省略和实用功 能的增加使得开发变得简单而可靠。另外j a v a 的系统非常小，其基本解释和类支持 部分只占4 0 k b ，附加的基本标准库和线程支持也只需增加1 7 5 k b 。因此，j a v a 应用 软件能在相当小的系统之上独立工作。 2 ) 平台独立性 这是j a v a 最吸引人的地方，也是本虚拟实验系统采用j a v a 编程的主要原因。e h 于 它采用先编译成中间码( 字节码) ，然后装载与校验，再解释成不同的机器码来执行， 即“j a v a 虚拟机”的思想，“屏蔽”了具体的“平台环境”特性要求使得只要能支持j a v a 虚拟机，就可运行各种j a v a 程序。 3 ) 面向对象的技术 面向对象( o 0 ) 的技术是近年来软件开发中用得最为普遍的程序设计方法，它 基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究 通过把客观事物进行分类组合、参数封装、用成员变量来描述对象的性质、状态，而 用方法( 成员函数) 来实现其行为和功能。 4 ) 多线程 多线程机制使应用程序能并行执行。通过使用多线程，程序设计者可以分别用不 同的线程完成特定的行为，而不需要采用全局的事件循环机制，这样就很容易实现网 络上实时的交互行为，本实验系统中的用户对话模块就采用了多线程技术。 2 3 2j a v a 虚拟机 j a v a 语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性。而使用j a v a 虚拟机是实 现这一特点的关键。一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不 同的目标代码。而引入j a v a 虚拟机后，j a v a 语言在不同平台上运行时不需要重新编 译。j a v a 虚拟机屏蔽了与具体平台相关的信息，使得j a v a 语言编译程序只需生成在 j a v a 虚拟机上运行的目标代码( 字节码) ，就可以在多种平台上不加修改地运行。j a v a 虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。 j a v a 虚拟机是一个想象中的机器，在实际的计算机上通过软件模拟来实现。j a v a 虚拟机有自己想象中的硬件，如处理器、堆栈、寄存器等，还具有相应的指令系统。 j a v a 虚拟机由五个部分组成：一组指令集、一组寄存器、一个栈、个无用单元收集 堆、一个方法区域。这五部分是j a v a 虚拟机的逻辑成份，不依赖任何实现技术或组 织方式，但它们的功能必须在真实机器上以某种方式实现。j a v a 虚拟机体系结构如图 2 2 所示。j a v a 虚拟机是j a v a 语言底层实现的基础。对于要在特定平台上实现j a v a 虚拟机的软件人员，j a v a 语言的编译器作者以及要用硬件芯片实现j a v a 虚拟机的人 来说，则必须深刻理解j a v a 虚拟机的规范。另外，如果扩展j a v a 语言，或是把其它 语言编译成j a v a 语言的字节码，都需要深入地了解j a v a 虚拟机。 2 4w e b 技术 图2 - 2j a v a 虚拟机体系结构 2 4 1w e b 编程技术的发展 随着互联网技术突飞猛进的发展，开发w e b 软件越来越复杂，程序开发人员应 该对w e b 技术有系统的理解。典型的w e b 模型将计算机网络分为若干个相关层，早 在2 0 世纪8 0 年代，国际标准化组织( i s o ) 提出了o s i ( o p e ns y s t e m s i n t e r c o n n e c t i o n ) 网络抽象模型，将互联网系统分为七层，如图2 3 所示。 - 8 一 南京航空航天大学硕士学位论文 最底层是物理层( p h y s i c a l ) 和数据链路层( d a t al i n k ) ，其上依次是网络层 ( n e t w o r k ) 、传送层( t r a n s p o r t ) 、会话层( s e s s i o n ) 、表示层( p r e s e n t a t i o n ) 和应用层 ( a p p l i c a t i o n ) ，每一层都代表特定的功能组合；底层功能通过提供服务接口支持上层 功能，物理层主要描述网络中通信机制的信号和连接特性，数据链路层定义在物理层 之上的数据传送状态，网络层定义了在由数据链路组成的互联网中怎样查找和分发数 据，传送层用于保证数据在网络中正确传递，会话层定义数据包在传递时相互组织关 系，表示层描述数据类型在网络传递时的格式，应用层定义用户使用的互联网功能( 如 t e l n e t ，f t p ，e m a i l ) ；互联网发展的过程伴随着标准化的过程，在各个功能层都需 要定义标准化的网络协议( p r o t o c 0 1 ) 。例如在网络层，每个网络主机都要设置一个i p 地址并以互联网协议规定数据从它的始发地到目的地选择的路径方式；在传送层， t c p 规定了允许不同计算机共享一个网络上的信息的通信协议；在应用层h t t p 定义 了在w w w 上的文档传递协议。 图2 - 3 互联网功能层次 1 1 i 。蝎bx h 甜 在h t t p 协议上，最先只有h t m l 作为文档编辑语言，当w e b 浏览器( i e 、 n e t s c a p e ) 成为计算机必不可少的上网工具时，动态的w e b 设计语言如j a v a s e r v l e t j s p ，a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ，动态服务器主页) ，c g i ( c o m m o ng a t e w a y i n t e r f a c e ，公共网关接口) 应运而生，其后由于这些语言需要占用系统计算资源，高 速的w e b 应用服务器软件和主机成为大型网站必不可少的配置。j a v a 技术提供的w e b 编程技术就是在这样的发展背景下被开发和广泛使用的，这些技术主要基于传送层和 应用层的协议和程序接口，从而提供了高效、可靠、实用的w e b 程序平台。 2 4 2h t m l 语言 w w w 传送的信息主要是h t m l 文件，h t m l 文件是简单的纯文本文件( 全 a s c i i 文件) ，其扩展名为h t m l ( 或h t m ) 。可以使用任何一种文本编辑器进行编辑， ck、“ h i 基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究 但存储文件的格式必须是a s c i i 格式。 h t m l 它通过文件格式标准化，统一使用一些标记符号( t a g ) ，对文件的内容 进行标注，指出内容的输出格式，如字体大小、颜色，背景颜色，表格形式，各部分 之间逻辑上的组织等。这些标签是用“ ”括起来的，而且大部分标签都有与之相对 应的标签( 如 和硼t m l 相对应) ，用“c 括起来的标签表示控制的开始， 用“c ”括起来的标签表示控制的结束。一般来说，h t m l 文件包括两个部分：头文 件部分( h e a ds e c t i o n ) 和主体部分( b o d ys e c t i o n ) 。 2 4 3j a v a s c r i p t 语言 j a v a s c r i p t 是一种新的描述语言，此语言可以被嵌入到h t m l 的文件之中。通 过j a v a s c r i p t 可以回应使用者的需求事件( 如：f o r m 的输入) 而不需用任何的网络 来回传资料，所以当一位使用者输入一项资料时，它不用经过传给服务端( s e r v e r ) 处理，再传回来的过程，而直接可以被客户端( c l i e m ) 的应用程式所处理。你也可 以想象成有一个可执行程式在你的客户端上执行一样。j a v a s c r i p t 和j a v a 很类似，但 并不一样。j a v a 是一种比j a v a s c r i p t 更复杂许多的程式语言，而j a v a s c r i p t 则是相当 容易了解的语言。j a v a s c f i p t 创作者可以不那么注重程序技巧，所以许多j a v a 的特 性在j a v as c r i p t 中并不支持。 本虚拟实验系统在编程语言上，如需编程实现的功能简单，则采用能直接在网页 中编程且调试比较方便的脚本语言j a v a s c r i p t ，而在需编程实现的功能复杂的情况 下，首选功能强大、安全性能良好的网络语言一j a v a 语言。采用j a v a 和j a v a s c r i p t 两种语言的混合编程，能使软件开发过程中更灵活、更方便。 2 4 4j s p j s p 是s u n 公司在j a v a 的基础上开发出的跨平台w e b 开发语言。j s p 与微软a s p 兼容，但它是使用类似h t m l 的卷标以及j a v a 程序代码段组成。a s p 与j s p 相比，a s p 有微软产品的通病，即只能在w i n d o w s 平台下使用，虽然它可以通过增加控件而在 l i n u x 下使用，但是其功能最强大的d c o m 控件却不能使用。而j s p 实现了动态页 面与静态页面的分离，脱离了硬件平台的束缚，以及编译后运行等方式，大大提高了 其执行效率而逐渐成为i n t e m e t 上的主流开发工具。 2 5 数据库技术 随着i n t e m e t 应用的普及，w e b 以其易用性、实用性已经成为使用最为广泛、最 有前途、最有魅力的信息传播技术。不过，w e b 服务只提供了i n t e m e t 上信息交互的 平台，要想实现真正的i n t e m e t ，就要将人、企业、社会与i n t e m e t 融为一体，这就要 靠信息化应用的实现。w e b 数据库，就是能将数据库技术与w e b 技术很好地融合在 一起，使数据库系统成为w 曲的重要有机组成部分，实现数据库与网络技术的无缝 有机结合。随着人们对数据共享和联机实时处理的要求越来越高，数据库技术也随之 南京航空航天大学硕士学位论文 不断地发展改进，其中关系数据库的应用范围最广，占据了数据库主流地位。由于 i n t e m e t 上信息资源的复杂性和不规范性，关系数据库初期在开发各种网上应用时显 得力不从心，表现在无法管理各种网上的复杂的文档型和多媒体型数据资源，后来关 系数据库对于这些需求作出了些适应性调整，如增加数据库的面向对象成分以增加 处理多种复杂数据类型的能力，增加各种中间件如c g i 、o d b c ( o p e nd a t a b a s e c o n n e c t i v i t y ，开放式数据库互接) 、j d b c ( j a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，j a v a 数据库互 接) 、a s p 等技术以扩展基于i n t e m e t 应用能力，通过应用服务器解释执行各种h t m l 中嵌入脚本来解决i n t e m e t 应用中数据库数据的显示、维护、输出以及到h t m l 的格 式转换等。此时关系数据库的基于i n t e m e t 应用的模式典型表现为一种三层结构。在 这种三层结构体系下，关系数据库解决了数据库的i h t e r n e t 应用的方法问题，使得基 于关系数据库能够开发各种网上数据库数据的发布、检索、维护、数据管理等一般性 应用。 s q ls e r v e r2 0 0 0 是m i c r o s o f t 公司开发的大型关系数据库管理系统，具有非常 强大的关系数据库创建、开发、设计以及管理功能。s q ls e r v e r2 0 0 0 具有以下功能 和特性： 1 ) 与i n t e r n e t 的紧密结合。s o ls e r v e r2 0 0 0 的数据库引擎具有可扩展、易于 使用和安全的特点，成为建设大型w e b 站点最好的数据存储设备之。 2 ) 可扩展性和高可靠性。通过对高端硬件平台以及最新的网络和存储技术的支 持，可以为大型的w e b 站点和企业级的应用提供可扩展性和高可靠性。 3 ) 企业级数据库和简单、友好的操作界面。s q ls e r v e r2 0 0 0 关系数据库引擎 具备完善而强大的数据处理功能，它的分布式查询允许用户引用多处数据源，但其友 好的界面使用户管理好像自始至终都在使用同一个数据源。 4 ) 强大的数据仓库支持。为了满足现代企业对大规模数据进行有效分析和利用 的要求，s o ls e r v e r 2 0 0 0 包含了一系列提取、分析、总结数据的工具，从而使联机 分析处理成为可能。 2 6u g 软件 u g 为美国五大主要产品( u g 、p a r a s o l i d 、i m a n 、s o l i de d g e 、p r o d u c t v i s i o n ) 之，以c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) c a m ( c o m p u t e r - a i d e d m a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造) c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工 程) 一体化而著称。u g 软件起源于美国麦道飞机公司，后于1 9 9 1 年1 1 月并入世界 上最大的软件公司e d s 公司。u g 软件现已广泛地应用于通用机械，模具，汽车及 航天等领域。如美国通用汽车公司、波音飞机公司、贝尔直升机等公司都以u g 作为 企业产品开发的软件平台。 u g 是当前世界最先进和紧密集成、面向制造业的c a d c a e c a m 高端软件。 软件自1 9 9 0 年进入中国以来，以其先进的理论基础、强大的工程背景、完善的功能 基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究 和专业化的技术服务赢得了广大的中国c a d c a m 用户，成为我国工业界主要使用 的大型c a d c a e c a m 软件之一。 它为制造行业产品开发的全过程提供解决方案， 其功能包括：概念设计、工程设计、性能分析和制造。u g 具有良好的用户界面，绝 大多数功能都可通过图标实现。进行对象操作时，具有自动推理功能。同时，在每个 操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。 2 7 虚拟实验系统的开发环境 2 7 1v r m l 的开发工具 v r m l 文件除了可以通过三维建模软件建模后输出成v r m l 文件外，v r m l 开 发调试工具还有u l t r a e d i t 、v r m l p a d 、c o s m o w o r l d 等。u l 仃a e d i t 专业文本编辑软件 适合大量雷同的文本文件的修改。针对v r m l 文件来说，最常用的开发调试工具是 v r m l p a d 和c o s m o w o r l d 。v r m l p a d 是一神v 蹦l 专用的文本编辑器。v r m l p a d 的工作界面，非常简明适用。v r m l p a d 环境分为两个工作区，右边是代码编辑区， 左边是树型场景表、资源列表、文件列表。v r m l p a d 的工作界面如图2 - 4 所示。本 虚拟实验系统选用的主要v r m l 文件编辑工具是v r m l p a d 。该工具功能包括： 可以编辑本地和远程的v r m l 文件； 色彩语法译码、自动侦错、支持查找、使用书签、支持取消和重复操作等功能； 分层结构即采用线性结构显示场景； 有功能强大的发布向导以及下载网上v r m l 文件的全部资源，适合收集v r m l 资源的功能； 可以处理和执行其他语言编写的外部应用程序； 提供了文件列表功能，以便用户管理目录； 出色的帮助文档。 图2 - 4v r m l p a d 的工作界面 南京航空航天大学硕士学位论文 另一个非常不错的v r m l 编辑工具是c o s m o w o r l d ，它是可视化编辑工具，界面 类似3 d m a x ，可以可视化地制作v r m l 场景，和添加大部分的交互，其界面如图2 5 所示。 图2 - 5c o s m o w o r l d 的工作界面 2 7 2j a v a 的开发工具 j a v a 的开发工具最常用的有v i s u a lj + + 、j + + b u i l d e r 、j c i e a t o rp r o 等，j c r e a t o rp r o 由于其文件小，开发界面简洁、方便而成为本次系统开发的首选j a v a 开发工具。其 工作界面如图2 - 6 所示。 图2 - 6j c r e a t o rp r o 的工作界面 基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究 2 7 3j s p 的开发工具 j s p 与v r m l 一样，只要是文本编辑器都可用作其调试和开发的工具如： n o t e p a d 、u l t r a e d i t 、e d i t p l u s 等等。在对不同的编辑器的方便性作了比较以后，本课 题选择了e d i t p l u s 作为j s p 的文本编辑器，因为e d k p l u s 具有许多优点，首先，它提 供了多工作窗口，可以在工作区域中打开多个文档，不用切换到桌面再打开其他的文件。另 外，e d i t p l u s 提供了和i n t e l n e t 的无缝连接，可以在e d i t p l u s 的工作区域中打开i n t e l n e t 浏览 窗1 2 1 。 j s p 另一个方便的开发工具是j b u i l d e r 。在j b u i l d e r 牛编辑j s p ，它的优点是可调出 j a v a 相关的类库，但在上述文本编辑器中不行。 2 8 本