（水工结构工程专业论文）智能计算类ICAI的研制和开发.pdf

摘要 智能化是国际上c a i 的发展方向，力学类智能计算处理的i c a i 软件是 _ 。- 一 -_-_- “九五”国家重点科技攻关项目子专题的个内容。本文在智睦计簋i c a i l _ _ _ - 一 平台设计和缠铺的基础上，以流体力学为具体分析对象，进行了一系列理论 和实践研究工作。首先。引入a c t i v e x 技术，讨论了将m a t l a b 改造为i c a i 的后台计算平台的可键性，提出运用部件通讯管道建立了一种能够联系不同 类型系统的通讯机制，从而融合了不同系统的优点，极大地提高了i c a i 的 综合处理和计算能力。其次，通过对工程类计算题的统计和分析，将复杂的 计算和解题过程转化为通用的计算机语言和黉0 学横式。再次，运用横糊摸蕊 识别方法，对高等流体力学的计算题进行模糊模式判别、分类，试图达到客 观、科学的识别目的，从而能够代替人脑进行作业批改、计算模型识别等复 杂的工作。最后，探讨了i c a i 中的旦笪茎堑鏖簋理；提出切实可行电! 登i 数据库管理模式和管理方法建立了数据压缩和数据安全网络体系。 a b s t r a c t i n t e l l i g e n c ei st h et r e n d o fi n t e m a t i o n a l d e v e l o p m e n t i nt h ef i e l do f c a i t h e i c a i ，as o f t w a r et h a tc a l ld e a lw i t hm e c h a n i c s p r o b l e m si n t e l l i g e n t l y , i ss e ta so n eo f i m p o r t a n t s c i e n t i f i cp r o j e c t si nt h e9 山n a t i o n a lf i v e y e a r p l a n b a s e do nt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fl c a i p l a t f o r m ，t h i st h e s i su s e s t h ef l u i dm e c h a n i c sa st h ea p p l i e do b j e c tt om a k eas e r i e so ft h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lw o r k f i r s t ，a u t h o ri n t r o d u c e st h ea c t i v xa n dd i s c u s s e st h e f e a s i b l i t yo ft r a n s f o r m i n gm a t l a bi n t oab a c k g r o u n dc o m p u t a t i o n a l c o m p o n e n t h e a l s o p o i n t s o u tt h e p r i n c i p a l h o wt oc o n n e c ta n d c o m m u n i c a t et w oe x t r i n s i c p a n s i no r d e rt oe n h a n c et h e a b i l i t y o f c a l c u l a t i o na n dd i s p o s a ld r a m a t i c a l l y s e c o n d ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so n e n g i n e e r i n g m e c h a n i c s e x e r c i s e s ，a u t h o r t r a n s f o r m st h e c o m p l e x c a l c u l a t e dp r o c e s si n t oc o m p u t e rd a t as t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e l t h a tc a bb eu s e db yt h ei c a ip l a t f o r m t h i r d ，a u t h o ra p p l i e st h ef u z z y p a t t e mr e c o g n i t i o nt ot h ef l u i dm e c h a n i c se x e r c i s e si no r d e rt oc l a s s i f y a n dr e c o g n i z et h e mo b j e c t i v e l y l a s t ，a u t h o rd i s c u s s e st h en e td a t a b a s e m a n a g e m e n ti ni c a ia n d c o m m i th i st h e o r ya n dm o d e lo fn e td a t a b a s e a d m i n i s t r a t i o n ，d a t a b a s es a f e t ya n d d a t a c o m p r e s s i o n 塑望查兰塑主丝茎 第一章概述 1 1c a i 的定义和内涵 计算机辅助教学( c a i ) 是利用计算机帮助教师执行部分教学任务，同时又能 替代教师向学生提供技能训练和知识传授服务。计算机辅助教学( c a i ) 是一门边 缘交叉的新学科，是现代教育技术的重要组成部分，它将是面向2 l 世纪的重要 教学形式，是教育领域中进行信息革命的产物。 用于执行教学任务的计算机程序称为教学软件或课程软件，简称为课件 ( c o u r s e w a r e ) 。课件要求能够将教学内容安排和计算机教学活动结合起来，由程 序员编制成程序。教师在授课过程中指导学生使用这些程序，让计算机对学生 进行会话式教育。课件充分体现了教师的教学意图和经验，是一个c a i 运行系 统的核心。 另几个经常使用的与计算机辅助教学有关的名词是 计算机辅助学 7 - - - c a l ( c o m p u t e ra s s i s t e dl e a r n i n g ) ，即依靠计算机辅助学生的 学习： 计算机辅助教育c a e ( c o m p u t e ra s s i s t e de d u c a t i o n ) ，即依靠计算机进行一系列 的教学管理活动。 计算机管理教学c m i ：c o m p u t e rm a n a g e di n s t r u c t i o n 智能教学系统一i t s ：i n t e l l i g e n tt u t o rs y s t e m 智能c a i i c a i ：i n t e l l i g e n tc a i 堂件( 仅供一堂课使用的课件) 一l e s s o n w a r e 课件写作语言a l ；a u t h o r i n gl a n g u a g e 2 浙江大学硕士论文 课件开发系统c d s ：c o u r s e w a r ed e v e l o p m e n ts y s t e m 课件运动系统c r s ：c o u r s e w a r er u n n i n gs y s t e m 课件管理系统c a s ：c o u r s e w a r ea d m i n i s t r a t i o ns y s t e m 1 2c a l 分类结构和主要特点 多数c a i 系统由计算机硬件、系统软件、课程软件( c o u r s e w a r e ) 组成。课程 软件把教学内容和教学活动用计算机语言描述出来，由程序员编成程序提供给 教师在上课过程中进行会话式教学。 c a i 软件的类型很多，主要有以下几种类型： 1 ) 帧面型 以帧面为单位组成程序教学，是最早开发的最简单的一种c a 类型， 其基本形式类似幻灯片。 2 ) 生成型 利用教学信息组成数据库，由教师从这些数据库信怠中选取适当信息 生成教学单元来组织教学。与帧面型相比具有较大的灵活性，适应不 同的教学过程和人们不同的需要。 3 ) 管理型 利用计算机系统收集、分析、诊断学生的学习情况，统计教学数据和 相关教学信息。 4 ) 测试型 利用计算机协助测试计算机试题数据库的数据可靠性、完整性，同时 可以测试试题库试卷生成系统。 5 ) 智能型 随着计算机科学的飞速发展，人工智能技术开始在c a i 中得到大量应 用。智能型c a i 引入按教学原则组成的知识网络来生成问题和进行人 机对话。 6 ) 认识型 这是c a i 发展的较高形式，也是未来的趋势。由计算机产生理想化的 环境，让使用者能够发现和学习现实世界的一些规律、推导一些概念 浙江大学硕士论文 和练习些技能和技巧。 c a i 系统的硬件组成包括高性能计算机和其他外部设备，c a i 系统软件包括 控制管理程序和制作工具等大量系统软件， c a i 系统的结构框图如下： c a i 在教学中有其自身的特点，主要体现在： 1 ) 形象化：对于那些用语言和文字难以理解的抽象的内容、复杂的变化过程、 细微的结构等，c a i 通过动域模拟、局部放大、过程演示放慢等手段来增强 教学效果 2 ) 交互性：交互性是指计算机和学生之间积极而频繁的信息交换，c a i 能充分 计算机的交互特性来实现双向的教和学。学生在使用过程中是通过五官的感 觉将外部信息传输到大脑中进行处理的。根据统计信息显示，如果在学习过 程中够适当地增加眼、耳、手等器官的刺激，学习的效果更好。c a i 通过 各种多媒体手段将学习者吸引到学习活动中去，计算机通过提问、提示及反 馈等手段与学习者保持动态的信息交换。在允许使用者适当控制的情况下形 成以学习者为中心的教学氛围，以提高学生的学习效率。 3 ) 个人化：不同个性的学生常常有不同的学习习惯，而学生的文化层次和背景 也是多种多样的。因此，在c a i 的设计中就要充分考虑到按学生个人的特 点因材施教，根据学习者的变化而调整教学内容、进度和难度等因素。设计 4 浙江大学硕士论文 的人机界面要易于学生控制，给学生留有足够的选择余地。 4 ) 即时反馈：保持较高的信息处理速度。避免由于长时间的计算而使学习者误 认为系统“死机”状态。信息的反馈包括两个方面：一是学生自我信息的反 馈，即学生难自身学习状况的了解，诸如自我练习做的对不对、练习耗费了 多少时间及其它一些个人统计数据等：二是教师对学生的学习情况的整体了 解，了解学生作业、考试状况，正确率和错误率等。c a i 以计算机技术为基 础，可以方便地实现科学化的教学组织与管理。有效使用信息反馈能够及时 发现存在的问题和其产生的原因，利于更好地解决问题。 5 ) 学习者能够自主控制：允许教师和学生在各自的教学和学习的过程中具有一 定的决策权利，增加系统的弹性。特别是让学生自己生成一个更熟悉的适合 于个人的学习环境。 由此可见，一个优秀的c a i 系统利用先进的电子技术，以计算机为媒介， 把教学内容、教学经验、计算机技术融为一体，通过授课、学习、模拟、对话 和问题求解等形式，达到教学目标，实现教学功能，棚薯曩禹皇一 蠢宙是改革教育，更新课堂教学形式，实现教学现代化的方向。它的发展已 成为一个国家教育水平的的重要标志。信息技术和计算机科学的高速发展，一 方面为c a i 的研制和开发提供了可靠的保障，另一方面也对其进一步的发展提 出了挑战。从目前国内外c a i 研制情况来看，已经涌现出大量设计精巧、界面 美观的c a i 自测软件。它们很受用户的欢迎，有许多已经投入商业生产。 1 3c a i 的教学模式和教学作用 c a i 的教学模式很多，以下几种是比较常见的： 1 ) 操练和练习 操练和练习( d r i l la n dp r a c t i c e ) 并不教授学生新的知识或技能，而只是用 于学生重复和温习己掌握的知识或技能。而且这些知识或技能是已经通过 别的方式已经掌握的。而操练和练 - q 的目的只是提高学生完成这些技能的 熟练程度和正确性。操练是一种联系型的学习活动，目的在于促使学习者 能将已经学过的事物相互联系起来；练习则是锻炼学生解决问题的能力， 浙江大学硕士论文 例如要求学生做一道练习题就是一种过程型的训练。因为每一练习题是由 若干步骤组成，而每一步骤都存在决策判断问题。 2 ) 授课辅导( t u t o r i a l s ) 是由计算机扮演教学者的角色，传授的主要是计算机知 识和语言信息，授课辅导常运用于自学。c a i 授课辅导程序流程如下： 3 ) 指 引导模块当学生开始使用时，首先进入引导段，主要是介绍系统目标和相 应的系统提示 学生选择模块：学生根据计算机提供的功能菜单或按扭，选择相应的学习 模块。当学生选择了学习模块后，c a i 课件进入一个教学循环过程。 信息呈现模块：由计算机向学生提示介绍各种概念、规则、原理及例子 系统提问模块：计算机提出若干与信息呈现模块中介绍有关的问题，以 便测试学生的知识理解情况。 学生回答模块：学生根据所学知识对系统提问模块中出现的问题进行回 答 系统判断模块：c a i 系统对学生回答的信息进行分析处理以确定回答的正 确性。 6 浙江大学硕士论文 反馈模块：c a i 系统根据判别模块提供的信息作出提示。 结束处理模块：c a i 系统在学生完成使用后对相关信息进行存储、显示和 统计。 指导型教学的基本过程 4 ) 模拟实验型教学：这类教学模式将控制技术和软件模拟巧妙地结台起来， 不仅使一些由于设备复杂或受条件限制而无法进行的教学实验得以进行，而且 使学生产生身临其境的真实感觉，同时为学校节省了大量的实验资金。 4 ) 问题扩充型教学模式：把课程内容和计算方法、程序设计有机地结合起来。 教师按照内容体系概括出基本问题，把原理和计算、计算流程图、源程序 等都讲清楚后，再把问题复杂化，让学生修改源程序，解决新问题。这种 引导式教学形很受学生欢迎。 c a i 在教学领域的芨展，促进了教学内容的改革、推动了教学手段的革新， 并将最终改革教学模式。教育改革的实践说明，c a i 发展到现阶段已经成为世 界性的教育改革潮流，必将对2 l 世纪教育的发展产生重大而深刻的影响。一方 面c m 使教师脱离繁琐的重复性劳动，能够将有限的时间和精力投入到更具创 造性的工作中去。教师每年要花大量时间来答疑、出卷、阅卷和批改作业、统 计成绩等工作。这其中一大部分重复工作可以用精心设计的c a i 系统完成，近 几年流行的标准化命题试卷的判分和统计都使用了计算机操作，节省了大量的 7 浙江大学硕士论文 人力、物力和时间；同时c a i 在教学中的介入有利于教师及时地了解教学效果， 在传统教学方式中，教师在课堂中主要是按照自己的备课讲义进行授课，留给 学生进行问答教育的时间是有限的，而在c a i 中许多练习和操作可以以小形式 任务进行，人一机相互之间的交互几乎是无限的：c a i 对学生的学习过程也产生 影响，它可以使学生在学习过程中少产生疲劳和克服人机心理隔阂。多媒体c a i 系统普遍采用w i n d o w s 系统提供的部件，诸如窗口、菜单、图标、按钮、对话 框等来设计人机界面，并以鼠标或声音作为输入手段。其友好的风格使即便不 熟悉计算机的学习者也能轻松地进行操作，而且屏幕色彩丰富，表达生动，使 学习者乐在其中，在不知不觉当中掌握了知识，而且不容易产生疲劳。如果能 够充分利用c a i 的特点，就能够更好地实施因材施教和实行个性化教育，提高 教学效率。特别是多媒体教学c a i 充分利用其中的动画、图象和声音制作出各 种奇妙效果，以促进学习者感官和想象力互相配合，产生其它传统教育方式所 达不到的创造性效果。 优秀c a i 谋件可以部分解决优秀师资和教学资金缺乏的问题。比如将模拟 技术引入c a i 系统可以用于完成真实实验费用太昂贵或实验仪器不俱全的实 验。提高教育质量、提高学生的素质和能力，这本身就是提高经济效益。优秀 的c a i 软件不仅受到学生的欢迎，也得到社会的重视。随着计算机技术的发展， c a i 的形式、内容也将不断发展变化，其在现代教育中的地位和作用也会不断 提高和拓展。 1 4c a i 的现状和存在的问匿 目前c a i 的研究方向主要包括以下四个方面： 1 ) 重视学习过程的研究。学习过程是c a i 理论研究的重要领域，在国际上 人工智能专家美国的s i m o n 等对有关教学模式提出了薪的思路，要求 课件设计上能将接受学习、发展学习和掌握学习等几个不同过程有机的 结合起来，以达到良好的学习迁移效果。 2 ) c a i 的教育目标发展到认知和情感相结合的形式。要求课件的系统设计 8 浙江大学硕士论文 需要遵照一个合理全面的目标结构，按照个体化学习、合作性学习和竞 争性学习三大形式 形成描述语言。 3 ) 充分利用方法论中显示出的完整特点。许多c a i 课件系统的开发利用 了系统工程的理论和方法进行规划和管理，从而在提高效益的前提下保 证了所设计系统的质量。 4 ) c a i 正在推动教育技术向教育信息科学发展，特别是人一机交互功能方 面的研究和实现，使深入研究教学过程成为可能。 l 。4 。2 当前c a i 需解决的阔题 当前c a i 的虽然得到很大程度的发展，但仍存在许多不足，主要体现在： 1 ) 对c a l 的作用、地位、价值的认识存在一定分歧。作为一门现代化教育 技术的新学科，c a i 在其发展过程不可避免与当前的科学技术的发展紧 密联系在一起。丽科技的发展和进步是一个长期和延续的过程，不是一 朝一夕就能得出结果的，所以目前存在的一些技术上的问题不应该成为 怀疑c a i 作用和地位的理由。在对待象c a i 这样一门新学科要采取看得 远、起点高的态度，信息革命对世界文化的冲击是巨大的，它实际上改 变了一代人的世界观。 2 ) 开发、使用及在教学改革、科研中的地位处置不当。许多c a i 的开发和 使用只局限于小范围，在教学的过程中只起到黑板和粉笔的替代物的作 用。在整个c a i 设计过程中不敢投入较大的资金和人员，更不用讲投入 市场产生经济效益了。 3 ) c a i 课件重复开发制作，缺少一个统一的标准和统一的协调组织。小规 模的制作产生了许多手工作坊式的产品，各自有各自的标准，功能上经 常重复，各自在小范围运行，随着时光流逝而逐渐被淘汰。然后又开始 重新制作、开发，重复以前的功能。换句话讲就是“新瓶装旧酒”，实 质上没有革新。 4 ) 总体水平和工具制作水平不高，i c a i 等高质量课件缺乏。c a i 制作中有 大量的客观型试题( 是非题、选择题) ，而面向主观型试题( 计算题、问答 题) 的c a i 软件由于它涉及到数学建模、模型识别和最优化处理等许多前沿 9 浙江大学硕士论文 学科领域，研制困难大，目前尚无人问津。这种状况对于c a i 软件的发展不 能说是一种缺憾。因为在教学和学习过程中，最使学生感到困难，最花费教 师批阅时间的却往往是计算题。因此，全方位的包括主观型试题的电子练习 软件( 智能计算类i c m ) 是当前c a i 发展方向之一。 1 4 3 智能计算类i c a l 开发的主要难点 虽然，具有类似人脑智能判断力的计算类c a i 软件直是科学教育界努力 追求的目标，但在实际设计过程中仍然存在以下若干具体难点： 1 ) 输入变量的约束。学生在计算题的计算过程中所命名的变量带有很大 的随意性，而在工程力学的计算过程中，变量往往是含有特定物理意 义的符号量，因为一般的物理量都具有量纲，不同种类的物理量具有 不同的量纲。如何识别和使用这些变量是一个比较棘手的地方。 2 ) 学生解题过程中的数学模型的建立及解题的模式判别。为了模拟学生 的思维过程，系统需要一种与之能方便交互的界面，可以将学生的解 题过程转化为计算机可以处理的数学语言，并能够进一步加以处理。所 以必须设计一个带有一定解释能力的字符编辑器，对学生输入的解题 过程进行预处理。按照力学原则进行约束控制。显然，完全的自由是 不允许的，因为计算机不可能识别学生输入的任意变换的字符串，但 太多的约束会使学生觉得失去自由驰骋的天地，无法体现各自解题的 个性可见这个约束控制的度非常重要。 3 ) 如何进行众多的工程计算。对包括线形、非线形和超越方程( 组) 进 行数值求解，只要学生列出方程或方程组，所有的计算任务由计算机 完成。 4 ) 习题结果的判断正误。对计算结果能够进行类似人脑的判断和批改涉 及到对符号变量的运算和判别，这不仅仅是判断计算的数值是否正确， 还包括计算结果的物理单位、量纲是否正确的问题。 5 ) 解题中最优解的判别。对于同一习题的不同解法之间的择优，涉及到 许多题解判断的影响因子，例如：解题耗费的c p u 时间、题解的简洁 度、教师人为权重等，如何将众多因素中综合进行分析最后得出最优 l o 浙江大学硕士论文 选择是最困难的一关。 智能计算类i c a i 的研制和开发还处于初级阶段，可供参考的文献也比 较少，针对智能计算类i c a i 设计中的难点和问题，本文试图作些研究。 1 5 本文工作的目的、意义及内容 1 , 5 1 研究的目的与意义 c a i 在发展到一定阶段就要求向智能型发展，即系统具有人的某种智力功 能( 专家系统+ 人工智能系统支持的高级i c a i ) 。它不仅能对多媒体信息进行简 单的检索、加工，而且具备识别、分析和对各种复杂问题的处理能力。智能化 的发展，使c a i 系统产生一个飞跃，将在人才的培养中起到独特的作用。从目 前国际c a i 发展趋势来看，基于w i n 9 5 w i n 9 8 操作系统下，有多种写作工具支持 的多媒体超媒体c a i 系统，同时又能在网络环境中运行的具有人工智能的高性 能c a i 是今后发展方向。在高等院校中许多力学类基础课程，例如材料力学、 结构力学、流体力学及土力学等都涉及到大量复杂的公式计算，而且许多计算 公式是隐式的，需要手工迭代处理，学生在进行解题过程中花费了大量的时间 进行数学计算，而相对忽略了解题过程中的数学建模能力；在另一方面，教师 的教学工作是比较繁重的，而计算题的批改工作又是最耗时间和精力的。因此 力学类计算处理的c a i 软件已被列为“九五”国家重点科技攻关项目子专题的 一个内容。通过设计一种通用性强的智能计算类i c a i 平台，一面由它接管所有 的数学计算工作，使学生能够集中精力于解题过程的整体建模：另一面能够代 替教师进行全面部分的批改工作以节省教师有限的教学时间和精力，这种平台 可以加载不同的力学课程内容，在替换掉若键的数据部件后，可以灵活地应用 到不同力学课程教学中，这正是本文工作的主要目的和意义所在。 1 5 2 本文的主要研究内容 由于不可能也没有必要对所有力学课程的实际情况进行分析，本文特选定 浙江大学硕士论文 工程流体力学作为智能计算类i c a i 的加载对象进行理论和实际应用的研究。本 文将结合智能计算类i c a i 软件的研制和开发，对其中的难点和问题进行分析和 论述，本文的主要研究内容如下： 1 ) 分析流体力学计算题的基本结构，用计算机语言描述和模拟了计算解题 过程，将复杂的解题步骤分解为通用的数据结构。 2 ) 利用a c t i v e x 技术将计算软件和c a i 的主控模块有机地结合起来，并且 通过通讯渠道进行相互联系。 3 ) 针对i c a i 系统的不同要求，提出建立完善的i c a i 数据库系统的方案。 4 ) 提出引入模糊数学理论和模糊模式识别技术，对计算模式进行识别和选 优，并用实际例题进行验证。， 1 2 浙江大学硕士论文 第二章智能计算类i c a i 和数学计算工具的集成 2 1 智能计算类i c a i 为什么要和其它数学工具集成 目前国际上流行的3 0 多个数学科技应用软件( 特别是m a p l e 、m a t h c a d 、 m a t l a b 等几个软件) 无论在通用性还是可靠性上都是处于世界领先地位的。 特别是美国m a t h w o r k s 公司推出的科学计算软件m a t l a b 提供了线形代数、 矩阵运算、数值计算等功能，它计算精度高、速度快。是一种以不需要指定维 数矩阵为基本数据单位的交互式系统，特别适合自动控制、仿真系统和神经元 网络，并且在这些领域里取得可喜的成果。m a t l a b 对应用学科，特别是边缘 学和交叉学科具有极强的适应力。由于它拥有通用科学计算、图形交互系统和 程序语言，在欧美等高等院校己经成为数学、控制、数理统计、信号处理、时 间序列分析、动态仿真等高级课程的基本教学工具：同时它也被广泛地应用于 解决各种具体工程问题。 在计算类c a i 中必须有一个功能齐全强大的计算模块，能够快速地处理各 种计算问题，例如，线形代数、微分方程等，特别要有符号计算的能力来与学 生使用者进行交互式计算。由此可见如果我们另起炉灶，用f o r t r a n 或c 语 言设计c a i 的计算模块，不仅耗时巨大，影响到e a i 核心程序的设计，而且设 计出的计算模块在没有经过充分测试是否可靠还是一个未知数，所以采用成熟 的、可靠的技术是一个折衷的方案 但是m a t l a b 本身是一种命令形式的交互系统，它有以下几个缺陷： 1 ) 不具备规范的g u i ( 图形用户接口) ，人机界面不太友好，使用者要有 较高的计算机素质，要非常熟悉m a t l a b 和它的t o o l b o x 环境，这样 使m a t l a b 的普及性受到限制： 2 ) 不符合a e t i v e x 标准，a c t i v e x 是o l e 和o c x 不断发展而最终形成的 1 3 浙江大学硕士论文 一流的c o m 产品，它保证了在多任务环境中，满足该标准的不同应用 程序之间可以分享数据，相互之间也可以通讯；使满足该标准的不同 程序系统具有彻底、简捷的重用：使用户可以立足于对象( 类) 的属 性、方法、事件以及d l l 等多种级别上进行控制。而目前的m a t l a b 产品还不符合a e t i v e x 的标准。 显然，普通用户无法在代码级上修改m a t l a b ，所以，采用w i n d o w s 的 编程技术，用w i n d o w s 优美的图形界面和菜单来驱动m a t l a b 各种强大的数 学计算功能，使得两个软件优势互补，同时又可以充分利用建立在w i n d o w s 操 作系统上的丰富的应用软件。 2 2m a t l a b 的基本介绍 2 2 1m a t l a b 的四大功能 1 ) 数值计算 数学计算有数值计算和符号计算之分，两者之间的根本区别是前者 的表达式、矩阵变量中不允许包含未定义的自由变量，而后者允许。 m a t l a b 的数值计算有以下特点： m a t l a b 是以矩阵作为运算单位在数值计算上，运算的单位 是定义在复数域上 在m a t l a b 中，不管是数据矩阵还是符号矩阵都不必事先定义 维数大小，m a t l a b 会根据用户所输入的矩阵结构自动配置， 并在以后的运算中按正确的数学法则自动调整矩阵的维数。 数值计算提供了许多矩阵运算函数、多项式处理函数及数据统计分 析工具。 2 ) 符号计算 符号计算的特点之就是运算对象和过程允许存在非数值的符号变 量，在符号计算的整个过程中，所运作的摹本单位是符号变量( s y m b o l i c v a r i a b l e ) 。m a t l a b 符号计算内容包括：符号表达式和矩阵操作：微积 分；线形代数；方程求解等。 1 4 浙江大学硕士论文 3 ) 动态仿真环境 s i m u l i n k 作为实现动态系统建模、仿真的集成环境，实现了在 w i n d o w s 操作系统中，用户可以通过简单的鼠标操作建立直观的系统 模型；实现了多工作环境间的数据交换。从而把理论研究和工程实践 有机地结合起来。 4 ) 图形功能 作为一个国际流行的科技应用软件，m a t l a b 在数据可视化方面也有 上佳表现。m a t l a b 可以给计算数据以二维、三维乃至四维的图形 表现。它通过对图形的线型、立体、色彩、光泽、视角等特性值的赋 值和处理，比较出色地展现了计算数据的特征。m a t l a b 的图形能 力是建立在一系列图形对象( g r a p h i c so b j e c t s ) 的基础上的。由于c 语言是m a t l a b 的核心设计语言，因此它继承了c 语言的图形句柄 特征，并在此基础上发展了一些高级图形功能。它包括高层( h i g h l e v e l ) 和低层( l o w l e v e l ) 两层图形处理命令，主要提供以下功能： 二维和三维图形的绘制二维和三维数据图形的绘制是计算软件的基 本要求，但象m a t l a b 那样能够用自然、简洁、灵活的图形命令来实 现复杂的数据图形化是不多的。m a t l a b 在高层图形命令中用不多的 几个命令，通过改变输入参数的方法动态地完成众多的图形功能。例如 p l o t 是最基本的二维图形命令，输入应该是两个向量但当输入三个向 量时，p l o t 就变成绘制三维数据图象了。 句柄控制m a t l a b 同时还提供了一组用于创建、操作线、面、文 字标注等基本图形对象的低层命令。这组指令可以对图形各基本对象进 行更为低层的操作和控制，可以产生更为复杂的图形，而且可以制作动 态图形。句柄图形( h a n d l eg r a p h i c s ) 的功能非常丰富，而且调用的形 式与c 语言的函数调用非常相似，例如： f i g = f i g u e ； 创建图形，句柄赋值给魄变量 戕= 似c t b o x l o l a ，v i e w ，卜3 75 ，3 0 】，n e x t p l o t 。佗p l a c e ) ：创建轴对象 【x ，y , z = p e a k s ( 2 5 ) ； s u r l h o i g h 产s u r f a c e ( x ，y 乙f a c , c e o l o r 、v ，1 l i n e w i d h t ，2 ，e d g e e o l o e 。r ) ；绘制网格图 1 5 浙江大学硕士论文 2 2 。2m a t l a b 的程序设计 m a t l a b 语言也称为第四代编程语言，它通常提供两种方式：一是直接交 互的命令行操作方式，在这种方式中，m a t l a b 被当作一种高级数学演算和视 图器来使用；另一种就是m 文件的编程工作方式，从形式上看，m 文件就是a s c i i 文件( 标准的文本文件) ，扩展名一律是m ，用通用的字处理软件就可以对它进 行编写和修改。从特征上看，m a t l a b 是解释型编程语言，其优点是语法不复 杂，容易调试，人机交互性强，缺点是逐句解释运行程序，速度比编译型的慢。 但m a t l a b 这个运行速度慢仅表现在m 文件的初次运行时因为m 文件一经 运行便变成代码存放在内存中。再次运行该文件时，m a t l a b 将直接从内存中 取出代码。大大加快了运行速度。从功能上讲，m 文件扩展了m a t l a b 的能 力，m a t h w o r k s 公司推出的系列工具( t o o l b o x ) 为m a t l a b 方便地应用到控 制、信号处理、小波分析、系统辨识、图象处理、优化分析等方面提供了强有 力的保证。 由于m 文件是解释型程序语言，而且以复数矩阵为基本运算单位，所以 m 文件与其它计算机高级编程语言相比在数学计算领域是有很大的优势。另外， m a t l a b 本身是由c 语言写成的，所以m 文件的语法与c 语言很相似。 2 2 3m a t l a b 与其它平台之问数据交换 m a t l a b 的m 文件( 所有的命令文件、函数文件) 都是标准的a s c i i 码文 件这些文件的格式与机器类型无关。m a t l a b 的数据文件( m a t 文件) 是 二进制文件，在文件开始处有个特别的识别字段，这个字段用于存放机器特征 码。当m a t 文件被加载，这机器特征码酋先被识别。当发现该代码代表其它机 种时，就会自动对m a t 文件做转化。因此，作为m a t l a b 两大应用文件( m 文件和m a t 文件) 都可以直接在不同机型使用和相互转化，m a t l a b 的可移 植性是比较好的。 1 6 浙江大学硕士论文 2 3 集成中需妥克服的困难 将两个系统集成的目的是为了简化操作，互相取长补短，但在实行集成仍需克 服许多障碍，这些障碍是： 1 ) 旦庄显西皇坠! l 缱查间遗直直接的亟迅鎏道由于m a t l a b 系统没有直接 提供对外的接口，所以如何建立稳定和持续的通讯渠道是解决问题的关 键。因为两个部件( 用户界面与m a t l a b ) 分别是相对独立的运行部件， 各自有自己特有的代码和功能，只有将两者结合起来才能完美的实现c a i 的功能。 2 ) 县宝墨面量丝盟k 些之间墼堡袭型羞昱m a t l a b 系统是一种透过命令行窗 e l 进行交互操作的系统，所有的数据( 系统数据、用户数据和中间临时数 据) 在存储介质中是以t 二进制码格式存储，而在计算机内存中是以 a s c i i 码的形式表示。前台用户界面接受和发出的信息必须通过一种转化 机制来进行前期预处理，将信息翻译成每个部件能够理解的数据类型。 3 ) 用宝昼亟董世i ! ：些囱叠筻堡丕：二塑w i n d o w s 采用多任务运行方式，其应 用程序共享计算机各内部资源。在不同的内存模式下，w i n d o w s 必须在各 应用程序的竞争请求之间将内存作为有限资源分配给各个应用程序，内存 管理复杂。m a t l a b 系统自己设置了一套内存管理系统，包括内存的分配、 回收、释放等操作。专门为系统使用对的局部变量、全局变量或临时变量 分配空间，作为用户界面系统和m a t l a b 系统的结合体，c a i 软件在运行 过程中要启动若干w i n d o w s 程序和后台m a t l a b 运行，这对整个c a i 系统 的内存管理提出较高要求，一方面要为后台运行的m a t l a b 提供足够的内 存空间来保证m a t l a b 运行时速度足够快，保证前台和后台的同步：另一 方面要及时释放和清除前台界面和后台m a t l a b 的局部或全局变量，及时 置空系统堆栈空间等。 4 ) 益台昼画猩崖塑丛叁坠丛墨熊翌堂退信基数丕凰生m a t l a b 系统处理错 误采用实时中断程序运行的方法，即在m a t l a b 的控制密口上输出错误 提示信息。这是一种容错度极小的比较呆板的方法。因为一旦在数据流的 处理过程中出现哪怕一点点错误，整个处理流程就终止了并要求人工干 预。而一个界面友好的应用软件不会由于不当的操作错误而受到死机退出 1 7 浙江大学硕士论文 的惩处。在实际使用中，许多w i n d o w s 应用程序都能对相当程度的错误 操作或错误的数据输入输出作出合适的提示信息和处理，从而保证系统 运行的连续性。因此如何协调两者的错误中断方式，避免出现莫名其妙的 程序退出或系统死机现象是一个重要的系统集成的协调问题。 2 4 智能计算类l c a l 与数学软件集成的方法 2 。4 ，1 面向对象程序设计方法 面向对象程序设计( o o p ) 一o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g 是一种系统化的程序 设计方法，允许抽象化、模块化的分层结构，具有多态性、继承性和封装性。面 向对象程序设计不但仍然支持标准的过程化程序设计而且在语言上还进行了 扩展，提供了面向对象程序设计的强大功能和更大的灵活性。面向对象的程序 设计方法与编程技术不同于标准的过程化程序设计。程序设计人员在进行面向 对象的程序设计时，不再是单纯地从代码的第一行一直编到最后一行，而是考 虑如何创建对象，利用对象来简化程序设计，提供代码的可重用性。对象可以 是应用程序的一个自包含组件，一方面具有私有的功能，供自己使用：另一方 面又提供公用的功能，供其他用户使用。用户通过对象的属性、事件和方法程 序来处理对象。同时，面向对象的语言扩展部分为应用程序中的对象提供了更 多的控件，同时也使得创建和维护可重用代码库更为容易。它有如下优点： 更紧凑的代码。 在应用程序中可更容易地加入代码，使您不必精心确定方案的每个细节。 减少了不同文件代码集成为应用程序的复杂程度。 面向对象程序设计基本上是一种包装代码，代码可以重用而且维护起来根容易。 其中最主要的包装概念被称为类。所谓的类就是定义了对象特征以及对象外观 和行为的模板。所有对象的属性、事件和方法程序在定义类时被指定。此外， 1 8 浙江大学硕士论文 类还有如下特征，这些特征对提高代码的可重用性和易维护性很有用处。面向 对象程序设计( o o p ) 有以下特点和概念： 封装隐藏不必要的复杂性 当您在办公室内安装一部电话的时候，您也许并不关心这部电话在内部如 何接收呼叫，怎样启动或终止与交换台的连接，以及如何将拨号转换为电子信 号。您所要知道的全部信息就是您可以拿起听筒，拨打合适的电话号码，然后 与您要找的人讲话。在这里，如何建立连接的复杂性被隐藏起来。所谓抽象性 便是指能够忽略对象的内部细节，使用户集中精力来使用对象的特性。 子类内部的复杂性可以被臆藏起来。 封装使抽象性成为可能。封装就是指将对象的方法程序和属性代码包装在 一起。例如您可以把确定列表框选项的属性和选择某选项时所执行的代码封装 在一个控件里，然后把该控件加到表单中。 继承性充分利用现有类的功能 一个子类可以拥有其父类的全部功能，在此基础上，可添加其他控件或功 能。例如，现有一个表示基本电话的类，用户可以定义其子类，该子类可拥有 这个基本电话类的全部功能用户还可添加上自己需要的其他功能。 子类可以重复使用代码 定义子类是减少代码的一条途径。先找到与自己所需最相似的对象，然后 对它进行定制。继承性的概念是使在一个类上所做的改动反映到它的所有子类 当中。这种自动更新节省了用户的时间和精力。例如，电话制造商想以按键电 话代替以前的拨号电话。若只改变主设计框架，并且基于此框架生产出的电话 机能自动继承这种新特点，而不是逐部电话去改造，会节省大量的时间。 继承性减少了维护代码的难度 继承性只体现在软件中，而不可能在硬件中实现。若发现类中有一个小错 误，用户不必逐一修改子类的代码，只需要在类中改动一处，然后这个变动将 体现在全部子类中。 1 9 浙江大学硕士论文 多态性( p o l y m o r p h i s m ) 面向对象程序设计术语。主要是指一些关联的类包含同名的方法程序，但 方法程序的内容可以不同。具体调用哪种方法程序在运行时根据对象的类确定。 例如，相关联的几个对象可以同时包含d r a w 方法程序，当某个过程将其中一 个对象作为参数传递时，它不必知道该参数是何种类型的对象，只需调用d r a w 方法程序即可。 对象具有与之相关联的事件和方法程序 每个对象都可以对一个被称为事件的动作进行识别和响应。事件是一种预 先定义好的特定动作，由用户或系统激活。在多种情况下，事件是通过用户的 交互操作产生的。例如，对一部电话来说，当用户提起听筒时，便激发了一个 事件，同样，当用户拨号打电话时也激发了若干事件。可以激发事件的用户动 作包括：单击鼠标、移动鼠标和按键。方法程序是与对象相关联的过程，但又 不同于一般的过程。方法程序紧密地和对象连接在一起，并且与一般的高级程 序设计语言的过程调用方式也有所不同。 事件可以具有与之相关联的方法程序。例如，为c l i c k 事件编写的方法程 序代码将在c l i c k 事件出现时被执行。方法程序也可以独立于事件而单独存在， 此类方法程序必须在代码中被显式地调用。事件集合虽然范围很广但却是固 定的。用户不能创建新的事件然而方法程序集合却可以无限扩展。 2 4 2a c t i v e x ，o l e 控件及其创建 a c t i v e x 是基于c o m p o n e mo b j e c tm o d e l ( c o m ) 的可视化控件结构的商 标名称。它是一种封装技术，提供封装c o m 组件并将其置入应用程序，例如 将其置入w e b 浏览器就是一种方法。a c t i v e x 控件是v b x 的后继产品，也可 认为o l ec u s t o mc o n t r o l ( 或o c x ) 的组件就是a c t i v e x 控件。另一种定义认 为a c t i v e x 是m i c r o s o f t 整个组件技术的商标名称。它只有在设计时才是可见 的。这种控件的一个示例就是计时器。开发人员在设计应用程序时能看见它， 但最终用户是永远也不会看到它的。a c t i v e x 控件的使用涉及到一些必需的协 议，它们包括这样一些东鹾，如可视化开发工具用来处理屏幕空间以及在注艇 表中显示出“工具箱”图形的数据项界面等。a c t i v e x 控件通常封装到d l l 中， 2 0 浙江大学硕士论文 扩展名为o c x ，它们通过自我注册和取消注册在操作系统中创建和删除类名， 从而可以通过自动操作实现程序设计。o l e 并没有深入到对象技术的整个系 统，可以认为它只是c o m 顶层的另一个框架，有点类似于a c t i v x 。o l e 支 持复合文档或文档内的文档。 如果想要建立一个具有强大功能的小组件。用来访问系统服务并能够被放 入窄范围意义的客户端中( 如浏览器) ，这时可以使用a c t i v e x 。例如，如果 需要一个可打印或写入注册表的组件，就可以使用a c t i v e x