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北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 虚拟实验系统关键技术研究与应用 摘要 随着时代的发展，远程教育已日益成为传统教育的重要补充。远 程教育的发展经历了广播教学，电视教学，网络教学三个阶段，其中 网络教学最能代表远程教育的发展方向。在远程教育的实际教学中， 许多学科的课程特别是理工科课程为了培养学生的实际动手能力和 观察能力，需要学生进行大量的实验。因此如何利用现有网络创建虚 拟实验，成为一个重要的研究课题。 本文首先介绍了虚拟实验系统在远程教育方面的应用及优势，指 出开发虚拟实验系统的必要性。作者重点对开发虚拟实验系统涉及到 的关键技术进行研究，包括仿真系统的研究，面向对象技术的研究， 动态界面技术的研究及软件工程和人机交互的研究，并介绍了计算机 网络虚拟实验和电路分析虚拟实验的具体实现。 在文章的最后，作者对论文期间所傲的工作进行了总结。 通过计算机网络虚拟实验和电路分析虚拟实验的设计开发，对今 后开发虚拟实验系统具有一定的参考价值。 关键词：虚拟实验远程教育计算机网络 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 v i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e m k e yt e c h n i c a l r e s e a c ha n da p p l i c a t i o n a b s t r a c t t h e l o n g d i s t a n c e e d u c t i o nh a s a l r e a d y b e c o m et h e i m p o r t a n t s u p p l e m e n t o ft r a d i t i o n a le d u c a t i o n d a yb yd a ya l o n g w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe r a t h ed e v e l o p m e n to ft h el o n g d i s t a n c ee d u c t i o nh a s b e e ne x p e r i e n c e dr a d i ot e a c h i n g ，t e l e v i s i o nt e a c h i n g ，n e t w o r kt e a c h i n g t h r e e s t a g e s ，t h et e a c h i n g o ft h en e t w o r kc a n r e p r e s e n td e v e l o p i n g d i r e c t i o no f l o n g d i s t a n c ee d u c a t i o nm o s ta m o n gt h e m d u r i n g t h ea c t u a l t e a c h i n go f t h el o n g d i s t a n c ee d u c a t i o n ，t h ec o u r s e so fal o to f d i s c i p l i n e s e s p e c i a l l y s c i e n c ea n de n g i n e e r i n gc o u r s ea r ef o ra c t u a l m a n i p u l a t i v e a b i l i t yt ot r a i ns t u d e n ta n do b s e r v a t i o na b i l i t yn e e d s t u d e n t st oc a r r yo na l a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t s s oh o w t ou t i l i z et h ee x i s t i n gn e t w o r kt o e s t a b l i s hv i r t u a le x p e r i m e n t ，b e c o m ea n i m p o r t a n t r e s e a r c hs u b j e c t t h i s p a p e r h a si n t r o d u c e dt h e a p p l i c a t i o n a n d a d v a n t a g e i n l o n g d i s t a n c ee d u c a t i o no f t h ev i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e ma tf i r s t ，p o i n t o u tt h en e c e s s i t yo f d e v e l o p i n gv i r t u a le x p e r i m e n t t h ea u t h o rs t u d i e si n t h e k e yt e c h n o l o g y t h a tt h ev i r t u a l e x p e r i m e n t a ls y s t e m i n v o l v e s ， i n c l u d i n g t h er e s e a r c ho ft h ee m u l a t i o n s y s t e m ，f a c et h e r e s e a r c ho f t a r g e t st e c h n o l o g y , t h e r e s e a r c ho fd y n a m i ci n t e r f a c e t e c h n o l o g ya n d r e s e a r c ho ft h es o f t - w a r e e n g i n e e r i n ga n dh u m a nc o m p u t e ri n t e r a c t i o n a n di n t r o d u c e sh o wt oi m p l e m e n tt h en e t w o r kv i r t u a le x p e r i m e n to ft h e c o m p u t e r a n dt h ea n a l y s i so f t h ec i r c u i t a tt h ee n do ft h ea r t i c l e ，t h ea u t h o rh a ss u m m a r i z e dt h ew o r kt h a td i d d u r i n g t h et h e s i s t h r o u g h t h ed e v e l o pt h en e t w o r kv i r t u a le x p e r i m e n to ft h ec o m p u t e r a n dt h ea n a l y s i so ft h ec i r c u i t ，w eh a v ec e r t a i nd i r e c t i v es i g n i f i c a n c ei n d e v e l o p i n g t h ev i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e mi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c o m p u t e rn e t w o r k s ，v i r t u a l l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ， d i s t a n c ee d u c a t i o n i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名 扭蓬强 本人承担一切相关责任。 日期：塑竺，；。；l 关于论文使用授权的说明 可学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可 以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 杠蒸勃 彬各镌冬一 日期：! 兰! ：! f 日期：j 纽孝上乒一 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 1 1 论文背景 第一章绪论 随着网络技术的飞速发展，种新兴的教育方式一网络远程教育，正成为世 界上高等教育的重要组成部分和培养各类人才的重要形式。作为一种先进的现代 信息处理和远程通讯手段，网络信息通讯的基本特征是容量大，自动化管理，声 色像多媒体表现，更新快和可实现双向远程交互。这样一些特征不仅可以很好的 应用于远程教育及教学活动，而且尤其符合信息社会及发展现代开放教育的基本 要求，因此，在世界范围内的因特网发展的2 0 多年时间里，网络一直极为广泛 和有效地应用于教育。而且随着虚拟仪器技术的诞生和不断的更新发展，把网络 远程教育和虚拟仪器结合起来是完全可行的。 所谓远程教育就是通过网络这一先进的技术进行在线教学，利用现代化的信 息传输设备，以远程传输的方式开展异地教育。也就是说教师和学生并非在同一 教室里，甚至不在一个国家里。 现代远程教育不仅带来了全新的教学手段，教学方式，也带来了教学观念的 变化。过去，远程教育主要通过广播电视的渠道来进行，而在因特网出现之后， 传输方式正迅速的向网络发生转移，远程教育包括一系列行为，从幼儿园到研究 生教育都是正规的面向学位的教育，或是同等的学校教育之外的非正式教育。如 今在因特网较为发达的西方国家，远程教育正得到兴旺的发展， 1 1 1 和传统教育相比，远程教育具有明显的优势 l ，开放性所谓开放，是指目标开放即学校向学习的对象开放；教育资源即 教学课程开放；教育方式即管理的方式开放；教育场所和时间开放。在 远程教育中，教育教学制度上同传统教育不同，更加注重创新才能的培 养，在保证受教育者具备基本学习能力的前提下，采取“宽近严出”的 方法，教育质量的把关不是放在入口上，而是放在出口处；在教学管理 中，没有采取优胜劣汰的方阵，而是在保证基本教育质量的基础上，为 尽可能多的人提供尽可能多的受教育机会；在教育方式上，要照顾不同 职业背景和工作时间的在职人员的实际，提供可供选择的教育服务，尤 其要优化组合各种教育资源为受教育者服务。由此可见，远程教育对任 何阶段，任何层次的学员开放， 2 ，灵活性远程教育的灵活性表现在：能满足受教育者个性化的要求，给受 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 教育者更大的自主权，受教育者可以根据自己选择的方式去学习以提高 学习效率从而使被动的学习变成主动的接受。在远程教育中，受教育者 对个人的学习进度负责，学习评价着眼在于学习的进展而不是论其考试 成绩的成败，受教育者的学习要求受教育者，教师的配合，以便学习的 内容符合工作的要求。受教育者的学习以自主的学习为主，学校更多的 提供学习的条件和服务，传统教学“以教师为中心以课堂为中心”逐 步变为“以学生为中心以自主学习为中心”所代替：远程教育覆盖面 广，传播手段灵活多样，教育资源和学习不受时空限制，可以随时，随 地为受教育者提供教育服务；远程教育实现多家高等教育单位的多种形 式的合作，实现优势互补，充分发挥高等教育的作用。 3 ，大众普及性这个优点是建立在前两个优点的基础上的：正是因为远程教 育的开放性，才有可能为不同基础，不同经历的受教育者提供受教育的 机会；同时，亦是由于远程教育的灵活性，才能为不同背景，不同职业 的受教育者接受继续教育提供了可能，因此远程教育具有大众普及性的 特点。 4 ，学习终生性知识本身是需要及时更新的，掌握知识的人的知识也是需要 及时更新的，从而使学习成为一个贯穿终身的持续性的活动。在当今社 会，为适应市场经济的运行要求，在职人员必须适应资源社会化，配置 市场化和使用价值化的要求，“创新人才是资本”成为一种基本的观念， 新知识，新技术在当今社会环境中扩散速度很快，快速的扩散必然导致 对知识，技术的更新要求也加快。从而又促进新的东西产生。由于知识 的更新速度的加快，在职人员必须不断的为自己补充新的知识，接受新 的信息，才能赶上职业要求的变化，西方学者d h a n a r aj a n 认为，现代 化的教育必须训练人们的创造力，能够适应迅速变化的工作环境，教育 机构将根据社会的需求，学习者的要求和本地的实际情况提供灵活多样 的课程，远程教育利用网络实现了这方面的要求。 5 ，社会资源共享性教育部部长陈至立在面向2 1 世纪教育振兴计划一 文中指出：“现代远程教育工程”是我国的教育资源短缺的条件下办好大 教育的战略措施。虚拟“北大”，虚拟“清华”让全国各地学子与北大， 清华的学子一样聆听明师的指导，感受专家教授的风范。远程敦育利用 网络给学习者提供了最大丰富的信息，使学习由被动的记录信息的过程 变成学习者主动选择信息的过程。从物质上讲，网上学习打破了时空限 制，教学活动摆脱地域限制，延伸至全国乃至世界，实现教育资源的共 享和优化。 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 1 1 2 远程实验教学中存在的问题 实验，是多数工程类课程和应用类课程的重要一环，对培养学生的观察和实 验能力，实事求是的科学态度，引起学习兴趣都有不可替代的作用。实验教学正 是通过让学生亲自动手操作，观察事物发展及变化，加深理解和认识从而使观察、 思维、分析能力和创新精神得到培养和提高。因此，无论是在传统教育还是在远 程教育中，都非常重视对实验教学的开展与研究。 在传统教学中，通过在学校建立实验室，学生在实验室完成相关课程的实验 任务，达到培养能力的目的。这种模式的前提是学生能够在预定的时间集中到预 定的地方。 但由于远程教育的特点是师生分离，所以实验教学的实施与传统教学有很大 的不同，更具特殊性。首先，它不可能像普逶院校那样可以建设门类齐全的实验 室，也难于配备较多的实验人员。其次，根据远程教育突破时空、强调自主学习、 降低办学成本等特点，也不可能建立大而全的实验室系统。那么，如何解决远程 教育中实验教学所面临的问题呢? 2 0 0 1 年7 月，为了进一步推动我国远程教育的发展，教育都在北京召开了面 向2 l 世纪教育振兴行动计划现代远程教育工程项目协调会。会上针对目前困 扰远程教育发展的各种问题，进行了广泛的讨论，并最终确立了一批当前急需解 决的课题，予以立项支持。 1 2 虚拟实验特点 虚拟实验具有传统实验无法比拟的特点，在科研，教育( 特别是远程教育) 中有良好的应用前景。 1 ) 经济性传统的实验需要借助于具体的实验设备，在实际操作中，一些实验设 备价格昂贵，损耗大，实验成本高，这对于实验经费不足的院校而言，是难 以承受的。而网络中的虚拟设备不存在磨损，破坏，可反复使用。即满足了 教学要求，又能提高办学效益。 2 ) 开放性虚拟实验打破了传统实验的模式，实验者不再受到时间、空间的制约， 可随时、随地进入虚拟实验系统，进行虚拟实验操作。 3 ) 针对性在网上进行实验，可以将实验现象，实验结果重点突出，而将与此无 关的细节忽略掉。利用计算机的模拟功能，动画效果能够实现缓慢过程的快 速化或快速过程的缓慢化，使学生加深理解。另一方面，实验者可以随时控 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 制实验的进展情况，实验中相应的数据也可按需求反馈给操作者。 4 ) 安全性一些实验比如化学实验危险性比较高，若操作疏忽，容易对操作者造 成危害，而在网上进行虚拟实验却没有任何危险。对有毒有害，污染环境和 破坏性实验，可以在虚拟实验室内完成。 1 3 论文内容及意义 论文的主要内容介绍了在虚拟实验系统中的关键技术及各种技术的比较，并 介绍了计算机网络虚拟实验系统和电路分析虚拟实验系统的实现。对今后开发虚 拟实验系统具有一定的参考价值。 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 2 1 仿真系统 21 ，1 仿真的定义和作用 第二章关键技术研究 仿真，即“在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。 为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验。实验的方法基本上 可分为两大类：一种是赢接在真实系统上进行，另一种是先构造模型，通过对模 型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。传统上大多采用第一种方法，随 着科学技术的发展，尽管第一种方法在某些情况下仍然是必不可少的，但第二种 方法日益成为人们更为常用的方法，主要原因在于： 系统可能还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确的了解 未来系统的性能，这只能通过对模型的试验来了解： 在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，可能会有很大 的风险和损失： 需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而无法准确判断 试验结果的优劣： 试验时间太长或费用昂贵： 仿真技术已经成为分析、研究各种系统，尤其是复杂系统的重要工具，它不 仅用于工程领域，如机械、航空、航天、电力、冶金、化工、电子等方面，还广 泛用于非工程领域，如交通管理、生产调度、库存控制、生态环境以及社会经济 等方面。 2 12 仿真方法 在数字计算机上对系统进行仿真时，首先遇到的问题是，数字计算机的数值 及时间均具有离散性，而被仿真系统的数值及时间具有连续性，后者如何用前者 来实现呢? 从根本意义上讲，数字计算机所进行的数值计算仅仅是“数字”计算，它表 示数值的精度受限于字长，这将引入舍入误差；另一方面，这种计算是按指令一 步一步进行的，因而，还必须将时间离散化，这样就只能得到离散时间点上的系 统性能。用数字仿真的方法对微分方程的数值积分是通过某种数值计算方法来实 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 现的。任何一种计算方法都只能是原积分的一种近似。因此，系统仿真，从本质 上是从时间、数值两个方面对原系统进行离散化，并选择合适的数值计算方法来 近似积分运算，由此得到离散模型来近似原来的连续模型。 仿真系统可以分为连续和离散两大类。针对连续系统可以采用时域离散相似 法、频域离散相似法和偏微分方程仿真法，以及并行仿真技术等；对于离散系统 9 l i j 可以采用事件调度、活动扫描、进程交互等方法。不同的仿真方法适用于不同 的系统，有时常常是将几种方法混合使用来达到所要仿真的效果。 2 13 仿真的发展方向 随着计算机运算能力的飞速提高，各种新的仿真算法的出现，原有的单维模 拟信息的和枯燥的人机交互的仿真系统，将被多维化信息的和自然的人机交互的 仿真系统“虚拟现实系统”所取代。 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) ，是一种基于可计算信息的沉浸式交 互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、 听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚 拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的 感受和体验。v r 带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法，使得人 机交互的内容更加丰富、形象，方式更加自然、和谐。 虚拟现实( v r ) 是近几年来国内外科技界关注的一个热点，其发展也是日新 月异。简单地说，v r 技术就是借助于计算机技术及硬件设备，实现一种人们可 以通过视听触嗅等手段所感受到的虚拟幻境，故v r 技术又称幻境或灵境技术。 1 9 9 2 年，在法国召开了与v r 技术相关的名为“真实的与虚拟世界的界面”的国 际会议，同年在美国的s a nd i e g o ( 圣迭戈) ，批以医学专家为主的科学家组 织召开了名为“医学中的虚拟现实技术”的学术会议。1 9 9 3 年，i e e e 在s e a t t l e ( 西雅图) 召开了第一届虚拟现实国际学术会议，会议吸引了大批科技工作者， 发表了大量有价值的论文。不久，i e e e 的刊物s p e c t r u m 也组织了有关专集。在 国内科技界，v r 技术正逐渐受到人们重视。 虚拟现实是一门集成了人与信息的科学。其核心是由一些三维的交互式计算 机生成的环境组成。这些环境可以是真实的，也可以是想象的世界模型，其目的 是通过人工合成的经历来表示信息。有了虚拟现实技术，复杂或抽象系统的概念 的形成可以通过将系统的各子部件以某种方式表示成具有确切含义的符号而成 为可能。虚拟现实是融合了许多人的因素的，且放大了它对个人感觉的影响的工 程。虚拟现实技术是建立在集成诸多学科如心理学、控制学、计算机图形学、数 据库设计、实时分布系统、电子学、机器人及多媒体技术等之上的。 北京邮电大学硕士论文虚拟实验系统关键技术研究与应用 虚拟现实系统的三个基本特征： 1 沉浸性。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计 锋机产生逼真的三维立体图像使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备， 便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的 各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时，虚拟 环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且 还可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一 种身临其境的感觉。 2 交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不 仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感 设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整 系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能， 就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。 3 多感知性。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装 置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从 而达到身临其境的感受。 根据虚拟现实系统的基本特征，可以看到，虚拟现实系统是一个十分复杂的 系统，但同时也必然会为仿真开启一扇崭新的大门，在系统设计、系统分析、教 育、训练、游戏、产品开发及制造过程以及c i m s 中得到非常广泛的应用。 2 2 面向对象技术 2 2 1 面向对象方法概要 2 2 1 1 软件开发方法 当前主要采用的软件开发方法有结构化方法、面向对象方法和专家系统方 法。 结构化方法是种围绕功能来组织软件系统的方法。在这种方法中，系统的 基本构成要素是模块，它是实现系统某一功能的程序单元。模块具有输入、输出、 内部数据和过程等基本特性。输入和输出分别是模块需要的和产生的数据，内部 7 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 数据是仅供模块本身引用的数据，过程则是对模块具体处理细节的描述和表示。 输入和输出是模块的外部特性，内部数据和过程是模块的内部特性。结构化方法 是通过按功能将问题分解抽象成模块、建立模块和模块之间的调用关系来进行软 件开发的。 面向对象方法是一种围绕真实世界中的事物来组织软件系统的全新方法。在 这种方法中，系统的基本构成要素是对象。从软件开发人员的角度来看，对象是 一种将数据和处理这列数据的操作合并在一起的程序单元：从用户的角度来看， 对象是一种具有属性和行为的事物。对象可以是具体的也可以是概念性的。对象 具有标识唯一性、分类性、多态性、继承性和封装性等基本特性。面向对象方法 是通过将存在于问题空间范围内的事物抽象成对象、建立对象和对象之间的通讯 联系来进行软件开发的。 专家系统方法是一种围绕知识来组织软件系统的方法。它应用人工智能技 术，根据人类专家提供的知识、经验进行推理和判断，模拟人类专家解决的复杂 问题。在这种方法中，构成系统的基本要素是知识和应用这些知识的推理机制。 专家系统方法是通过对存在于问题空间范围内的知识和经验进行收集、整理和描 述，建立知识和知识之间的逻辑推理关系来实现软件开发的。 从概念方面看，结构化软件是功能的集合，通过模块以及模块和模块之间的 分层调用关系实现：面向对象软件是事物的集合，通过对象以及对象和对象之间 的逻辑推理关系实现。从构成方面看，结构化软件= 过程+ 数据，以过程为中心； 面向对象软件= ( 数据十相应操作) 的封装，以数据为中心：专家系统软件= 知识+ 推理，以知识为中心。从运行控制方面看，结构化软件采用顺序处理方式，由过 程驱动控制：面向对象软件采用交互式、并行处理方式，由信息驱动控制；专家 系统软件采用交互式、并行处理方式，由数据驱动控制。从开发方面看，结构化 方法的工作重点是设计；面向对象方法的工作重点是分析；专家系统方法的工作 重点是知识的获取与表达。但是，在结构化方法中，分析阶段和设计阶段采用了 不相吻合的表达方式，需要把在分析阶段采用的具有网络特征的数据流图转换为 设计阶段采用的具有分层特征的结构图，在面向对象方法中则不存在这一问题。 从应用方面看，相对而言，结构化方法更加适合数据类型比较简单的数值计算和 数据统计管理软件的开发；面向对象方法更加适合大项复杂的人机交互式软件和 数据统计管理软件的开发；专家系统方法更加适合逻辑推理性软件的开发。从发 展方面看，面向对象方法是软件开发方法的发展方向。 2 2 1 2 面向对象方法 与结构化方法学一样，面向对象方法( 0 0 法) 的形成也是从面向对象程序设 北京龆屯大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 计语言( 0 0 p ) 的研制开始的，在此基础上，以后逐步演绎为面向对象的分析和 设计方法( o o ao o d ) 从而形成了一整套体系较为完整的方法论。 0 0 设计法和o o 编程语言在9 0 年代初开始冲击软件市场，在金融和证券这些 先驱领域里首先登台亮相。其中纽约证券交易所在1 9 9 2 年底开始把o o 法用到其 花费1 4 5 亿美元的交易大厅的重建计划中，1 9 9 3 年在开发中开始使用o o 法、 c + + ，以及o o 数据库，1 9 9 5 年初开始在交易大厅中使用以o o 法开发的软件。0 0 法和0 0 语言在9 0 年代初开始成熟。据统计，现在有6 0 的新软件产品在使用0 0 开发。 0 0 的基本原理就是按照人类自己认识客观世界的般方法和一般的思维方 式去分析问题和解决问题的。换言之，0 0 方法直接反映了人们对客观世界的认 知模式。认知学告诉我们，人类认识客观世界有两个基本过程，一个是从特殊到 一般的归纳过程，另一个是从一般到特殊的演绎过程。这两个过程在面向对象中 都 ；导到了充分的体现。 在0 0 方法中，除了引入对象这一最基本的概念之外，还引入了对象类和类 继承性两个基本概念。对象、对象类和类继承性也就是数据抽象、抽象数据类型 和类型继承，是面向对象的三大要素。用公式表示就是： 面向对象= 对象十对象类+ 类继承性 对于一个0 0 来说，它首先是基于对象的，对象又是具有类的，类又具有继 承性，这样的语言才叫面向对象的程序设计语言。这些基本概念的引入正是和现 实世界中的实际问题以及人们对这些问题的认知过程相对应的。 不同对象即不同个体之间都有一定的联系。在o o 方法中通过消息传递的形 式实现个体之间的通信联系，不同对象个体之间都是相互作用的。每一个个体都 有各自的内部状态和运动规律，它们的状态改变是通过其他个体的作用、可实施 的操作来实现的。0 0 中的方法就是改变对象状态操作和实现操作的一些算法， 它实现了解决问题得到最后结果的过程。 总之，正是由于这些概念的引入，从而建立了一套适合人们一般思维方法的程序 模式和问题域的模型。所以，o o 方法和认知科学是密不可分的。0 0 如同人们的 主观世界是客观世界在人们头脑中的反映一样，它是现实世界在计算机世界的直 接映射。o o 就是人类认知过程的计算机模拟，这是对0 0 方法最本质的概括。 2 2 2 面向对象方法学中的主要机制 面向对象方法运用了以下主要机制，这些主要机制构成了面向对象方法学的 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 基本特征( 基本原理) ：消息通信( m e s s a g ec o r f l f n u n i c a t i o n ) 机制、抽象机制、继承 机制、封装信息屏蔽机制、多态机制、动态链接机制。下面分别简单的介绍各种 机制： 22 21 消息通信机制 客观世界的各种事物都不是孤立的，而是相互联系相互作用的。实际问题中 的每一个个体也是相互联系相互作用的，个体之间的相互联系反映了问题的静态 结构，相互作用则放映了问题的动态变化，当抽象为对象和对象类以后如何反映 出他们之间的相互联系和相互作用呢? 为此，o o 法又引入消息和方法这两个概 念。 对象的相互作用和相互联系是通过消息传递完成的。消息通信是指面向对象 方法中对象之间相互通信。它非常类似于传统的程序设计语言中子程序之间通过 参数的方式调用。消息用来请求对象某一处理或回答某些信息的要求；消息统一 了数据流和控制流；某一对象在执行相应的处理时，如果需要，它可以通过传递 消息请求其他对象完成某些处理工作或回答某些消息；其他对象在执行所要求的 处理活动时，同样可以通过传递消息与别的对象联系。因此，程序的执行是通过 对象间传递消息来完成的。 发送消息的对象称为发送者，接受消息的对象称为接收者。消息中只包含发 送者的要求，他告诉接收者需要完成哪些处理，但并不指示接收者应怎样完成这 些处理。消息完全由接收者解释，接收者独立决定采用什么样的方式完成所需的 处理。一个对象能够接收不同形式，不同内容的多个消息；相同内容的消息也可 以发送到不同的对象；不同的对象对于形式相同的消息可以有不同的解释，能够 做出不同的反映。 消息的形式用消息模式来描述，一个消息模式定义了一类消息，他可以对应 不同内容的消息。对于同一消息模式的不同消息，同一对象所作的解释和处理都 是相同的，只是处理的结果可能不同。对象固有的处理能力按消息分类，一个消 息模式定义了对象的一种处理能力。消息模式不仅定义了对象所能受理的消息， 而且还定义了对象的固有处理能力，是对象接口的唯一信息。使用对象只需了解 它的消息模式，所以对象具有很强的“黑盒性”。 方法又称服务，是作用于对象上的操作，是消息接收者所完成的任务。从某 种意义上讲，一个面向对象的系统就是可以相互通信的对象的集合，是由一组相 互联系相互作用的对象构成的，通过对象间的相互作用完成程序的特定功能。对 象之间的联系是通过消息传递来实现的。消息就是对象之间的通信手段，是一个 对象向其他对象发出的带有参数的信息，使接收信息的对象执行相应的操作，完 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 成所需要的计算、数据加工或信息处理的任务，从而改变了该对象的状态。消息 类似于结构化程序中的操作符或子程序的调用，但二者有着本质的不同，即对于 传来的消息，对象可以传回相应的回答消息，但这种返回并不是必须的。而方法 就是封装在对象( 或对象类) 内部的操作程序，它类似于结构化程序中的过程或 函数。一个对象发出消息，接收消息的对象激活相应的方法，便启动这个对象的 某个操作程序，程序运行完毕，对象便从初态到达相应的终态，这就是对象的操 作，也叫做对象的行为。因此，我们可以说，程序功能的实现解决问题的过程是 对象之间相互联系相互作用的过程，是由对象行为进行的，而对象行为又是通过 消息和方法完成的。 综上所述，对象主要描述了事物的个性，对象类描述了一组事物的共性，消 息和方法则反映了事物之间的相互联系和相互作用。 22 2 2 对象抽象机制 抽象是一种忽略与系统目标无关的问题域，从而集中于与当前系统目标有关 的问题域的机制。在系统分析与设计中，抽象是为了更好地识别系统本质的需求。 事实上，抽象机制并非面向对象方法所特有的一个特征，在诸如结构化方法等其 他系统分析与设计方法中，也都不同程度地运用了抽象机制。 如前所述，对象是事物两种特性一行为和状态的抽象，状态是行为的结果， 行为是状态或内部结构的变化。对象抽象机制就是把对象的这两种特性一动态特 性和静态特性抽象为数据结构以及在数据结构上所施加的一组操作，并把他们封 装在一起，使对象状态变成对象属性值的集合，变成对象功能后作用的集合。 对抽象机制改变了基于控制的传统结构化程序设计中将数据抽象和功能抽 象( 即过程) 分离的做法，而是把代表事物属性的数据抽象和代表事物行为的功 能抽象有机地结合为一体，因而具有广泛的适用性和富有独立自治的特性，更有 利于程序的模块化标准化和部件化，且更适合人们用自然语言对事物进行抽象描 述，更符合人们的一般思维方式和规律。 2 2 ，2 3 继承机制 继承性是一种表达相似性的机制，是子类自动地共享类和对象中的数据和方 法的机制。 继承关系也称泛化一特化关系或者是“即是”关系。这是因为当子类y 继承 超类x 时，y 已经具备了x 的全部性质( 属性和方法) ，所以y 即是x 。当然，y 在x 的基础上又有所扩充，增加了一些新的特性。 继承性是面向对象方法实现可重用性的前提和最有效的特性，它不仅支持系 北京脚电大学硕士论文虚拟实验系统关键技术研究与应用 统的可重用性，而且还促进了系统的可扩充性。因此继承机制又称可重用机制( 也 称代码共享机制或程序共享对象机制) ，它是软件部件化的基础。可重用机制很 好地避免了属性描述信息和操作程序信息的冗余，简明自然地把客观事物的行为 和状态及个体之间的层次关系和所属关系抽象为计算机的数据模型或算法程序。 可重用包括属性信息共享和程序信息共享两部分，对象类按类、超类和子类 形成层次关系，上层所具有的属性和操作下层对象可以继承，这样便有一部分属 性描述信息和操作程序信息由那些尽管结构不同但具有层次关系的下层对象所 共享，从而减少了某些属性的重复描述和有关操作的重复编程。 可重用性有三种形式：共享复制调整 2 2 2 4 封装或信息屏蔽机制 封装又称信息屏蔽，是基于7 0 年代初期d a v i dp a r n a s 所作的工作演变而来 的，它是指软件组成部件( 模块子程序方法等) 应当分离或隐藏为单一的设计。 即用户只能看见对象封装界面上的信息，对象内部对用户而言是隐蔽的。封装的 目的在于将对象的使用者和对象的设计者分离开来，使用者不必知道行为实现的 细节，只需用设计者所提供的消息来访问对象。封装的另外一个目的是为了将来 维护局部化。 如果软件部件没有封装或信息隐蔽的概念，则可能导致以下后果：首先可能 会重复做某工作；其次，需要进行更多的维护工作。 封装的定义为： 一个清楚的边界，所有的对象内部的软件范围被限定在该边界内； 一个接k i ，这个接口描述该对象和其他对象之间的相互作用； 受保护的内部实现，这个实现给出了由软件对象提供的功能细节，实现 细节不能在定义这个对象的类的外面访问。 2 2 25 多态性 多态性在计算机程序设计中并非是一个新的概念。多态性一般是指具有不同 形式的能力。如在软件中，个打印程序可用于打印文本字符，数字以及图形符 号和图像，因为打印程序知道如何打印文本和图形，因此具有多态性。 所谓多态( p o l y m o r p h i c ) 即一个名字可具有多种语义。当同样的消息可以 被送到一个父类的对象和它的子类的对象上时，这被称为多态性。 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 22 2 6 动态链接 链接也称聚束( b i n d i n g ) ，是指一个程序经编译、链接成为可运行的目标码， 就是将程序代码聚束在一起。 传统的结构化程序设计是基于控制的过程调用机制，程序是按功能划分模块 的，功能的抽象即为过程，也称子程序，每个过程就是一段程序，完成一定的计 算，整个程序是功能过程的集合，程序执行的过程就是调用子程序组合子程序的 过程。用传统语言编写的程序在运行之前即可聚束，称之为静态聚束( s t a t i c b i n d i n g ) ，即静态链接。 o o 方法则是通过一系列对象间的通信完成计算功能和信息处理任务的。对象 间外部接口是一系列操作名，一个对象可以向另一个对象按操作名发送消息，接 受消息的对象便执行相应的操作请求，完成操作任务后并向发送消息的对象做出 回答。一个消息可以发送给不同的对象，而每一个不同的对象又可以根据自身的 参数有不同的响应，调用不同的方法完成相应的操作功能，产生所需要的结果信 息。这种通信机制很好地体现了软件部件化的思想。对象通信机制的另一个显著 特点就是当程序运行时才将对象的某种方法( 算法，程序等) 和消息( 相当于操 作符) 连接起来，这意味着一种动态的组合，叫动态链接。它和传统的结构化程 序中操作符和操做豳数的静态组合有着本质的不同。因为消息和方法的动态组合 可以引起相同对象的不同行为效果。例如，p r i n t 是一个消息，它送到图形对象 中就打印图形，送到文本对象中就打印文本，而文本对象又可以分为不同的语种， 因此，同样的一个打印消息送到不同语种的文本中则可打印出不同语种的文本文 件。 静态链接是在编译时刻完成的，运行效率高，但修改维护工作量大；而动态链接 是在运行时刻完成的，运行效率稍低，但它所带来的好处符合现代软件对可重用 可修改和可扩充性的要求。 2 2 3 面向对象的仿真的优点 复杂系统建模需要多学科多技术的融合和强大的信息描述，管理手段，这一 切都离不开高性能的计算机系统。目前建模与仿真一体化的发展趋势充分表明： 在复杂的系统研究中，计算机己从传统的辅助地位跃升到主导地位，成为复杂系 统建模的核心。软件是计算机系统的灵魂，软件工程方法，尤其是软件开发的方 法和技术对所建模型的规模和质量起着重要作用。面向对象仿真技术着眼于组成 系统对象而非系统所完成的全部功能，它是一种不同于传统的自顶向下 ( t o p d o w n ) 设计技术，实际上是自底而上的过程，体现了一种并行处理思想。 北京邮电大学硕士论文 虚拟实验系统关键技术研究与应用 传统的仿真软件主要提供仿真运行的机制和数据结构及函数，建模的任务就 是吧实际系统中对象之间的相互作用关系转换成在数据结构内部对数据的操作。 不同的仿真软件使用不同的术语，概念，采用不同的仿真建模策略，具有不同的 语义和语法。因此使用这些软件进行仿真研究就必须利用软件提供的设施来建立 仿真模型。面向对象的仿真试图消除这种转换过程，使用户能够以应用领域熟悉 的直观的对象模型来建立仿真模型，建模观点与人们认识现实世界的思维方式一 致，从而增强了仿真建模的直观性和易理解性。同时，面向对象技术中的类及其 继承性，提供了从对象，类，类库直至专用系统构架的多层次抽象机制，能够在 多种层次上支持复杂系统层次模型的建立。特别是对于当前动态多变的市场需求 环境，在仿真模型的修改，扩充和重用提出了更高的要求，采用厩向对象仿真技 术是这些问题得到有效的解决，它将有助于改善软件的模块化，可重用性，灵活 性及实现快速原型方法，提高系统建模能力，缩短建模，验模的时间。 2 2 4 面向对象仿真的设计语言 j a v a 语言是s u n 公司推出的一种编程语言，最初是用来解决一些家电的智 能化问题，随着互联网的发展，j a v a 以其强安全性、平台无关性、硬件结构无 关性、语言简洁同时面向对象，在网络编程语言中占据很大的优势。 平台无关性是指j a v a 能运行于不同的平台。j a v a 引进虚拟机原理，并运行 于虚拟机，实现不同平台的j a v a 接口之间。使用j a v a 编写的程序能在世界范围 内共享。j a v a 的数据类型与机器无关，j a v a 虚拟机( j a v av i r t u a lm a c h i n e ) 是建立在硬件和操作系统之上，实现j a v a 二进制代码的解释执行功能，提供于 不同平台的接口的。 j a v a 的编程类似c + + ，但j a v a 舍弃了c + + 的指针对存储器地址的直接操作， 程序运行时，内存由操作系统分配，这样可以避免病毒通过指针侵入系统。j a v a 对程序提供了安全管理器，防止程序的非法访问。 j a v a 吸取了c + + 面向对象的概念，将数据封装于类中，利用类的优点，实 现了程序的简洁性和便于维护性。类的封装性、继承性等有关对象的特性，使程 序代码只需一次编译，然后通过上述特性反复利用。程序员只需把主要精力用在 类和接口的设计和应用上。j a v a 提供了众多的一般对象的类，通过继承即可使 用父类的方法。在j a v a 中，类的继承关系是单一的非多重的，一个子类只有一 个父类，子类的父类又有一个父类。j a v a 提供的o b j e c t 类及其子类的继承关系 如同一棵倒立的树形，根类为o b j e c t 类，o b j e c t 类功能强大，经常会使用到 北京邮电大学硕士论文虚拟实验系统关键技术研究与应用 它及其它派生的子类。 j a v a 建立在扩展t c p i p 网络平台上。库函数提供了用h t t p 和f t p 协议传 送和接受信息的方法。这使得程序员使用网络上的文件非常容易。 j a v a 致力于检查程序在编译和运行时的错误。类型检查帮助检查出许多开 发早期出现的错误。j a v a 自己操纵内存减少了内存出错的可能性。j a v a 还实现 了真数组，避免了覆盖数据的可能。这些功能特征大大提高了开发j a v a 应用程 序的周期。 但j a v a 语言的致命不足，是它的执行速度。j a v a 语言是一种解释性的语言， 它的速度与经过编译形成的可执行程序相比，不可同日而语，而在虚拟实验中， 响应的速度也是一个非常重要的指标，并且，经过编译的字节码本身也很大，在 网上的传输也要占用大量的资源。 因此在虚拟实验设计中，j a v a 适用于对交互性和图像的效果有一定要求的实验。 2 2 4 2c + + c + + 是一种混合型语言，是由a t & tb e l l 实验室b j a r u