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虚拟电学实验室系统及其关键技术研究 摘要 教育要面向2 1 世纪，就要研究和改革教学手段和教学方法，使之适应社会发 展的需要。在教学中使用计算机辅助教学( c a i ) 已很普遍，但在实验教学中，绝大 多数学校仍旧使用实物进行实验。虚拟实验室的提出为实验教学模式的突破性发 展提供了契机，大大提高了实验教学的伸缩性和适应性。本文对虚拟实验室的各 种实现技术进行了系统地研究。在此基础上，提出了面向“实验”的虚拟原型建 模方法，详细论述了系统中电学实验和虚拟元件等虚拟原型的设计方法。采用面 向对象的软件工程方法，设计实现了中学全交互虚拟电学实验室，为广大师生营 造了一个完全与真实实验相符甚至更为优异的虚拟实验环境。使用统一建模语言 ( u m l ) 对系统进行的面向对象分析与设计建模过程，提高了软件系统的质量，使其 具有更好的可维护性和可扩展性，对解决此类问题极具参考价值。最后文章对未 来的研究与发展方向进行了探讨和展望，为以后的工作奠定了基础。 关键词：虚拟实验室虚拟原型( v p ) 拓扑分析面向对象( o o ) 统一建模语言( 堋l ) 虚拟电学实验室系统及其关键技术研究 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nt h en e w t e a c h i n gm e a n sa n dm e t h o d sb e c o m e sn e c e s s a r yt om a k e e d u c a t i o na d a p t e dt ot h es o c i e t yd e v e l o p m e n ti nt h e2 1s tc e n t u r y a n dn o w c o m p u t e r a i d e di n s t r u c t i o n ( c a i ) i su s e dw i d e l yi nc o m m o n t e a c h i n ga c t i v i t y , h o w e v e r ，t h em o s t o fs c h o o l ss t i l l e m p l o yo b j o c t i n e x p e r i m e n t l e s s o n s t h e a p p e a r a n c e o fv i r t u a l l a b o r a t o r yb r i n g st h eo p p o r t u n i t yf o rt h eg r e a td e v e l o p m e n t o f e x p e r i m e n t a li n s t r u c t i o n m o d e la n dg r e a t l yi m p r o v e si t sr e t r a c t i l i t ya n da d a p t a b i l i t y b a s e do nt h es y s t e m a t i c a l r e s e a r c ho na l lk i n d so fr e a l i z a t i o nm e t h o d so fv i r t u a ll a b o r a t o r y , t h ep a p e rr e p r e s e n t s t h ee x p e r i m e n t - o r i e n t e dv i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e l i n gm e t h o d sw i md e t a i l e dd i s c u s s i o n o fa l lk i n d so fv i r n m l p r o t o t y p i n gd e s i g nt e c h n o l o g i e s i nt h e s y s t e m 、矾t h t h e a p p l i c a t i o n o fo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) t h o u g h t s ，t h es y s t e mo ft h e i n t e r a c t i o ne l e c t r i c sv i r t u a ll a b o r a t o r ye s t a b l i s h e sav i r t u a le x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n tf o r t h et e a c h e r sa n ds t u d e n t s u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( u m l ) m e a n sa r eu s e di nt h e s y s t e md e s i g na n da n a l y s i sp r o c e d u r e ，w h i c hi s v a l u a b l ef o rs o l v i n gs u c hk i n d so f p r o b l e m s a tt h ee n do f t h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ht r e n da n dt h ed i r e c t i o no ft h ev i r t u a l l a b o r a t o r yd e v e l o p m e n t a r ed i s c u s s e dw h i c hh a v ee s t a b l i s h e dab a s i so f t h ef u t u r ew o r k k e y w o r d ：v i r t u a ll a b o r a t o r y v i r t u a lp r o t o t y p i n g ( v p ) t o p o l o g ya n a l y s i s o b j e e t - o r i e n t e d ( 0 0 ) u n i f i e dm o d e h n g l a n g u a g e ( u m l ) 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研 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 包含其它人已发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它 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为本研究所做的任何 贡献均已在论文中做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，本人承担一切相关责任。 本人签名：! 堡亟 日期： 、卯写i 6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位论文期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 。 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 日期 1 叩jf 6 璺立z _ 2 鞋 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 计算机技术引发了举世瞩目的“三c ”革命( c o m p m e r 计算机，c o n t r o l 自动控 制，c o m m u n i c a t i o n 通讯) ，人类社会进入到个前所未有但激动人心的时代。无 论是用“后工业社会”、“第三次浪潮”，还是用“信息时代”、“知识经济时代”， 描述这个日新月异的时代，都改变不了一个事实，正是信息这只无形的巨手操纵 着时代的脉搏，改变着人们的头脑意识及思维方式。 教育作为社会发展的产物，面临信息社会的严重挑战，必然要做出种种改革， 以适应社会发展的需要。拓宽教育概念，建立终身教育体制；在学校教育中，不 再把知识的传授作为教学的唯一目标，而着重在于培养学生的创新能力：面对信 息化的趋势，各国政府也都在采取有效措施，以适应信息化社会的到来。其中， 加强中小学的信息技术教育已成为各国的共识。我国政府也认识到了这个问题， 教育部做出了“从2 0 0 1 年起甩5 到l o 年左右时间，在全国中小学基本普及信息 技术教育，全面实旋校校通工程，以信息化带动教育的现代化，努力实现基 础教育的跨越式发展”的决定。在学校中，教师除了对学生进行计算机教育，使 学生了解和掌握计算机的应用之外，还利用计算机进行其它学科的教学。 多媒体技术的应用和信息高速公路的建立，对于教育技术的进步将会产生多 方面的积极影响。多媒体技术的交互性、图形显示音频功能，使各种教育信息的 表达形式呈现多样化。可以用图表、文字、摄像、声音等多莉介质显示同一神信 息，这就创造了一种生动活泼的学习环境，提高了学生的学习兴趣和接受效果。 家庭处于信息终端，人们坐在家里便可参加学习，这就使家庭在教育系统中的地 位显著改变。学校、家庭、社区教育一体化的实现，最终会解决多数社会成员受 社区自然条件和其他社会条件限制而不能接受全方位素质教育的问题。总之，传 播方式由单媒体技术向多媒体技术的转换，将会引起整个教育方式的巨大变革， 使人流、物流、信息流等教育资源获得空间的节约与优化。 1 2 课题的提出 教育要面向2 1 世纪，就要研究和改革教学手段和教学方法，使之适应科学发 展、社会发展的需要。在教学中使用计算机辅助教学( c o m p u t e r a i d e d i n s t r u c t i o n ，简称c a i ) 已很普遍，但在实验教学中运用计算机技术却还不多， 绝大多数学校还是使用实物进行实验。现在计算机技术飞速发展，特别是在多媒 虚拟电学实验室系统及其关键技术研究 体技术日益成熟的今天，充分利用现有技术，以弥补传统实验中以实物操作作为 单一实验手段、实验设备的更新落后于教育的发展、实验环节存在定缺陷的不 足已势在必行。 一、虚拟实验室突破了传统的实验教学模式 物理学是一门以实验为基础的学科，实验教学在物理教学中有着特殊的地位。 在实验中，学生可以获得更多的感性材料，验证物理定律，加深对基本知识的认 识程度，培养学生主体积极观察、思考、总结、探索、创新的能力，激发学生的 求知欲。真正实现学生为主体，教师为主导的教育理念，一改以往重结果教学为 既中结果又重知识形成过程，更重知识应用过程。通过实验教学，让学生接受物 理思想方法的启迪和熏陶，体验科学家探索知识的艰辛历程，培养学生崇尚科学 的高尚品质和实事求是的科学态度。 然而，长期以来，由于受到传统的教育思想的束缚，实验教学一直是物理教 学活动中的薄弱环节。传统实验教学模式的局限性主要表现在以下几个方面： 第一，实验教学活动的开展受到实验仪器质量和数量的限制。目前，一些学 校由 于实验仪器的不足，很多实验课都被取消，仅由老师在课堂上口头讲解，使学生 失去了实际操作的机会。另外，某些学校的实验仪器不能及时更新，质量下降。 第二，大多数实验课都受时间的限制。学生在固定的时间内同时进入实验室， 多人合作进行实验，往往不能达到预期的实验效果。 第三，由于害怕损坏仪器，实验题目都是事先安排好的。实验老师提前将实验 仪器摆放好，将实验步骤写好，学生只能作诸如连接这样的机械式操作，验证基 本理论，根本不可能进行探究型实验，束缚了学生进行主动性的思考。 第四，某些实验如危险性化学实验、核反应堆实验无法在实验室内进行。 虚拟实验室的出现打破了这些传统实验教学模式的局限性，为实验教学模式的 突破性发展提供了契机，大大提高了实验教学的伸缩性和适应性。虚拟实验室与 传统实验室相比，具有以下显著特点： 1 、成本低。在虚拟实验室里实现了“软件即仪器”、“软件即元器件”，从根 本上解决了因经费短缺、使用不当、管理不善等诸多因素对实验和实践造成的严 重制约问题。 2 、功能全。虚拟实验室提供丰富的虚拟电子元器件和虚拟仪器仪表，从根本 上克服了由于实验室的仪器仪表在品种、规格、数量上的限制，可以在虚拟实验 室实现验证型、测试型、设计型、纠错型和创新型等多种实验。 3 、效果好。学生在课余用“虚拟实验室”不受任何约束进行实验，不仅可以 帮助加深对抽象理论知识的理解，还可以培养学生主动型思维的能力，激发学习 第一章绪论 热情。 二、课题研究目标及系统特色 本文所设计的虚拟电学实验室系统旨在为广大的初、高中学生和教师提供一 个逼真的多媒体“虚拟场景”，实验者利用各种“虚拟元件”和“虚拟仪器”和“导 线”任意搭接电路，实时得到仿真结果。同时，伴随着用户的操作，自动记录实 验过程，根据实验结果生成实验报告。 系统的技术路线是采用虚拟原型技术、多媒体技术和仿真技术相结合的方式， 根据电路实验的特点，模拟实际实验环境和内容，用纯软件的方法构建“虚拟电 学实验室”，实现以“软”代“硬”。设计开发出一套基于计算机的仿真实验教学 系统。 系统的主要特色在于，成功地实现了仿真技术与多媒体技术的有机结合，既 不同于以往的原理电路仿真软件，又不同于一般多媒体软件对于实验现象的模拟 演示。主要体现在以下两个方面： 1 、弥补目前多媒体教育软件的不足 中学物理计算机辅助教学软件( c o m p u t e r - a i d e di n s t r u c t i o n ，简称c a l ) 应用系 统，目前多是以文字材料方式再现知识，或演示性地说明物理实验及有关概念， 教学上仍然只能用知识灌输的方法。特别是有关物理实验一类的知识，学生不能 自已模拟实验，从中吸取知识概念，加深理解。进一步的发展有半交互的计算机 物理仿真软件( 如科利化公司) ，这类软件一般都是列举多个固定的实验题目，通 过限制用户操作的随意性，进行仿真计算，缺乏交互性。 本课题所设计、开发的中学物理电学虚拟实验教育软件，通过引入计算机电 路辅助分析、虚拟原型技术和可视化技术，提供给学生自主实验的功能，并适时 判断实验结果，据此展示、引导学生理解掌握相关的知识。 2 、弥补电路仿真软件的不足 目前，电路仿真软件有很多，如加拿大i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n o l o g i e s 公司的 e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h 软件，美国a n a l o g y 公司的s a b e r 软件等，这些都是电路仿 真中比较优秀的软件。但是这些软件都是对原理电路的仿真，无法实现仿真技术 与多媒体技术的有机结合。 本文所论述的虚拟电学实验室系统是在教学环境下使用的，使用对象是教师 和学生，不是仅给实验者显示一堆数据和一组曲线，而是及时的动态结果，对仿 真的实时性要求很高。另外，需要有真实元器件的实物图形显示和发出需要的声 响，实验所用仪器和元件都应有真实感，有进入实验室的感觉，并不像电子c a d 和e d a 的设计界面那样仅有标准符号的电路图【2 。 4 虚拟电学实验室系统及其关键技术研究 1 3 本文的组织 本文首先分析了虚拟实验室建设的在学校教学活动的必要性和重要性；其次 研究了虚拟实验室的各种实现机制及技术路线，介绍了虚拟实验室技术现状及其 发展；然后在此基础上重点论述了基于虚拟原型技术的虚拟电学实验室系统中采 用的关键技术；最后采用可复用的面向对象软件设计方法对系统进行了详细地分 析和设计，并最终得以实现。以下是本文各章的内容概要： 第一章首先分析了目前我国中小学实验教学活动中的种种弊端，随后引出 了虚拟实验室建设的在教学活动中的必要性、重要性，最后提出了本文的研究课 题，介绍了系统采用的技术路线及特色。 第二章详细论述了对虚拟实验室的相关研究。从狭义、广义两个角度给出 了虚拟实验室的基本内涵；依据实现技术的不同，对三种虚拟实验室的构建方法 进行了详细地介绍；分析了虚拟实验室研究现状，介绍了两个典型系统，最后指 出了发展趋势。 第三章重点对基于虚拟原型技术的虚拟电学实验室系统中用到的关键技术 作了详细的介绍和论述。主要包括计算机电路辅助分析方法、虚拟实验单元设计、 人机界面技术、电路图的拓扑结构分析等。 第四章运用统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) ，对采用面向对象 的软件工程的方法，设计实现的虚拟电学实验室系统的全过程进行全面、详细地 论述，结合大量实现示例说明系统的实现效果。 第五章对本文所做工作加以总结，对虚拟电学实验室系统进行了客观的分 析和评价，指出了有待解决的问题和未来的研究方向。 茎三童塞垫皇堂壅墅皇垫查堑塞 ! 第二章虚拟实验室技术研究 2 1 虚拟实验室的基本概念 虚拟实验室及虚拟实验技术，是近年来多媒体技术、科学计算可视化、网络 技术等信息技术迅速发展的产物。其基本内涵主要包括以下两个方面： “一个无墙的中心”【1 】 美国国家研究委员会的定义( n a t i o n a l r e s e a r c h c o u n c i l ，简称n r c ) 为“个无 墙的中心”。研究人员能在其中从事科学研究和工程设计，而不必顾及地理位置的 限制，实现同行间、同事间的互动：共享仪器、设备、数据、计算资源以及数字 图书馆的信息。 该定义涵盖了三个方面的问题：一是现代实验室应当是一个无墙的中心，这 个中心可以有逻辑上的限制，但没有物理空间的限制，其基础是i n t e m e t ；二是协 同工作环境，即计算机支持的协同工作环境；三是充分地实现资源共享。 基于计算的科学研究与工程设计方法 信息技术，特别是计算机技术的迅速发展，为许多已有的计算理论和技术赋 予了新的活力和新的视野。同时，也从根本上改变了人们从事科学研究与工程设 计的传统方法。计算已成为理论、实验之外的第三种现代科学研究与工程设计方 法，形成了“理论、实验、计算”三足鼎立的新格局。工程中的电子产品设计、 汽车设计、机电产品设计、材料设计等，越来越依靠新的设计模式一基于计算的 工程设计。这种方法具体表现为虚拟实验、虚拟设计和虚拟制造。 由虚拟实验室的基本含义可以看出，虽然构建虚拟实验室的有多种方法，但 它们的基本思想是一致的，即都要采用软件的方法来模拟实物实验。因此，它们 都具有下面的一些共同的特性： 1 、和现实中的实际仪器的物理化学特性相一致。这是虚拟实验室的最基本特 性和要求。 2 、很强的交互能力，强调人在实验过程中的主动作用。 3 、实时反馈的能力。系统能够对用户的每一步正确操作都能做出与实际相符 的反映。 4 、一定的智能特性，认知模拟方法赋予了虚拟实验室智能化的特点。对于用 户的错误操作给出提示帮助信息。 竺一一生垫皇堂塞壁室墨垄壑基羞壁垫查竺窒 2 2 虚拟实验室的分类 虚拟实验室的研究是一项巨大的系统工程，各个学科门类的虚拟实验室的研 究和建设在实际进行的过程中的差距是很大的。根据实现技术的不同主要有以下 几种：基于虚拟原型的虚拟实验室、基于知识的虚拟实验室、基于虚拟仪器的虚 拟实验室。 2 2 1 基于虚拟原型的虚拟实验室 一、虚拟原型技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，简称v p 技术) 通常，新产品的开发要考虑多方面的因素，为在这些方面做出较好地权衡， 需要建立产品的物理原型。即对新型号设计制造一个全功能的物理装置，以供不 同技术背景的人员进行反复讨论，检验各部件的设计性能以及部件之间的兼容性， 检查整机的设计性能。一般地，这一工作需要花费大量的时间和费用5 1 。 v p 技术是利用虚拟现实技术( v - t r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 在可视化方面强大 的优势以及可交互性地探索虚拟原型的功能，在计算机上对产品进行几何、功能 等方面以及其整个生命周期里的各种操作进行数字化定义和分析。它是虚拟技术 与仿真方法相结合为原型建造提供的新方法。 v p 技术可用来快速评价不同的设计方案，与物理原型相比较，虚拟原型生成 的速度侠，生成的原型可被直接操纵与修改，且数据可被重新利用。运用虚拟原 型技术，可以减少甚至取消物理原型的制作，从而加速产品的开发过程。 二、基于v p 的虚拟实验室 基于v p 的虚拟实验室是将虚拟原型技术应用于传统的仿真实验中，而在近 年来迅速发展起来的一种新的实验理论和工程应用技术。它以高性能计算机系统 为支撑平台，根据实验设备总体或某一部分结构面设计的符合相应物理实验要求 的虚拟原型，同时根据物理实验条件建立相应的虚拟实验环境，并将虚拟原型安 装于虚拟实验环境中，进行实验仿真计算，从而获得虚拟原型的各种响应。 基于v p 的虚拟实验室研究方法，其实质是一类科学计算可视化问题，成为除 理论与实验之外的第三种科学研究方法，是从工程角度研究科学计算可视化的理 论与方法，同时也是科学计算可视化和v p 技术的应用相结合的新领域【5 1 。 从本质和研究领域上理解，基于v p 的虚拟实验室有以下特征： 1 、从理论上讲是一门软件技术，是将虚拟现实技术和计算机仿真技术应用到 实验全过程中，实现了“软件即仪器”、“软件即元器件”，是实验过程的数字化实 第二章虚拟电学实验室技术研究 现技术。 2 、从它研究的内容来看，可分为虚拟实验系统技术和虚拟实验单元技术。虚 拟实验系统技术通常是指与实现虚拟实验系统有关的技术，其中包括研究虚拟实 验系统的组成、结构、虚拟器件的选择、网络实验等领域技术；虚拟实验单元技 术是虚拟现实技术与实验器件所涉及的设计、分析、实验等各个阶段结合形成的 技术，用以实现虚拟实验。原型分析技术是虚拟实验单元技术的一个重要组成部 分，其主要目的是通过建立虚拟环境和实验器件的虚拟原型，实现物理实验原型。 3 、实验器材和实验环境均是虚拟模型，实验人员可“进入”虚拟实验环境， 进行实验，在整个实验过程中一切均是可视的和实时的。 4 、强调人在虚拟实验过程中的“主动”作用，允许实验者采用更自然、方便 的人机交互方法。 5 、在协同虚拟环境技术和网络技术支持下，可使分布在不同地域的实验人员 协同地进行实验，共同享用数字化方式所表达的的虚拟实验环境，实现合作实验、 指导实验、远程实验等。 6 、具有成本低、功能全、效率高、提供在线帮助的功能上的特点。 本系统正是采用基于v p 技术组建电学虚拟实验室，其关键技术将在第三章作 详细论述。 2 2 2 基于知识的虚拟实验室 基于知识的虚拟实验室通过引入知识推理机制，能够提供学生自主实验的功 能，并实时判断实验结果，据此展示、引导学生理解掌握相关的知识。 具有人工智能是这类虚拟实验室具备的基本特征之一，智能化需要建立在人 们对认知模拟方法的研究基础之上。一个完整的知识模拟过程。分为知识的获取， 知识的表达，知识的存储，问题求解，结果解释等五个方面。就目前而言，传统 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 与人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k s ， 简称a n n ) 是认知模拟的两种主要途径。基于物理符号机制的传统a i 采取自顶 向下的策略和启发式搜索方法，可以十分有效地处理具有精确性质的结构知识； 而基于联接机制的a n n 采取自底向上的策略和动态自主制方法，可以成功处理不 精确的菲结构知识“。 在构建基于知识的虚拟实验室的过程中需要解决的关键问题有： 知识的获取 在人工认知系统中，知识获取的有效手段是“学习”，而机器学习则是一个相 当复杂的问题。传统人工智能模式采取将专家知识转变成符号，直接输入的“硬 虚拟电学实验室系统及其关键技术研究 灌学习”方式。如何将含糊不清的知识转化为精确的物理符号，是传统a i 所面临 的困境之一。与传统a i 不同，人工神经网络可利用不是很精确的实例，只要给定 输入、输出数据集，a n n 就可以在一定准则下通过学习来获取知识，甚至可以在 只有输入数据集的情况下，通过自组织学习，实现自动知识获取。 知识的表示与知识库设计 在知识表示过程中，首先考虑选用合适的知识表示策略，然后进行有效地知 识组织，形成知识库。 传统a i 用物理符号和规则表达知识，主要的知识表示方法有：谓词逻辑表示 法、产生式表示法、语义网络表示法等。基于符号与规则的知识表达系统既可以 有效地描述精确的结构性知识，又可以有效地描述商层次抽象知识。对于不精确 的低层次知识，其表达能力则相当弱。与传统a i 相反，a n n 是以网络中的联接 权来表达知识，而要表达精确的、高层次的结构知识，则要比传统a j 困难的多。 传统a i 知识库结构常常是由规则树组成的森林。与传统a i 的集中存储方式相反， a n n 的知识就存储在各个神经元的联接强度中，从而将知识分布于整个网络。 推理机制 知识表示方法决定了推理机制的不同。逻辑演绎法和状态链推理是传统a i 常 用的问题求解方法，这些推理方法的基本策略就是搜索，即通过搜索规则树来列 举逻辑路径，路径列举定义推理过程。路径列举的复杂性随存储的规则树非线性 增加，在大规模规则树中，实时路径列举会引起组合爆炸。由于a n n 的知识处理 与知识存储合二为一的特点，因而在问题求解过程中具有并行、分布处理、高速、 高可靠性等特点，特别是在解决象模式识别这一类问题时，更显示出它的优越性。 结果解释 结果解释就是将内码表示的问题的解，还原成用户可接受的形式，由于传统 a i 中的每一个符号都代表一个确定的概念或规则，因此传统a i 可给出清晰的可理 解的结果解释。而a n n 却没有能力来解释自己的推理过程和求解结果。 总而言之，传统a l 从宏观角度开展认知模拟，可以部分的模拟入类的逻辑思 维过程，而a n n 从微观方面进行认知模拟，可以部分的模拟人类的形象思维过程， 各有优点和局限。 化学、医药、探矿等领域的虚拟实验室的基础是本领域中的一条条规则，用户 进行实验时，依据这些规则做出判断、给出正确的解释。因此这类虚拟实验室宣 采用基于知识表示的方法进行构建【刚。以化学虚拟实验室为例，使用者在操作界 面上，点取要进行实验的仪器、药品，把物质依次加入反应容器中。每添加一种 新的物质或操作条件，系统可以立即判断出这些物质在此条件下是否可以反应， 并给出相应的信息，如反应方程式、反应现象等。其系统框架如图2 1 所示。 羔三茎星型皇堂塞墼室垫查堕塑 ! 图2 1 基于知识的化学虚拟实验室系统框架 实验模拟模块是系统的核心模块，主要进行反应判断、自动推理和说明解释。 该模块的核心是化学反应的自动推理判断，该模块运行过程如图2 2 所示。根据 用户的实验设计，采用合理的自动推理机 制获得实验结果，给出实验现象的解释说 明，将实验结果图形化呈现在用户面前。 图2 2 知识推理运行过程说明图知识库管理功能主要包括知识库的查询、 增加、删除和更新等编辑维护编辑以及知识库的自动生成、知识库的检验。配平 模块的主要实现化学反应的配平这样一个基础的功能，为实验模拟模块服务。 2 2 3 基于虚拟仪器的虚拟实验室 美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 提出的虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ，简称v i ) 概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和 网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是 仪器”的先河【9 】。 所谓虚拟仪器，就是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，对 各种各样的数据进行计算机处理、显示和存储。虚拟仪器由控制模块、仪器模块 和软件组成，在虚拟仪器中软件是至关重要的，仪器的功能都要通过它来实现。 虚拟仪器的突出优点在于和计算机技术结合，具有很大的灵活性、更多的功 能；虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够获得较高的经济效益：用户根 据实际生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用，拓展v i 功能，从而弥补传 统仪器在数据存储、数据分析上的不足。 虚拟仪器技术与计算机网络技术的结合应用到仪器的远程教学，实现虚拟实 验。远程实验用户通过网络登录到虚拟实验室，选择相应实验项目后，进入虚拟 仪器控制台。通过虚拟仪器控制面板发出实验操作指令，输入实验参数，虚拟仪 器向物理仪器传输操作指令及实验参数，物理仪器接收指令和参数后执行操作， 竺一 一 生型璺兰塞竺量墨笙墨基茎壁垫查堑壅 完成相应的实验内容。最后，将实验所获得数据通过虚拟仪器、计算机网络返回 到远程实验用户，用户既可以自行分析处理这些数据，也可将数据直接交给虚拟 实验室的数据处理系统进行分析处理，最终保存这些实验数据。基于虚拟仪器的 虚拟实验室系统的框架如图2 3 所示： 图2 3 基于虚拟仪器的虚拟实验室的系统框架 构建基于虚拟仪器的虚拟实验室需要解决以下几个关键问题： 虚拟仪器的设计 每台虚拟仪器都由p c 机、软件系统、a d 、d a 转换器、控制器、传感器等 图2 4 虚拟仪器结构 择支持远程控制的虚拟仪器的仪器模块， 的目的。 组成。其结构如图2 4 所示。虚拟仪器的 硬件结构从构成方式上讲，可分为四大 类：g p i b 体系结构、p c d a q 体系结构、 v x i 体系结构和p x i 体系结构【引。在具 体应用中，根据应用情况与实际的条件选 达到用最少的模块实现仪器的最佳功能 虚拟仪器的软件功能设计首先要考虑哪些仪器功能由软件实现，其次将软件 功能划分为相对独立的模块，然后选择易于编写的图形化的软件平台。美国国家 仪器公司的l a b e w 平台是一种图形化编程环境，提供了虚拟仪器的控件、丰富 的数据处理分析函数、仪器驱动程序及数据库工具软件包。 远程控制仪器设备的相关技术开发 对远程设备的控制不仅需要进一步开发从仪器输出数据以及向仪器发送指令 的方法，还需要开发一些可远程控制的大型仪器设备，如电子显微镜、天文望远 镜、粒子加速器、卫星或太空上的仪器、水下运载工具、无人飞行器等。要实现 这一目标，必须制定一系列标准、协议和应用程序接口。这些标准有：( 1 ) 用于控 制和数据采集的开放的远程图形用户界面( g u i ) 标准。( 2 ) 由g u i 驱动的开放的标准 化的远程客户程序。( 3 ) 安全接口和安全控制协议。( 4 ) 开放的标准化的本地服务程 序。( 5 ) 服务器、设备、控制器、数据采集器之间的特定驱动接口。 虚拟实验室的管理 虚拟实验室的管理不仅包括对整个虚拟实验室内的v i 设备进行状态、使用情 况、以及各种仪器各种性能指标进行统计分析；同时，还要解决在网络环境下的 第二章虚拟电学实验室技术研究1 1 网络管理，如用户信息管理、设置用户权限、和用户进行交流、通信的网络化配 置等。 数据分析与优化 数据分析就是通过把每个实验的各种数据处理过程编制成程序，并把它们集成 在一起。用户可根据需要将这些程序直接与虚拟仪器的控制面板相连接，实验数 据通过a d 转换返回给用户，用户可以自行处理或是由系统直接进行处理，选择 后者可使用户立刻得到实验结果，从而决定是否需要改变参数重复实验。 2 3 国内国际发展现状及趋势 一、国内外发展现状 与传统的实验方式相比，虚拟实验方式具有实验条件简单，费用低廉，设计 方便，安全可靠，可进行非现实性模拟等优点，所以一闯世就引起了广大学学者 和用户的极大关注，当前取得了较大的进展。 作为首先提出虚拟实验室概念，具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从 一开始就十分重视虚拟实验室的研究开发。早在上世纪9 0 年代初，美国政府投入 巨大财力建造了海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域的虚拟实验室作为示 范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。其他国家的一些大学也 已开始对虚拟实验室的研究工作，如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。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步建 立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华 中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远 程教育使用；复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一 批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。下面介绍两个国内外典型系统。 l 、f u t u r e l a b 虚拟实验室f 1 0 1 该产品是美国s i m u l a t i o np l u s 公司在国家科学基金( n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ) 的资助下，于1 9 9 8 年推出。产品功能面向中学教育，包括生物、地理、 自然、化学、物理等虚拟实验室，涵盖从初中到高中各个年级。产品开发者特别 强调其突出特点学生可以在虚拟实验室尽可能发挥自己的想象力，按自己的 意愿去设计实验，即可验证，更可创新。 除了上面介绍的面向中学教育的虚拟实验室，s i m u l a t i o n p l u s 公司目前正在 研究面向教育的工程热传递、热动力学、动力学、电子电路、流体机构、空气动 力学等虚拟实验室。 虚拟电学实验室系统及其关键技术研究 2 、虚拟网络实验室v i n t t “ v i n t 是一个基于v p 虚拟网络实验室，由b e r b e l e y 大学开发，历时近十年。 主要用于网络协议的研究与开发，目前较为成熟的还是v n i x 版和l i n u x 版。 v i n t 引用了软件体系结构的新思想，基于面向对象建模技术，较好地解决了 系统结构和系统建模问题。采用网络动画技术实现可视化。v i n t 以n s ( 网络仿真 器) 作仿真引擎，使用两种语言c + + 与t c l 作为系统描述和程序设计语言，恰好综 合了c + + 语言逻辑表达能力强，易于实现各种复杂算法，并可进行计算机底层资 源控制，执行速度快的优点，以及t c l 语言事物描述能力强，变化灵活的优点。 v i n t 一个最突出的特点是与真实网络的接口技术。它利用了n s 提供的模拟 接口功能，将网络仿真模型作为真实网络系统的一个端点，或作为真实网络系统 中两个端点之间的网络，利用真实系统中产生的数据，对网络仿真模型中协议或 算法进行测试。反之，也可借助仿真模型产生的数据，来研究真实系统中网络性 能。 二、发展趋势 1 、面向i n t e m e t 的虚拟实验室 随着i n t e m e t 的发展，虚拟实验室呈现出网络化的趋势，基于w e b 的浏览器 服务器( b r o w s e s e r v e ，简称b s ) 计算模式是实现网上虚拟实验室的一种基本模 式。在客户端不需要任何的安装和维护工作，可直接通过网络访问远程的虚拟实 验室，代表着当前虚拟实验室新的发展方向。其结构如图2 5 所示。 客户机 ， f 服务器 数据分析服务器 仪器控制服务器 图2 5 基于b i s 的网络虚拟实验室结构 i 8 的位图，没有颜 色表，其像素信息直接由位图图像数据提供。 d d b 是一种内部位图格式，它显示的图像依计算机显示系统的设置不同而不 同，一般不存储为文件。d d b 中不包括颜色信息，其颜色是由显示它的设备所决 定的，因而是与设备相关的。 d d b 只能存在于内存中，它要么存在于视频内存中，要么存在于系统内存中， 因此与d i b 相比，d d b 的显示速度快。因此系统采用d d b 方式显示位图。 2 、位图的透明绘制 位图的透明显示是指位图显示时，图像上颜色为某种指定颜色的像素不被显示 出来，而显示该处的背景。被指定的特定颜 色称为透明色【3 3 】。图3 7 说明了位图的透明显 示与非透明显示效果对比。图中显示电阻和 图3 7 位图的透明显示效果 滑动变阻器两副位图，左边图为非透明显示， 其显示效果难以满足虚拟实验室力求真实的要求；采用位图的透明显示技术效果 如右边图所示，电阻位图的透明色指定为白色。 绘制“透明”位图的关键是创建一个“掩码”位图( m a s kb i t m a p ) ， “掩码” 位图是一个单色位图，它是位图中图像的一个单色剪影。 虚拟电学实验室系统及其关键技术研究 在w i n d o w s 编程中，绘图都要用到设备描述表，需创建两个内存设备描述表： 位图设备描述表( i m a g ed c ) 和“掩码”位图设备描述表( m a s kd c ) 。位图设备描述 表用来装入位图，而“掩码”位图设备描述表用来装入“掩码”位图。在“掩码” 位图设备描述表中制作“掩码”位图的方式是：先创建一个单色的b i t m a p ，装入 m a s kd c ，然后以“s r c c o p y ”的方式将装有位图的位图设备描述表绘制( b i t b l t ) 到m a s kd c 上。这样，m a s kd c 的显示平面中的位图即是“掩码”位图。 绘制“透明”位图的实际操作步骤： 步骤一、将位图设备描述表以“s r c i n v e r t ”的方式绘制( b i t b l t ) 到显示设备 描述表上； 步骤二、将“掩码”位图设备描述表以“s r c a n d ”的方式绘制( b i t b l t ) 到显 示设备描述表上； 步骤三、再将位图设备描述表以“s r c i n v e r t ”的方式绘制( b i t b l t ) 到显示设 备描述表上。这样除“透明色”外的其余位图部分( 图像部分) 就被绘制到窗口上 了。 ( 二) 纪录连接信息 当用户连接两个元件时，不仅需要将电路图显示在图形窗口中，而且要纪录 两个器件间的连接信息，为以后的仿真计算进行必要的设置。因此伴随着用户连 线、删除器件或删除导线等操作，需要填写一个器件间的关联表：任意两个有导 线连接的器件对应一个关联项，所有器件间的关联项构成关联表。器件的连接信 息就存储在这个关联表中，完全表达电路的拓扑信息。关联的数据结构如下： s t r u c t c o n n e c t i n ti w i r e i n d e x ；导线索引号 i n ti s t a r t c o m n i n d e x ；导线起点器件索引号 i n ti s t a r t p o i n t i n d e x ；导线起点器件的接线盒索引号 i n ti e n d c o m n l n d e x ；导线终点器件索引号 i n ti e n d p o i n t l n d e x ；导线终点器件的接线盒索引号 图3 8 关联连接示例图 下面举例说明电路的连接方式和存储结 构的对应情况。如图3 8 所示，电路中电压 源、灯泡、电阻的器件索引号分别为l 、2 、3 。 导线索引号和导线连接方向如图中导线上的 标号和箭头所示。则该电路对应的关联表如表 3 1 所示。 第三章虚拟电学实验室的关键技术研究 表3 1 图3 8 所示电路的关联表 i w i r e l n d e xi s t a r t c o m n l n d e xi s t a r i p o i n t l n d e xi e n d c o m n l n d e xi e n d p o i n t l n d e x 11221 22232 3113 1 ( 三) 可视化计算 可视化计算的过程就是在可视化模型的基础上产生可视化输入，分析可视化 输入，选择对应的计算模型，产生计算结果，再通过可视化模型产生可视化输出。 系统中的可视化计算过程主要包括4 个步骤： 步骤一：图的连通分量分析。用户可随意在电路编辑界面中连接电路，不可 避免的会出现多个电路并存的情况。一个电路即为一个连通图，由于电路的计算 方法是针对单一电路进行的，因此必须首先判断图的连通性问题。 步骤二：电路的拓扑信息描述。电路的拓扑信息包括电路中所有器件的节点 法描述，建立电路的拓扑信息描述是进行可视化计算的关键。 步骤三：仿真进算。选用混合方程建立电路的数学模型、列主元消去法求解 电路方程。 步骤四：可视化输出。对计算结果进行分析，以电路中的元件状态变化和仪 表的读数反映计算结果。给出电路可视化计算数据流图如图3 9 所示。 图3 9 电路可视化计算数据流图 下面对其中的关键技术逐一作以说明。 一、图的连通分量判断 图的连通性定义：如果从顶点v 到顶点v 有路径，则称v 和v 是连通的。 如果对于图中任意两个顶点v 一和v j 都是连通的，则称该图是连通的，否则称该 翌一 生型璺堂薹墼兰墨竺墨基苤堡垫查笪窒 图是不连通的。 采用遍历的方法，进行连通性判断。在用户编辑器中，可以连接任意数目的 电路，因此电路宜用链表存储，每个电路由元件和导线和关联信息构成。程序流 程如图3 1 0 所示。 遍历从器件链表的第一个器 件顶点开始，通过关联表，遍历 图中各个器件顶点。对于电路编 辑界面中存在多个电路图的非连 通图而言，需多次执行电路形成 过程。每次执行得到的顶点访问 器件序列和导线序列构成个电 路，多个电路构成一个电路链表。 二、电路的拓扑描述 电路计算依据电路的拓扑 信息进行，电路中所有器件的节 点描述信息表征电路的拓扑结 构。节点索引号、元件类型和元 件参数构成一个器件的描述。电 路中的器件总的来说可以分为两 大类：一类是电阻类器件，一类 图3 1 0 连通分量程序流程图是电压源类器件，分别用字母“r ” 和“v ”表示。元件参数依据元件类型的不同而不同，如电阻元件的元件参数为电 阻值，电压源的元件参数是输出电压。节点索引号则需要动态自动生成。 1 、节点的自动生成 由于采用改进的节点分析法，需要选取参考点( 节点索引号等于零的节点为 参考点) ，计算所得的其它节点的电压是相对于参考点的相对电压，而系统需要的 是任意两点的电势差，因而以哪个器件的接线盒为参考点并不影响计算结果，但 是考虑到一个电路必须含有电压源，因此以电路中某个电源负极接线盒为零参考 点。随后遍历器件链表，依据关联表，为电路中所有器件的接线盒节点进行索引 编号。一般来说，凡是接入电路的所有元件，其两端接线盒的节点编号不相