網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用前景淺析

一、應(yīng)用前景

近年來，伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，遠(yuǎn)程教育蓬勃發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，水平不斷提高。虛擬儀器技術(shù)、遠(yuǎn)程測試技術(shù)、分布式系統(tǒng)、交互式教育環(huán)境的發(fā)展，極大的改進(jìn)了傳統(tǒng)教育方式和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法。

在職業(yè)教育基礎(chǔ)技術(shù)課程教育中，為了提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，應(yīng)該組建一個(gè)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，把虛擬儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)造一個(gè)模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對學(xué)習(xí)者的不同操作給出與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境相符合的反饋。學(xué)生可以通過校內(nèi)甚至校外的任何一個(gè)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)終端，無時(shí)空限制的瀏覽學(xué)習(xí)有關(guān)課程內(nèi)容，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。而且，它具有更高的靈活性，不受傳統(tǒng)的模式限制，可以節(jié)約大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重復(fù)投資，有利于改善辦學(xué)條件和提高教育教學(xué)水平，在改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、教育資源共享、提高教學(xué)水平、節(jié)約投資等方面有著重要意義。

二、國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和水平

虛擬實(shí)驗(yàn)室概念，是由美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉.沃爾夫教授于1989年首先提出的，它描述了一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。使用LabVIEW、LabWindows/CVI等虛擬儀器編程語言，非常容易構(gòu)建功能強(qiáng)大的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，用戶與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的交互都是通過用戶界面來進(jìn)行的，通過直觀的圖形化用戶界面，用戶可調(diào)用不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而實(shí)現(xiàn)與儀器驅(qū)動(dòng)的對話。

美國 Tennessee at Chattanooga大學(xué)的Jim Henry設(shè)計(jì)的網(wǎng)上工程實(shí)驗(yàn)室提供了一系列遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，如壓力控制、液面控制、溫度控制、速度控制實(shí)驗(yàn)等。新加坡國立大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室允許用戶通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，使用B/S方式實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享。

在國內(nèi)，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視。自前，己有部分高校初步建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室。中國科技大學(xué)物理系研制了一套基于Internet的掃描探針顯微鏡（SPM）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為四部分：客戶端、服務(wù)器、SPM儀器端、視頻監(jiān)視系統(tǒng)。其中客戶端分為兩種類型，一類是實(shí)驗(yàn)主控操作人員程序端，用于對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，采用基于TCP/IP協(xié)議的C/S結(jié)構(gòu)對SPM進(jìn)行操作運(yùn)行；另一類是觀眾客戶端，這部分程序是基于HTTP協(xié)議和GGI的瀏覽器，提供給普通用戶觀看實(shí)驗(yàn)過程，服務(wù)器和SPM儀器端通過自行設(shè)計(jì)的DSP控制器組成一套完整的SPM反饋系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在京滬兩地試用，獲得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

隨著計(jì)算機(jī)的普及和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，少數(shù)大學(xué)開辟了這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。學(xué)生可通過互聯(lián)網(wǎng)登錄并訪問實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器，完成多種模型的實(shí)驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)室建立依據(jù)

遠(yuǎn)程虛擬電子實(shí)驗(yàn)室采用創(chuàng)建基于Internet的虛擬實(shí)驗(yàn)室的通用方法，實(shí)現(xiàn)過程是采用GPIB儀器控制技術(shù)，將可程控儀器連接到LabVIEW儀器控制服務(wù)器上，完成儀器的本地控制。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把所提供的儀器說明、電子實(shí)驗(yàn)題目及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容加入建立的網(wǎng)站上，當(dāng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，用自己的用戶名和密碼登陸到客戶端，在人機(jī)交互界面中選擇要做的實(shí)驗(yàn)，然后會(huì)自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)原理圖的各種不同接法，除去固定走線外會(huì)提示需要自己連線的部分，并且可以提供很多不同的方案供選擇。當(dāng)學(xué)生將這些都選擇好了之后點(diǎn)擊確定，這些數(shù)據(jù)將通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器上，服務(wù)器將其解析之后將數(shù)據(jù)送給核心處理器再由核心處理器來分配處理來完成這些具體的要求。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可采用B/S模式，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于以廣泛普及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，將用戶要完成的任務(wù)分配到計(jì)算機(jī)。將較為復(fù)雜的計(jì)算和重要管理交給Web服務(wù)器，把一些頻繁與用戶相關(guān)的計(jì)算任務(wù)交給客戶端來完成，實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的用戶群相比比較固定，對安全和權(quán)限的管理相對容易，并具有較高的可靠性。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)研究

（一）硬件環(huán)境的研究。硬件部分主要從虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件構(gòu)成，分析常見的硬件體系結(jié)構(gòu)，并根據(jù)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體情況，在比較其優(yōu)、缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上確定采用的硬件環(huán)境。

（二）軟件部分的設(shè)計(jì)。軟件部分的設(shè)計(jì)主要分為應(yīng)用程序服務(wù)器端虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)和Web服務(wù)器端虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站的建設(shè)。在應(yīng)用程序服務(wù)器端，擬采用虛擬儀器開發(fā)環(huán)境LabVIEW對每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K以及各個(gè)附加功能模塊進(jìn)行開發(fā)，并將這些模塊集成起來，形成一個(gè)本地端實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在Web服務(wù)器端的建設(shè)中，基于B/S模式，結(jié)合NI公司的ComponentWorks組件等，將實(shí)驗(yàn)?zāi)K以ActiveX的形式嵌入到HTML文件中，并通過IIS以及ASP.NET將這些HTML文件添加到一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站系統(tǒng)中。

（三）人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。作為整個(gè)系統(tǒng)與用戶直接交流的終端，人機(jī)交互界面的結(jié)構(gòu)必須能體現(xiàn)非常強(qiáng)的用戶友好性，特別在虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)中，為了使用戶能更有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)真實(shí)性和便利性的要求將更高。在這部分的研究工作中，需要以界面功能和用戶友好為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的人機(jī)交互界面和網(wǎng)站平臺(tái)，使訪問者能夠更好的深入到實(shí)驗(yàn)中去。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊，電力電子技術(shù)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[2]李瑩.基于LabVIEW的多路信號發(fā)生器軟件開發(fā)，北京，華北電力大學(xué)，2006

[3]程武山，智能控制理論與應(yīng)用，上海，上海交通大學(xué)出版社2006

[4]戴鵬飛，王勝開，王格芳，測試工程與LabVIEW應(yīng)用，北京，電子工業(yè)出版社，2006

[5]張重雄，虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)，北京，電子工業(yè)出版社，2008

[6]王正林，郭陽寬，過程控制與Simulink應(yīng)用，北京，電子工業(yè)出版社，2006