（机械电子工程专业论文）基于网络的远程实时实验教学系统.pdf

摘要 摘要 基于网络的远程实时实验教学系统是计算机网络技术与实验教学体系的有 机融合，它使得传统的实验教育突破了时间和地域的限制，充分的利用了现有的 也人力和物力资源，是远程教学技术发展的新的阶段。本文在现代制造系统的基 础上，对基于网络的远程实时实验教学的关键技术进行了研究，并开发了一个基 于网络的远程实时控制的p l c 气动实验台的原型系统。 本文首先从系统的全局体系结构出发，分析了网络环境下远程实验教学系统 的基本功能要求，然后结合远程实时控制系统的实验教学的特殊要求，给出了通 用意义上的基于网络的远程实时实验教学系统的体系结构框架。在对远程实时实 验教学系统中的监控技术和视频集成技术研究的过程中，分别讨论了系统的功能 要求并介绍了系统的框架结构，在此框架结构基础之上，详细的阐述了具体的实 现过程。又根据远程实验教学的要求，提出了数据库设计与网络框架的基本原则， 给出了系统安全性的要求及实现方案，为实验系统的构建创造了一个安全可靠的 网络平台。 在前人研究的基础和上述理论研究的基础之上，本文开发了一个基于网络的 远程实时实验教学系统，阐述了系统的总体结构、主要功能和特点，并以p l c 气 动实验台为例给出了系统实现的两种方案，即基于p c a n y w h e r e 远程实时实验教 学系统和基于d e 一3 1 1 的远程实时控制模拟显示系统，并分别给出了各自系统的 运行实例。 最后，就本文对该课题所做的工作做了一个简要的总结，同时对系统今后的 进一步研究提出了一些建议。 关键词：网络；远程教学：远程控制；远程监视；因特网 1 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa ne f k c t i v ec o m b i n a t i o no f c o m p u t e rn e t w o r kt e c h j l i q u e sa n de x p e r i m e n tt e a c h i n g s y s t e m ，t h en e t w o r k - b a s e dr e m o t er e a l t i m ee x p e r i m e l l tt e a c h i n gs y s t e mh a sb r o k e n t h r o u 曲t h er e s t r i c t i o no ft i m ea 1 1 dl o c a t i o n m a k i n gf u l lu s eo f h u m a nr e s o u r c e sa n d m a t e r i a lr e s o u r c e s ，i ti san e w s t a g eo f r e m o t ee x p e r i m e n tt e a c h i n gs y s t e mb a s e do n m o d e m m a n u f k t u r i n gs y s t e m s ，s e v e r a lk e yt e c h i l i q u e si nt h en e t w o r k - b a s e dr e m o t e r e a l 一f i m ee x p e r i m e n tt e a c h i n gs y s t e mh a v eb e e ns t u d i e da n dan e t w o r k - b a s e dr e m o t e r e a l t i m ec o n t r o lp l c p n e 岫a t i c d e s k p m t o t y p i n gs y s t e m h a sb e e n d e v e l o p e d t 】1 i s p 印e r ，疔o mt h ep o j n to fy i e wo f t h ew h o j es y s t 锄a tf l r s t ，a n a l y z e sm eb a s i c r e q 血r e m e n t si nn c t w o r ke n v i r o r 皿e n t s a n dt 1 1 e n 舀v e sag e n e r a la r c h i t e c t u r eo f t h i s s y s t e m w h e ns t u d y i n gt 1 1 e c o n t r o lt e c l l l l o l o 百e sa n dm o i l i t o rt e c h n 0 1 0 百e so ft h j s s y s t e m ，d i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sa i l da r c h i t e c t i l r e sa r ed i s c l l s s e dr e s p e c t i v e l ya i l da tt h e s 锄et i m et h er e a l i z a “o nm e m o d sa r ea l s o 百v e n a c c o r d i n gt o 血er e q u i r e m e n t so f r c m o t ee d u c a t i o n ，t h eb 觞i cp r i n c i p l eo fd a t 出a s ea c c e s sa n dn 咖o r ks 仃u c t l l r ei s p m v i d e d a f c e r 垂v i n g 廿1 ed e m a n d s a i l dr e a l i z a i i o nm e t h o d so ft h es ) ，s t e ms e c u r i 劬 t m s p 印e rc o m eu p w i t han e t w o r k p l a t f b 皿f o r s u c ha l le x p 甜m e n ts y s t e m b a s e do nm et h e o r ya i l a l y s i sa b o v e ，an e t w o r k 山勰e dr e m o t er e a l t i m ee x p e r i m e l l t t e a c h i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n g i t sg e n e r a la r c h i t e c t l l r e ，i t sm a i nf e a 眦sa n d c h a r a c t e r i s t i c s e x a i l l p l e d w i t hp l cp n e u m a t i cd e s k 押ok i n d so fa c l l i e v e m e n t m e t h o d sa r eg i v e n ，t l l a ti sr e i n o t er e a l t i m ee x p 谢m c n tt e a c l l i n gs y s t e mb a s e do n p c a n y w h e r ca n dr e m o t er e a l t i m e c o n t m ls i m u l a t i o nr e v e a lb 豁e do nd e 一31 1 l a t e rt h ea c h i e v e m e n te x 锄p l e sa r ea l s op r e s e i n e d a tl a s t ，as u m m a r yo f t h em e s i si sg i v e na i l ds o m e s u g g e s t i o n sf o r 觚h e rs t u d y o f t h i s s y s t e ma r ep r o v i d e d 一j l 摘要 k e y w o r d s ：n e t w o r k ；r e m o t et e a c 乇l i n g ；r e m o t ec o n 仃o l ：r e m o t em o n i t o r ：1 1 1 t e m e t 一i 一 第l 章绪论 第1 章：绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 随着信息时代的到来，计算机和网络已经深入到社会生活的各个领域，各种 以计算机网络为基础的网络制造，电子商务等技术正在受到教育部及国家其他部 门的高度荤视。“建立国有大型关键重要设备的共享”已经是教育部致力发展的 一个重要方向。而“一种基于网络的远程实时实验教学系统”正是在这种背景下 产生的，它来源于学校2 l l 工程评优项目。 1 1 2 课题的提出 随着知识经济的发展，网络已经日渐走入人们的生活并且开始显示其重要 性。同时，社会对教育模式、教育手段都提出了新的要求。网络教学作为一种新 型的教育方式，在我国迅速发展起来，并且成为远程教育的重要形式之一【i 】。 计算机网络和多媒体技术的迅速发展和广泛应用，使得传统的教学方法和模 式已经不能满足当前社会发展的需要。校园的围墙逐渐消失，学生可以在网络上 接受大学教育，完成学业的教育模式已经悄然而至。采用计算机辅助教学( c a i ) 的新型方式远程教学系统，突破了传统教学活动中的时间，空间的限制，可 使更多的人能够享受到高质量的教学服务，使得教学资源得到更加充分的发挥。 随着计算机网络的延伸，整个社会连成体，教育者与受教育者可以自由的选择 学校，课程和科研课题，学校和学校之间，学校和社会之间的界限将变得模糊起 来。这一方面加强了校际之间的协作，使得普通院校，偏远地区的学生能够到国 内外著名院校和知名专家的精品课程，从而大大提高了我国整体教育水平的质 量：另一方面加强了高等院校与社会各界的协作，推动了我国教育的发展。例如 各个高等院校可以通过网络与企业挂钩，这既有利于提高教师的科研水平，又有 利于培养学生的科研和创新能力，也有利于推动企业与各高等院校的生存与发展 【2 。 基于i n t e r n e t 的远程教学方式，具有很多优越性。网上教学对促进专业技 北京工业大学工学硕士学位论文 术教学、合理利用教学资源，培养高水平的专业技术人才提供了有利条件。作为 教学的一部分基于网络的远程实时实验教学，其网络化具有很重要的意义。 在远程教学模式中特别需要建立和应用基于w w w 网络的实验系统，因为实验是多 数工程类课程和应用类课程的重要环节，缺少了实验动手的机会，课程的教学将 大打折扣，尤其是对于那些通过远程教学网络自学的广大学员来说。知识经济时 代的到来，更迫使人们必须尽快地掌握所需的知识和技能，一个基于网络的远程 实时实验系统则是人们快速、廉价的获取各种知识和技能的重要场所。目前情况 下网络实验教学主要有以下四种方式： ( 1 ) 演示实验：演示实验法是教师通过精心设计的演示实验，引导学生观 察，根据实验现象，师生共同分析、归纳，总结出有关的规律。演示实验是实验 教学中的重要组成部分。在网络条件下，演示实验主要有视频和动画演示两种方 式。 ( 2 ) 利用网络进行数据传送和处理的远程实验：学生通过与网络连接的计 算机输入数据，这些数据通过网络传送到服务器，服务器对这些数据进行处理以 控制相关实验设备工作，再收集实验数据并通过网络传送到学生的计算机上。在 这种方式下，学生通过给出相关的数据以控制远在服务器一端的实验设备，并通 过远端设备收集实验数据，同时还可以利用服务器提供的数据处理程序来处理数 据获得实际操作实验设备的效果。此种方式目前国内还没有极少有人实现，国 外也只有一些科技发达的国家有相关的报道。一个比较典型的例子是一所德国大 学提供的有关控制机器人手臂抛球的网络远程实验教学课程。系统提供一个数据 输入接口让学生输入机器人手臂抛球的初始角度和初速度，服务器在接受数据后 控制机器人手臂抛出小球，同时用摄像机拍摄整个过程，并加以处理后将图像传 回到学生的屏幕上，供其检查实验结果。在这种实验方式下，计算机屏幕成为远 端真实实验室的个窗口和实验设备的操作接口。 ( 3 ) 虚拟仪器实验：在网络教学的条件下，使用虚拟仪器技术可以在屏幕 上提供给学生多种专业实验仪器来完成实验。利用计算机技术可以开发出多种仪 器的软件包，一台计算机就可以构成一个完整的实验室设备系统，这样可以节约 大笔的实验室设备经费投入。网络教学条件下，也可以在服务器端放置大量的实 第1 章绪论 验教学需要的虚拟仪器软件包。学生可以通过网络来访问服务器，下载软件包进 行实验或直接在服务器提供的实验交互界面上进行实验。 ( 4 ) 虚拟w e b 实验室：基于w e b 的虚拟实验即在w e b 中创建出可视化的三 维环境，其中每个可视化的三维物体代表一种实验对象。学生可以利用系统提供 的交互手段对这些三维物体进行操作。虚拟实验环境可以针对不同的实验科目分 别设计具体的实验环境。虚拟实验环境要具有如下的基本功能i 完全基于w e b 、 三维的立体环境、具备可视化的实验对象、学生可以操作实验对象。 因此，本文以“利用网络进行数据传送和处理的远程实验”的方式提出了一 种基于网络的远程实时教学的思想，即综合利用网络技术，自动控制技术、传感 器技术等多种技术手段，在服务器端构建一个网络控制实验平台，使学习者可以 在客户端编写程序，控制实验平台的运动并监视运动结果。在实验过程中，无需 教师及技术人员的现场维护，只要学生认真的阅读实验平台使用规则，就完全可 以独立完成实验。由此，可以大大的节约人力资源，提高实验室教学设备的利用 率同时提高学生实验的实际效果。 1 1 3 课题的目的和意义 随着计算机与网络技术的迅猛发展，不论是科技先进的国家还是相对落后的 国家，全球各处都在发生翻天覆地的变化，数字化成为这个时代的主旋律，计算 机网络在悄悄地改变一切。十年树木。百年树人，教育这个关心子孙后代的行业 在这个风云变幻的时代应该如何瞄准自己的航向，不断前进? 答案就是适应时代 潮流，运用最先进的计算机与网络技术，武装自己，推行远程教育，全面提高教 育方式与手段。因此建立网络远程实时实验系统，主要有以下几个方面的原因： ( 1 ) 可以极大地提高远程教学的速度。学生可以通过网络在极短的时间内 获得所需的信息，如教材、参考资料等；学生和教师可以快速地相互交流信息， 并且是双向交流。 ( 2 ) 无时间和空间的限制。教师和学生可以在自己合适的时间里进行访问， 不必同时联机：教师和学生可以在家里、工作单位、宿舍或其他任何可上网的地 方进行学习和辅导活动。 ( 3 ) 可以提供多种教学手段，教师对学生可以进行同步或异步的教学辅导： j c 永- l 二业大学一 学烦士毕位论文 学生之间可以通过网络进行交流和讨论，可以促进学生之间的协同学习，可提供 多种方法以适应不同学生的学习要求。另外，这也提高了学生学习的兴趣。 ( 4 ) 在计算机远程实验教学过程中，计算机可以自动记录网上学生的学习 情况，教师可对学生的学习情况进行归纳、总结，以便进一步改进教学方法和教 学内容。 ( 5 ) 物理资源的缺乏( 包括实验设备和教职员工) 限制了学生的实验需求， 远程实验系统可以很好的解决这个问题。 ( 6 ) 保证了做实验学生的安全。由于学生不需要亲自到实验室接触硬件设 备，所以一些人为或偶然的事故将可以得到避免。 总之，基于网络的远程实时教学是网络制造技术的一个尝试性的探索，是实 验教学领域的一次革命，它必将为今后教育及教学的发展乃至整个制造业的前进 起到一个有效的巨大的推动作用。 1 2 文献综述 1 2 1 国内外远程教育的研究概况 远程教育是一种非面授的教育方式，是扩大教育规模、普及国民教育的重要 手段，是一种能够快速地、有效地和便宜地满足国家教学需要的手段。现代远程 教育是随着现代信息技术的发展而产生的一种新型教育方式，具有集视听教育 ( 广播、录像、电机) 、卫星、计算机、通讯网络于一体的多种“教育教学资源 共享、信息交流、网上教学”等功能，打破了传统教育时间和空间的限制，使得 人们可以不在学校，教室里学习，使最好的老师、最好的学校、最好的课程能为 校外的学习者所享用，使更多的社会成员获得受教育的机会。 大学成为i n t e r n e t 教育的中坚力量。在开办的网上课程中，基本山全部的 课程都是由太学提供的。其原因主要有以下几个方面：由于i n t e r n e t 的前身是 网络教育，大学在基础设施上占据了优势，有利于在此基础上开展教育实验；大 学作为智力资源中心，在开发、应用、维护基于i n t e r n e t 教育软件方面具有得 天独厚的优势。如由伊丽诺义斯大学开发的基于w e b 的交互式教育软件 c y b e r p r o f 已用于该大学物理、化学、生物、经济学等课程，此外还应用到附近 第l 章绪论 的高中和大学；大学一直是开展成人继续教育和远程教育的基地，各个大学有可 能利用已有的客户和开展远程教育的经验展开有关实验、研究和应用。如加利福 尼亚伯克利分校从1 9 9 4 年开始利用a m e r i c ao n l i n e 开展远程教育，受到广泛 欢迎，仅在开始的几个月内就有几百人报名。到1 9 9 8 年，已开设了6 0 门联机课 程；四、高等院校作为学术研究机构和人才培养基地，比较容易获得科研经费和 赞助，从而能够在开展基于i n t e r n e t 的远程教育方面保持领先优势。 美国是世界上高等教育最为发达的国家之一，竞争性和多样化是美国高等教 育的显著特征，而管理体制上的自治和市场经济的背景造就了其高等教育体系的 高度适应性，这些特征也同样体现在美国的远程高等教育上。据美国联邦教育部 国家教育统计中心对中等后教育机构远程教育的调查，1 9 9 7 一1 9 9 8 年，美国5 0 2 0 所大学中有1 6 9 0 所提供远程教育课程，占高等学校总数的3 4 。约1 6 6 万学生 注册接受各种形式的远程高等教育，占所有类型高校在校生总数( 约为1 4 3 4 万) 的1 1 6 。美国的远程高等教育在某些方面依然受原有高等教育体系的深刻影响， 能够与传统的高等教育体系相融合h 】。 在我国，从1 9 9 8 年9 月教育部批准清华大学、浙江大学、湖南大学和北京 邮电大学试点现代远程教育至今，全国已有6 7 所普通高等院校建立了网络教育 学院。随着网络教育试点实践的实施，对我国远程教育理论与实践的关注问题已 经成为社会各界关注的焦点。我国网络课程的总体特点如下： 1 几乎所有的网络课程都非常重视教学内容的“讲解”、“演示”环节，不 同院校不同学科各展所长，如流媒体视频、文本、f l a s h 动画等，更有使用虚拟 现实等技术的，以尽可能将课程知识讲全、讲细、讲系统，且大部分教学内容皆 按印刷课本章节顺序编排。 2 网页的设计在布局、风格、色彩、链接、超文本等诸方面已相当专业化， 基本不存在什么问题。 。 3 学科特点非常突出。不同学科在栏目设计、技术实现，及内容安排上皆 能发挥学科所长、突出学科优势、符合学科特点。比如，语言学科能为学生提供 了大量的听、读训练和情景对话；工科则利用各种图片、虚拟现实技术、f 1 8 5 h 动画等演示与讲解原理与过程；其他学科如法学的案例分析、模拟法庭的角色扮 北京工业大学工学硕士学位论文 演：医学的各种病理图片、体内器官动画，药剂配方图表等。 4 常用的几种教学方式归纳如下： 文字+ 图片+ 表格 文字+ 图片+ 表格+ 多媒体动画( 多以f l a s h 为主) 文字+ 图片+ 表格+ 视频( 流媒体、其它格式) 文字+ 图片+ 表格+ 多媒体动画十教师的电子讲稿( p p t ) 5 网络课程基本栏目包括：导航、课程介绍、课程教学、练习。 6 基本上都注意到了综合使用多种媒体，有的教学信息的表达更活泼、更 有效。 7 存在的问题与不足：其一，从整体上讲，这些网络课程共同存在着重教 学内容的呈现与讲解，轻学习环境与学习活动的设计。其二，相当一部分网络教 学内容的讲解与呈现仍以大量的文字阅读为主，个别的仍存在着文字教材搬家的 现象。其三，缺乏研究性学习的环节。其四，缺乏协作学习的设计，及组织与实 施的指导和建议m 。 网络远程实验教学在我国尚处于起步阶段。与西方发达国家相比，国内在此 方面需要开展的工作还有很多。从网上可以查到的信息和各院校开放的对外服务 看，国内清华大学、北京大学、上海交通大学、华南理工大学等高校已陆续在网 上设立了自己的电子教室，其中有少数电子教室提供了有限的实验服务，学生可 以通过联网计算机终端来进行实验。 1 2 2 网络制造核心技术的研究与发展现状 计算机与网络技术的进步极大的促进了现代制造业的旋展，各种基于网络技 术与分布式概念的系统大量应用于工业实践，给制造业带来了许多变化和影响， 衍生出许多新的生产方式和制造模式，如网络制造、计算机集成制造等等。设备 远程状态监控与故障诊断是网络制造技术的一个重要支撑技术与组成要素，随着 相关技术的发展，它大致经历了以下几个发展阶段： ( 1 ) 以多用户联机、集中式控制为特征的单机监控与诊断系统，这是第一 代监控与诊断系统。这时的监控与诊断系统主要是针对某一特定被监测的机器而 第l 章绪论 设计的，它主要由l 台计算机和l 块或多块功能模板构成，信息的交换与处理仅 限于监测与诊断系统内部，因而是种封闭式的系统。 ( 2 ) 以局域网络、集散化控制为特征的分布式监控与诊断系统。它主要是 针对大型机电设备主机和多辅助功能分布和地域分布的特点，通过工业局域网把 分布于各个局域现场，独立完成特定功能的本地计算机互联起来，以实现资源共 享、协同工作、分散监测和集中操作、管理与诊断功能的工业计算机网络系统， 这是基于工业局域网的相对开放的系统，监控信息的处理在局域网内部进行。 ( 3 ) 进入9 0 年代后期，随着计算机技术和信息技术的发展，特别是信息高 速公路的开通，监控与诊断已经步入发展的第三极端i n t e r n e t 阶段。 基于i n t e r n e t 的远程监测与诊断是设备诊断技术和计算机网络技术的有机 融合，是设备故障诊断技术发展的崭新阶段。它以若干台中心计算机作为服务器， 在企业的重要关键设备上建立状态监测点，采集设备状态数据；在技术力量较强 的科研机构建立远程诊断中心服务器申请在线技术支持，同嚣寸以电子邮件的方式 向有关专家发出离线会诊要求，在短时间调动入网的所有资源，实现对设备故障 的及时诊断与维修。 基于i n t e r n e t 的远程监测与诊断是设备诊断技术已引起国内外学者的广泛 关注和重视，并投入了大量的人力、物力进行研究。如美国斯坦福大学和麻省理 工学院合作开展“基于i n t e r n e t 的下一代远程诊断示范系统”的研究，该项工 作得到了b o e i n g 、f o r d 等1 0 多家大公司的支持与合作，并很快建立了一个面向 半导体制造设备的基于i n t e r n e t 的远程诊断原型系统。美国密执安大学也在进 行机械加工的远程诊断与制造系统的研究工作。澳大利亚联邦科技与工业研究组 织( c s i r 0 ) 将远程诊断纳入“智能制造系统计划面向2 l 实际的全球制造” 项目的重要研究内容之一，其应用对象直接面向c n c 平台切割机床。紧跟国际步 伐，我国一些单位也已经开展了制造设备远程诊断的研究工作，如同济大学以上 海大众汽车冲压生产线为研究对象，初步实现了一个面向制造企业的工业现场远 程监控诊断系统。北京理工大学、南京航空航天大学等也在开展基于i n t e r n e t 的f m s 远程故障诊断的研究。我校机电学院机电控制学科部也开展了网络远程控 制系统的研究，而且还与华中科技大学建立了合作伙伴关系。总之，设备远程监 北京工业大学工学硕士学位论文 测与诊断已成为当今设备诊断技术的一个研究热点。 1 3 本文的主要研究工作 本文以本校机电学院电控实验室现有的p l c 气动实验平台作为对象，设计出 网络实验系统的整体结构，研究网络实验设计中的三个关键问题，即如何利用网 络互操作软件实现计算机远程控制，如何利用p l c 与计算机间的通信技术实现物 理操作界面的软化即虚拟面板问题以及如何利用监视设备实现对实验现场的监 视，最后开发并设计了一套基于网络的远程控制的软件及硬件平台，实现一个网 络实验系统的基本模型。本文的具体研究工作如下： ( 1 ) 讨论了开展基于网络的远程实时实验系统的意义，介绍了相关技术与 发展情况。 ( 2 ) 设计了基于网络的远程实时实验系统的整体结构，提出了实现基于网 络的远程实时实验系统的几个关键问题。 ( 3 ) 对基于网络的远程实时实验系统的关键技术进行了深入的讨论，并提 出了具体的解决方案。 ( 4 ) 给出了针对p l c 气动实验平台上进行基于网络的远程实时实验的具体 实现方案。 ( 5 ) 对整个网络远程实验系统的开发过程进行了总结，为现代远程教学及 网络控制的发展提供信息及技术的支持。 第2 辜远程实验教学系统的总体设计 第2 章：远程实验教学系统的总体设计 2 1 前言 基于网络的远程实时实验系统不论对于教学实验系统还是对于现有的网络 制造系统来说都是一个新生的事物。远程实时实验系统的实际应用水平还没有完 全成熟，此方面的研究正在引起越来越多的关注。本章从基于网络的远程实时实 验系统的全局出发，分析了实验系统实现过程中所设计到的一些关键的支撑技 术，如网络控制技术，视频集成技术以及数据库技术等等。在此基础上，提出了 系统的体系结构并进行了相应的系统总体设计。 2 2 远程实时实验教学系统的基本功能要求 系统的总体设计是整个系统得以实现的保证。它的正确性、可行性、先进性 以及经济性等都直接决定了系统将来的功能和性能，对系统的可靠性、实时性、 可扩充性以及运行效率等性能指标有很大的影响。为此，有必要首先了解基于网 络的远程实时实验系统的基本功能要求。 目前在i n t e r n e t 上进行远程实验教育，其实现基础都是基于w 唧( w o r l d w i d e w e b ) 技术的。随着网络与多媒体技术和虚拟技术的发展，为远程教育提供了越 来越多的教育资源，包括各种硬件资源、服务器工作平台、w e b 服务器、数据库 服务器等等。因此基于网络的远程实时实验系统应该充分利用这些资源，为远程 教育的教师和学习者提供各种管理和服务f “。 对基于网络的远程实时实验系统来说，基本的功能要求有： ( 1 ) 可靠性：由于系统是通过网络远程控制的，因此如何保证远程的客户可以 在有限的权力下充分利用并控制实验台，使实验者能够尽可能有效的利用实验 台，并享受到类似于本地控制的实际效果，就要使系统安全、可靠、实用。 ( 2 ) 实时性：实时性是困扰远程控制系统的一个较大的问题。因为系统需要传 递大量的控制信息，视频信息或视频模拟信息。因此要在现有的网络带宽的情况 下充分传递这些有效的信息，使实验者可以迅速的得知被控制端发生的情况并立 即做出反应控制被控制端，这就要求系统的延时要小，实时性要高。 ( 3 ) 可操作性：与远程教学软件不同，远程实验系统要求远程的用户不但可以 北京工业大学工学硕士学位论文 看到被控制端发生的情况，还要求用户可以根据所看到的情况去控制被控制端， 即能够操作远程的实验平台，因此系统要具有可操作性。 ( 4 ) 可视性：在本地实验系统中，操作者可以直接观察到实验的情况，而通过 网络进行的实验，如果不进行特殊的技术处理，操作者就不能看到实验的现场， 这对实验者的实际实验效果是很不利的。因此要求实验者可以通过网络看到实验 的现场，即系统应当具有可视性。 ( 5 ) 安全性：由于系统是通过网络远程的控制服务器及实验平台，而实验平台 本地并没有人来看管或指导，这样如果操作者故意破坏服务器或实验平台，则对 系统的影响是致命的。因此要在服务器端和实验平台上进行相应的安全配置，使 实验者不论出于什么目的都不能对实验系统构成破坏。 ( 6 ) 可扩充性：由于网络规模的不断扩大，各种实验设备的不断涌现，各种新 技术的不断出现，使得系统的规模必将也跟随着时代的前进而不断的前进，这就 要求系统必须具有可扩充性，不仅仅是规模上的扩充，而且还是功能上的扩充。 ( 7 ) 异构性：虽然现在多数的用户使用的操作系统都是w i n d o w s 系列的产品， 但已经可以看出各种不同的操作系统正在不断的出现，如u n i x ，乙i n i x 等等，因 此随着用户规模及系统的功能的不断扩大，各种不同的软件及硬件都将不断的加 入到系统之中，这就要求系统必须具有良好的异构性。 2 3 基于网络的远程实验教学系统的设计思想 2 3 1 基于网络的远程实时实验教学系统的概念的引入 随着网络技术的飞速发展，科学仪器、仪表的远程控制提供了一种世界范围 内共享实验设备的新途径。在此基础上发展起来的远程实验，将成为2 1 世纪科 学实验室进行开放性研究的重要模式。 远程实验信息集成的研究历史很短，其理论和技术尚不成熟。国际上早在1 9 9 2 年就已经提出远程访问控制的设想，但由于种种条件的限制，直到最近才出现若 干个远程控制的实验模型f 7 】。 基于i n t e r n e t 的远程实验不但是远程科学实验的一个重要的组成部分，而 且它在高科技军事以及未来网络化生产制造和商业服务方面也有着广泛的应用 第2 章迂程实验教学系统的总体设计 前景。网络化生产与制造是一个全新的生产模式，人们在这方面还没有任何经验， 因此需要有一个包容度尽可能大的前期研究模型先进行基础性探索。 现代实验设备由于其高度的精密和复杂性以及大量的信息获取和处理要求， 基本上涵盖网络化生产与商业的技术问题，使得它成为个非常好的前期模型。 正因为如此，远程科学实验的研究倍受工业界的关注膊。 2 3 2 基于网络的远程实时实验教学系统的基本组成 基于网络的远程实时实验系统是一个典型的基于网络的远程服务系统，由 c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 模式上扩充而成为c n s ( 客户机多服务 器) ，其主要特点是网络通讯规程为统一的t c p i p ，分布式计算机结构由单一的 两个层次扩充到由客户、数据库服务器、多应用服务器组成的三个层次。网络服 务系统由以下几个要素构成，包括w e b 服务器、实验台控制服务器、服务组件、 数据库服务器和客户端。 l 、w e b 服务器 w e b 服务器，实质是一种功能较强的、基于u r l 的文件服务器，引入c g i 技 术之后w e b 发展成为交互性更强的媒介。j a v a 的出现使得w e b 技术得以更新， 分布式对象体系结构c o r b a 的加入，使得w e b 正形成一种分布式的对象方案 “0 b j e c tw e b ”，a s p 技术的应用，使得w e b 交互功能更好，使用灵活、网络流 量小。目前最流行的b 服务器为m i c r o s o f t 的i i s 和n e t s c a p e 的n e s ，工工s 因 其运行速度快而越来越热门，本系统就是利用i i s 和a s p 技术的。n e s 则以能在 众多不同的平台上运行见长。 基于w e b 的网络远程控制系统的特征为： ( 1 ) 独立的应用系统开发和安装环境。 ( 2 ) 管理和控制其中的网页和组件，例如：负责管理用户的信息及实验系统 的管理。 ( 3 ) 根据实际的需要，不断的调整任务的完成时间，例如：老师可以根据自 己的教学安排，合理的有效的利用实验室的设备，使学生能够很好的完成自己的 实验。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 、实验台控制服务器 不同实验台的控制程序是不同的，因此实验台控制服务器的种类也是多种多 样。但是不论是那种实验台控制软件，首要的任务也是最基本的任务就是要能在 本地良好的控制实验台，并且其具有网络接口，这样在将实验台连接到i n t e r n e t 上时，才能从网络远程的通过控制实验台服务器从而达到控制实验台的目的。 3 、服务器组件 组件是一种可重复调用的软件块，它把维护及操作某一类信息的程序及中在 一起独立成块。应用系统通过预先定义好的界面来调用执行组件，组件可以是简 单的，如单一的类，也可以是复杂的，如：完整的应用程序。组件和调用它的应 用程序一起构成c o n t a i n e r 系统，它提供了一种执行服务器组件的运行环境，如 1 8 m 的c o m p o n e n tb r o k e r 。本系统的组件是使用a s p 技术，使a cc i v e x 组件在服 务器平台上运行，平台的兼容性好。 服务器组件在服务器的后台运行，对应用程序和脚本以对象的方式引用，运 行的结果由服务器打包为h t m l 页直接传给应用客户机上，其形势简单，无需下 载及本地安装运行。 4 、数据库服务器 多用户操作和在线实验操作的实时性，造成数据结构复杂性、多样性，数据 量庞大。使用文件管理数据己无法满足要求，一方面随着设备的运行，文件数目 会越来越多，文件会越来越长，运行效率会降低。另一方面，使用文件管理，数 据冗余度大，安全性和保密性差。而数据库服务器除具有数据库共享性，一致性、 独立性，这些特征之外，还具有以下特性：完善的并发控制，可以保证当多个用 户对统一数据库进行修改时，不会出现错误，所支持的用户数越来越多：完备的 故障恢复，有事务日记等纪录措施，当数据库发生局部性或全局性的破坏时，数 据库具有自动恢复的功能；可移植性强，都支持结构化查询语言( s q l ) ，使的应 用程序在不同的数据库之间、不同的编程语言间和不同的操作系统问的可移植性 增强；高效性，客户端发出的数据库操作指令，将在数据服务器上执行，需要传 输的仅仅是命令和结果，并不是将所有数据传递，从而大大提高了运行效率；良 好的数据库程序接口，采用o d b c 数据库，可在多种操作系统下与多种编程语言 第2 章远程实验教学系统的总体设计 相连接。 流行的数据库服务器包括o r a c l e 、s y b a s e 、m ss q l 等，它们是关系型的数 据库，驻留在后端运行。本系统就采用的是s q l 数据库。 5 、客户端 客户端主要是由客户端应用软件和浏览器组成。其中客户端应用软件可以是 远程控制软件，也可以是实验台控制软件的客户端部分。它是用户直接可以接触 到，并能够亲自使用的控制软件。浏览器是w e b 应用系统的关键技术，可执行的 浏览器的内容在不断的扩展，出现面向对象的编程方式和可重复的调用组件。主 要的浏览器是n e t s c a p e 的n a v i g a t o r 和微软的i n t e r n e te x p l o r e r ，浏览器组 件是微软的a c t i v e x 和n e t s c a p e 的p l u g i n s ，1 9 9 7 年6 月，n e t s c a p e 给新的 浏览器装配上了灵活的纯j a v a 的c o b r a 组件。同时面对多种多样的应用背景要 求，需要更为简单灵活的浏览器，以适应客户端不同的应用软件。 总之，基于网络的远程实时实验系统具有远程教学环境的优点如结构模块化、 工作并行化、集中管理、成本低、扩展灵活、网络互联能力强，同时还具有： ( 1 ) 教学管理现代化：用户情况表可以随时更新，教师发布的信息可以及时 发布，真正实现无纸传递。持有安全认可证的人员可以在世界各个角落透过“防 火墙”浏览这些信息和发布指令，远程教学网变成了全球性信息网络的一部分， 这正是现代远程教学中开放式教学所迫切的。 ( 2 ) 方便人员的培训：借助各种网络的先进技术，利用已经具有的应用软件 和实验室硬件，可以实现网络远程实验的运行。 ( 3 ) 良好的协同工作环境：系统管理人员、指导教师以及普通用户可以进行 协同工作，可以通过w 州页面交流信息，提出面l 临的主要问题和工作情况，使整 个系统运行和维护协调同步。 ( 4 ) 不受时间的限制：无论是教师还是学生，只要他们将所需要的信息发布 到服务器上，则浏览者就可以在任何时刻查看相关的信患，同时只要实验台的电 源是打开的，则远程合法的用户就可以在约定的时间内完成实验。 2 3 3 系统的实现形式 基于网络的远程实时实验系统的实现形式主要有两种。一种是基于远程控制 北京工业大学工学硕士学位论文 软件( 本实验系统采用的是p c a n y w h e r e 软件) 的远程实时控制系统，另一种是 基于网络适配器的远程实时控制模拟显示实验教学系统。在第一种形式中各种控 制软件基本上都在服务器端，具体包括p c a n y w h e r e 软件的被控制部分，实验台 的控制软件，视频集成控制软件等等。客户端只需要一个p c a n y n e r e 软件的主 控制部分。实验者在远程控制时所使用的软件实际上都是在服务器上，实验者只 是通过p c a n y w h e r e 看到服务器的屏幕并通过鼠标和键盘发送消息到服务器上。 在第二种形式中，并不需要远程控制软件，但各种服务器控制程序都要下载到本 地的客户机上，然后通过一种特殊的网络适配器将远程的实验台与客户机相连， 从而达到远程控制实验台的目的。与此同时，服务器端实验台的运动图像是通过 浏览器上的画面实时模拟而达到的，这样通过网络同样可以远程的控制并监视实 验台的运动。 2 4 基于网络的远程实时实验教学系统的体系结构 基于网络的远程实时实验教学系统的开放性、分布性、实时陛以及可靠性要 求系统建立一个合理的体系结构来指导系统的建立。首先，这个系统要具有高度 的开放性，这样后人才可以在前人的基础上继续进行开发和研究。其次系统的各 个组成部分及相对独立，可以自主的完成相应的任务，又可以与其他部分密切合 作，实现协同工作。在整个系统中存在一个一致的集成框架，负责应用系统集成， 并基于这个框架，进行工作调度并协调管理，从而使物理上分散的系统组成逻辑 上的有机整体。最后系统的实时性和可靠性也要求系统要有一个规范的、系统的、 可靠的体系结构，以保证系统能够及时的、准确的完成操作。基于以上要求。可 以建立如图2 一l 所示的系统的体系结构。结构各层的功能如下p 0 1 ： ( 1 ) 客户界面层：是用户与计算机系统和其他用户进行交流的入口。用户可以 根据各自的应用需求对界面进行定制，体现个性化操作。 ( 2 ) 集成框架层：它是基于网络的远程实时实验教学系统的关键。集成框架层 通过特殊的软件活硬件对系统进行集成，并在此基础上建立用户管理，进程管理 以及信息调度机制等等。界面层的用户是通过集成框架层来实现对各个实验系统 的调用的。 第2 章远程实验教学系统的总体设计 ( 3 ) 实际应用层：为实现系统的各种功能提供多种应用工具，包括实验台控制 工具，视频集成控制工具等，从而形成一个实验工具集，他们在通过界面层向用 图2 1 远程实时实验系统的体系结构 f i g u r e2 1t h ea r c h i t e c t u r eo fr e m o t er e a l t i m ee x p e r i m e n t 户按照权限提供各种服务。 ( 4 ) 数据存储层：包括全局共享数据和本地数据，各种应用通过标准数据访问 接口实现本地数据和远程数据的访问，并通过数据间的约束关联机制保证数据的 致性、完接性和连续性。 ( 5 ) 协议层：协议层规定了访问实验系统中各个物理单元的网络通讯协议，数 据交换标准等等。 ( 6 ) 物理层：物理层也可以称为硬件层。它为基于网络的远程实时实验教学系 统中各种数据的交换与传输以及各种应用系统提供了物理链路和设备，它是一切 实验系统的基础。 该体系结构提出了以快速、廉价的网络集成技术建立适用于 i n t e r n e t i n t r a n e t 的信息集成框架，实现了对实验设备的应用与共享，数据的 远程的传输与控制，而且支持实时的交互式的学习方式以及在线讨论等等。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 本章小结 基于网络的远程实时实验教学系统是一个全新的领域，不论在远程教学中还 是在远程监视与控制技术的研究中，其相应的理论及实际应用水平都还处于刚刚 的发展起步阶段，此方面的研究正在应起越来越多的关注。本章即在讨论基于网 络的远程实时实验教学系统的基本功能基础上，从系统的全局出发，提出了系统 的框架结构并进行了系统的总体设计。 并3 毒趁汪二。j ，垃彰：学系玑：hj 七主茁木蚋卅艽 第3 章远程实时实验教学系统中的监控技术的研究 3 1前言 在传统的服务模式中，特别是设备的维修服务，常常是排除设备的维修工程 师或专家协同客户方解决问题，诊断问题以及排除故障。在这种模式下，不论是 对于生产商及其客户，特别是异地客户来说，都会增加维护和生产的成本。因此 随着计算机技术和通信技术的发展，特别是网络技术的日新月异，为保证处于异 地制造系统的正常生产以及使异地客户对产品满意，远程服务与监测技术就成为 至关重要的技术。由于此实时实验系统将用于远程教学系统中，使用的客户比较 多，而且使用者的水平、能力也各不相同，因此需要建立一个可靠的、高效的并 且合理的监控系统。这样的一个系统主要设计到实验台软件控制部分，实验台软 件监视部分。因此建立这样一个监控系统，是实现基于网络的远程实时实验教学 系统关键步骤之一。 3 2 远程实时实验教学系统中监控系统的功能要求 基于网络的远程实时实验教学系统中的监控系统是采用先迸的、统一的和开 放的系统网络技术，将一个复杂的实时控制的实验平台控制系统远程化，通过网 络传递实时的数据。在i n t e r n e t 或i n t r a n e t 上的实验者通过网络，将各个子功 能模块系统有机的组合起来，并把信息传递到相应的位置上。操作者可以通过系 统的检测模块，及时的发现问题，快速的做出，并对整个系统进行合理的控制， 以达到高效、可靠、实时的系统运行状态【l l 】。因此，基于网络的远程实时实验 教学系统中的监控系统应该具有以下的基本的功能： ( 1 ) 可控制性：可控制性是此系统的最基本也是最主要的基本功能之一。不论 实验者位于网络的任何一端，当发现问题时，都需要及时的做出处理，这也就是 要求系统一定要具有可控制性、