岩石模型研究现状与展望

岩石模型的研究现状与展望XFgaoxiaoceshi一、研究现状1、建立了岩石模型的宏观物理模型岩石模型在理论上是对测试仪器建立“有界无限”的统一模型。在机械工程领域，“机械测试”就是一个“界”，属于这个界内的任何测试功能或仪器都可以集成在这一系统（岩石模型）中。如图1、2所示。

图1“岩石模型”的宏观物理模型

每一个岩石模型中包含着“有界无限”个截面，这些截面的总体包含着N个“有界无限”种测试仪器。

图2“岩石模型”中的一个截面

一个岩石模型的截面内，包含着一类测试仪器的系列仪器产品和一套可以任意添加注入新仪器的开发系统。本图的截面表示机械信号分析系列仪器。

单通道FFT分析仪多通道记忆示波器旋转机械阶比分析仪噪声分析仪音频信号分析仪小波分析仪“岩石”模型岩石模型的一个截面（通过新的开发可注入和添加在截面内新型仪器）开发系统传递相干分析仪2、建立了岩石模型的宏观数学模型

岩石模型中“量”的数学表达式是一个简单的宏观数学模型，如下式所示

式中：M——测试仪器集（MN，N是正整数）D——测试仪器开发系统集（DN，N是正整数）j——“岩石”层数的序号k——“岩石”每层截面上输出的连线部位的序号J——“岩石”的层数，为“有界无限”（足够大）的正整数K——“岩石”的每层截面上输出的连线部位数，为“有界无限”（足够大）的正整数Mj,k——第j层第k位上集成的虚拟测试仪器Dj——第j层上集成的虚拟测试仪器开发系统（每层的开发系统内均含有测试功能库）3、岩石模型的计算机表达…………………………………………………………仪器运行状态：A仪器开发状态：BRock.A_kICVI.A_(k+1)_2ICVI.A_(k+1)_1ICVI.A_(k+1)_nRock.A_(k+1)ICVI.A_1Rock.B_kICVI.B_k_nICVI.B_k_(n+1)Rock.B_(k+1)Rock.B_(k+2)Rock.B_(k+3)岩石模型计算机表达示意图说明

图中所示系统是对智能控件化虚拟仪器开发系统的再次深度集成，包括两种状态：仪器运行状态(A状态)和仪器开发状态(B状态)。A状态与B状态呈镜像关系，即对于A状态中的“岩层”，在B状态中都有一个镜像，且两者具有唯一的连接关系。根据该示意图，可以方便地实现“岩层”分割、“触点创建”及“触点”或“岩层”的清除。4、智能虚拟仪器开发系统的研究

研究意义：充分利用岩石模型大型虚拟仪器库中丰富的资源实现虚拟仪器的自拼搭和自演化，以适应不同场合的测试需要进一步降低虚拟仪器开发的难度智能虚拟仪器开发系统结构模型用户需求智能决策中心

查询接口

资源库

仪器拼搭场

神经网络用户接口规则集资源分类工具查询服务层控件库功能库即用仪器库资源查询工具资源评价工具规则集规则集和神经网络是“岩石”模型智能开发系统的核心。为挖掘拼搭规则，应首先为拼搭实例建立分别建立关系数据库D，其中的项集I={i1,i2,…，in}包括了虚拟仪器中所有功能和控件、某次拼搭实例中某种控件的个数以及仪器的分类信息；然后采用加权规则算法便能从关系数据库中提取规则。

神经网络根据输入信息，神经网络在规则集的指导下从资源库中找到所需的控件和功能，再由仪器拼搭场完成对仪器的构建。随着拼搭经验的积累，神经网络的记忆、联想功能将得到进一步提升，使虚拟仪器实现自演化成为可能。5、信号变换统一模型的建立岩石模型要变得真正具有物理意义，需要对众多测试仪器的功能进行一系列数学建模。如果对这些信号变换的数学模型分别开发，将是非常大的工作量。因此，可以根据冗余思想构造出这些模型的统一模型，再对统一数学模型进行编程，然后让其中的参数分别取不同的值，即可很容易地实现不同的信号变换功能。傅里叶变换、短时傅里叶变换与小波变换正变换的统一模型

式中x(t)表示时域信号，表示与某域有关的变量，称为域参变量，是带有域参变量的时间t的函数，称为域参变量的变换核函数。傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换在信号正变换统一数学模型中各变量和变函数的取值如下表所示。变换名称

傅立叶变换短时傅立叶变换小波变换域参变量个数k

122域参变量变换核函数备注r(t)为窗函数

(t)为母小波式中C称为域参变量调节系数，它主要是由域参变量的选择引起的。变换符号之前加I表示求逆。傅里叶变换、短时傅里叶变换与小波变换逆变换的统一模型傅里叶逆变换、短时傅里叶逆变换和小波逆变换在信号逆变换统一数学模型中各变量和变函数的取值如下表所示。变换名称

傅立叶逆变换短时傅立叶逆变换小波逆变换域参变量个数k

122域参变量变换核函数调节系数C备注r(t)为窗函数

(t)为母小波6、VMIDS3.0系统的研制1)

增加了数字双向功能函数，这类函数一般用在参数设置不可预知或参数之间存在关联的情况下。在3.0版本中作了如下改进：2)

实现了功能的“连续赋予”，使得“赋予”效率得到大大提高，如图3所示。3)

初步实现了“岩层”分割及仪器“触点”的创建，每一“岩层”中的仪器均可用指针方便地调用，如图4所示。图3功能“连续赋予”的实现图4“岩层”的分隔与仪器“触点”的创建岩石模型的初步实现二、研究展望1、VMIDS系统体系结构的研究

岩石模型的载体就是VMIDS系统，但现有系统无法实现仪器功能的共享，这就给岩石模型大型仪器库的开发带来了一定的难度。因此，可以参照DASLab，LabVIEW，BK

等系统，可以在系统中增加以数据为驱动的开发模式。 利用组态技术，便可建立以数据流为中心的模式，从而实现仪器功能的共享和复用。2、可重组的信号处理功能库的建立

主流虚拟仪器开发平台的优势主要体现在功能库的规模及功能重组和复用上，因此，在岩石模型中建立可重组的大型信号处理功能库是很有必要的。根据实际需要，可以考虑开发如下信号处理功能库：基本信号处理功能库；数学处理功能库；时频分析功能库；小波变换功能库。

根据这些基本功能库，还可以组建出用户定制的仪器功能，这就使用户的参与性更多体现在对基本功能的“拼搭组合”上，即实现功能组态，从而避免了烦琐的程序开发。3、可复用数据管理模块的建立

参照其它系统，我们可以为VMIDS系统提供各种特定的采集卡和信号调理器，并建立相应的数据管理模块，从而避免了用户与底层硬件打交道，提高了仪器的开发效率，并方便了开发系统对采集数据进行统一管理。数据管理模块应能实现数据采集和数据回放，以及管理仪器功能需要用到的数据，实现数据透明。对于使用串口或并口来进行数据采集的设备也可以建立相应的数据获取模块。

可以采用组态技术来构建该模块，即实现数据组态。4、控件库的改造

由于每个控件都有各自的功能赋予、属性设置页面，这就会给开发系统带来资源消耗，因此，可以从具体控件中剥离出这两部分，建立可复用功能赋予模块和控件物理属性设置模块，然后交由系统统一管理，从而实现大粒度复用，并提高了用户参与的方便性及系统的运行效率。另外，可以根据控件特点，将几类功能相似的控件合并为一大类控件。5、智能虚拟显示器的优化

显示器是一类非常特殊的控件，它具有“即插即用”性，但是，由于它集成了所有的显示模式，因此占用了许多系统资源，从而影响系统的运行效率。因此，可根据需要将显示器拆分为一些具有特定显示模式的显示器。例如，在不需要3D显示的情况下，可以提供仅具有2D显示模式的显示器。显示器还应提供更多的接口函数，以满足用户特定显示方式的需要。6、分合技术的研究

由于岩石模型中测试仪器和功能的数目是十分巨大的，需要对它们进行分类，然后有序地集成至相应的“岩层”中，即“分合技术”。

分类方式可以采用刻面分类。基于岩石模型的刻面分类方法是由一系列描述岩层本质特征的刻面组成，每个刻面从不同角度对岩层和岩层中的仪器及功能进行分类。刻面由一组术语构成，术语之间具有一般/特殊关系，形成结构化的术语空间。在岩石模型中进行刻面分类，有利于仪器和测试功能的深度集成，并且便于用户快速检索。7、集成制造通信协议的研究

岩石模型是一个极端复杂仪器系统，存在大量的信息交互，因此必须对测试仪器集成制造的通信协议进行研究。由于控件、功能、仪器、岩层之间的关系是复杂的网络结构，因此需要研究高效可靠的信息路由方法、测试校验方法和信息传递错误的处理机制，以保证“有界无限”仪器系统的可靠性和运行效率。8、网络化接口的研究

随着网络技术的发展和Internet的普及，测试技术网络化成为大势所趋。对于一个复杂的测试系统而言，系统的测量、输入、输出和结果分析往往分布在不同的地理位置，通过网络实现对被测对象的测试与控制具有十分重要的意义。将数据采集设备，信号调理器，测试仪器等用网络连接起来便构成了一台网络化虚拟仪器。因此，在岩石模型虚拟仪器开发系统中，可以提供一定的网络接口，从而使得用户不必去学习复杂的TCP/IP传输协议，便能轻松的组建网络化虚拟仪器。

9、与其它系统交互性的研究

在LabVIEW、Matlab等系统中均提供了与其它系统的交互接口。为了提高岩石模型虚拟仪器系统的开放性，可以在VMIDS开发系统中提供与其他系统交互的接口，实现数据共享及部分功能共享，从而极大的扩展系统的功能库。主要研究与LabVIEW系统、DASYLab系统和