虛擬實驗室建設(shè)

項目研究總述實驗是科學(xué)研究的重要手段，在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，大大小小的實驗室遍布全球各地的科研院所、企業(yè)和學(xué)校。傳統(tǒng)的實驗離不開實驗器材、實驗設(shè)備和原材料等實驗用品，它已經(jīng)不能完全滿足實驗工作者的需求。1.1虛擬實驗室與虛擬實驗技術(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展，為實驗科學(xué)提供了一種新的研究方法一虛擬實驗室。虛擬實驗室(VirtualLaboratory，VL)，最早在1989年由美國UniversityofVirginia的WilliamWolf教授提出，其初衷是為了方便不同實驗室中的科研人員共享彼此的數(shù)據(jù)、儀器，并能交流思想和進行遠(yuǎn)程合作。近年來，由于虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建虛擬實驗室成為可能。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的實現(xiàn)基礎(chǔ)是多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和儀器技術(shù)的結(jié)合，同時虛擬儀器技術(shù)與認(rèn)知模擬方法的結(jié)合也賦予了虛擬實驗室智能化的特征。現(xiàn)在世界上許多國家已經(jīng)在虛擬實驗室的研究上加大投入，以美國為例:1991年底，美國國家科學(xué)基金會(NSF)美國國家科學(xué)研究顧問委員會所屬的計算機與遠(yuǎn)程通信部組成了“全國(科學(xué))合作實驗室委員會”，此后，美國聯(lián)邦政府投入資金在海洋學(xué)、天體物理學(xué)和分子生物學(xué)三大領(lǐng)域建造了各自的虛擬實驗室。此外，1998-2006年間，NFS資助了多個虛擬實驗室研究項目，最多的投資達(dá)到4億美元，比較少的也有一兩百萬美元。目前，虛擬實驗室已經(jīng)對科學(xué)研究、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域產(chǎn)生了越來越重要的影響，因此對于虛擬實驗室的研究具有廣闊的應(yīng)用前景。虛擬實驗是隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的進步而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗?zāi)Ｊ健５趯嶒灥谋倔w逼真性和應(yīng)用普適性，以及在給予實驗者現(xiàn)場實時感受和實驗效果等方面，傳統(tǒng)的計算機模擬實驗是根本無法相比的。虛擬實驗主要依托的技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，實際上是計算機科學(xué)與技術(shù)的延伸。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠生成實時的、具有三維信息的人工虛擬環(huán)境，操作人員進入其中，產(chǎn)生逼真的身臨其境感，并像在真實世界中一樣地與該環(huán)境進行實時操縱和相互交流。虛擬儀器技術(shù)使計算機成為全能的電子儀器，利用現(xiàn)代計算機強大的圖形環(huán)境，建立界面友好的虛擬儀器，操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器運行，完成對被測對象的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。實驗教學(xué)相對于理論教學(xué)而言更具有直觀性、實踐性和創(chuàng)新性，他是許多學(xué)科特別是理工科教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)之一。實驗教學(xué)在加強學(xué)生素質(zhì)教育與培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面起著重要的、不可替代的作用。因此，我們需要通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實驗儀器設(shè)備資源共享的一種技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)運而生，虛擬實驗一般是通過虛擬實驗室而進行的，利用網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳送、處理和控制的遠(yuǎn)程實驗。虛擬實驗室是今后的遠(yuǎn)程教育發(fā)展主流的必要成份，將遠(yuǎn)程教育提升到更高的層次上。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗就是在WEB中創(chuàng)建出一個可視化的三維環(huán)境，通過鼠標(biāo)的點擊以及拖拽操作，用戶可以進行虛擬的實驗，其中每一個可視化的三維物體代表一種實驗對象。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)的基礎(chǔ)是多媒體計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與儀器技術(shù)的結(jié)合，包括相應(yīng)實驗室環(huán)境、有關(guān)的實驗儀器設(shè)備、實驗對象以及實驗信息資源等。無論是學(xué)生還是教師，都可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗。不但為實驗類課程的教學(xué)改革及遠(yuǎn)程教育提供了條件和技術(shù)支持，還可以隨時為學(xué)生提供更多、更新、更好的儀器。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，訪問者只要擁有一臺連接到Internet的電腦就可以不受時間、地域的限制操作實驗，達(dá)到所謂的隨時隨地做實驗的目的。它對提高教學(xué)水平具有很大的促進作用。它的產(chǎn)生向人們展示了信息時代一種全新的教育方式和科學(xué)研究方式。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的出現(xiàn)，使遠(yuǎn)程教育更趨完善，也使遠(yuǎn)程教育成為真正的“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)”。1.2網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬實驗室(Virtuallaboratory)概念，最早在1989年由美國的WilliamWolf教授提出，用來描述一個計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境。美國國家研究委員會定義為［10］：虛擬實驗室是一個無墻的中心。研究人員能在其中從事科學(xué)研究和工程設(shè)計，不必顧及地理位置的限制，實現(xiàn)同行間、同事間的互動；共享儀器、設(shè)備、數(shù)據(jù)、計算資源以及數(shù)字圖書館的信息。該定義強調(diào)三個方面的問題:一是現(xiàn)代實驗室應(yīng)當(dāng)是一個無墻的中心，這個中心可以有邏輯上的限制，但沒有物理空間的限制，其基礎(chǔ)是Internet；二是協(xié)同工作環(huán)境；三是充分地實現(xiàn)資源共享。虛擬實驗室概念的提出至今僅為十多年的時間，但因其廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外有很多組織都已經(jīng)開展了虛擬實驗系統(tǒng)的研究和建設(shè)工作，特別是在國外一些著名的大學(xué)，已有較多建好并投入使用的虛擬實驗系統(tǒng)，涵蓋了計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)學(xué)、人工智能1］、生命科學(xué)⑵、化學(xué)［3］、物理、生物工程［4］［5］［6］通訊、3DCAD、圖形圖像、農(nóng)業(yè)科學(xué)等教學(xué)、科研領(lǐng)域。VSL(VirtualSystemsLaboratory，簡稱VSL)虛擬系統(tǒng)實驗室，始建于1989年，由GentralFlorida大學(xué)教育訓(xùn)練研究院建立，其目標(biāo)旨在提高計算機圖形的藝術(shù)表現(xiàn)力以及改進仿真過程中的人機接口設(shè)計；美國巴爾的摩(Baltimore)約翰霍普金斯大學(xué)(JohnsHopkinsUniversity)的化學(xué)工程系的卡爾威教授(ProfessorMichaelKuwait)在網(wǎng)絡(luò)上建立了一個“虛擬實驗室”，在計算機上模擬各種實驗，讓化學(xué)工程系的學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)來做實驗，嘗試解決工程上遇到的各種問題；德國的漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動化實驗室；西班牙大學(xué)電子系開發(fā)了電子儀器虛擬工作平臺；意大利帕瓦多大學(xué)建立了遠(yuǎn)程虛擬教育實驗室；新加坡國立大學(xué)開發(fā)了遠(yuǎn)程示波器實驗和壓力容器實驗。此外，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室還在諸多領(lǐng)域上得到應(yīng)用，如美國實施的VisibleHuman計劃，就是通過將一具尸體進行固化處理，再用特制的機器將其切成極薄的薄片，然后將這些薄片通過掃描儀輸入計算機，再通過三維重建算法構(gòu)成三維人體圖像，這樣就將一個真正的人體顯示在計算機屏幕上，并且可以在屏幕上進行旋轉(zhuǎn)、剖切等操作，醫(yī)學(xué)人員就可以在計算機上進行人體解剖教學(xué)、虛擬手術(shù)等。與西方發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)在虛擬實驗方面開展的工作還不多，但目前虛擬實驗室的建設(shè)也得到了應(yīng)有的重視，己有部分高校初步建立了虛擬實驗室。例如：清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了網(wǎng)上虛擬土壤作物系統(tǒng)實驗室，應(yīng)用計算機模擬植物在三維空間中的生長發(fā)育狀況，探討虛擬植物模型在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問題；華中理工大學(xué)機械學(xué)院建立了一個工程測試虛擬實驗室，學(xué)生可以通過聯(lián)網(wǎng)計算機終端來進行仿真實驗，圖像處理研究室設(shè)計了數(shù)字圖像處理虛擬實驗室；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人工智能與計算機應(yīng)用研究室最新研制出我國第一套虛擬現(xiàn)實教學(xué)軟件“幾何光學(xué)實驗設(shè)計平臺'。該系統(tǒng)完成了光學(xué)虛擬實驗室的設(shè)計，通過實驗所提供的一系列光學(xué)儀器，學(xué)生可以基本上完成所有的單透鏡實驗和組合透鏡實驗，并且提供了完整的文檔和習(xí)題系統(tǒng)。1.3構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的必要性和意義隨著我國高等教育體制的深化改革以及招生規(guī)模的不斷擴大，學(xué)生規(guī)模急劇膨脹的普通高等院校普遍陷入了實驗教學(xué)的困境。特別是一般工科院校、民辦院校，由于底子薄、基礎(chǔ)差、經(jīng)費緊張，實驗室建設(shè)規(guī)模嚴(yán)重滯后于迅速膨脹的學(xué)生規(guī)模。如果仍然采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，那么不僅要耗費巨額資金來擴大實驗室的建設(shè)規(guī)模、增添大量的儀器設(shè)備，而且也要擴大實驗管理人員以加強實驗管理環(huán)節(jié)，盡量避免儀器設(shè)備磨損造成的經(jīng)濟損失，保證實驗教學(xué)秩序良好進行。然而元器件的消耗是不可避免的，這巨大的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)對于目前各高校的經(jīng)濟實力來說都是難以承擔(dān)的。就目前我國高校的普遍經(jīng)濟狀況，想通過擴大實驗室的規(guī)模、增添大量儀器設(shè)備來滿足傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，一般是難以實現(xiàn)的。目前學(xué)生難以走進實驗室的狀況主要有兩個原因：一是學(xué)校實驗經(jīng)費的不足造成實驗場地、儀器設(shè)備嚴(yán)重缺乏；另一個原因是學(xué)校實驗場地空間有限，不能滿足所有學(xué)生和科研人員進入實驗室進行實驗，嚴(yán)重影響了他們的學(xué)習(xí)和研究。必須對實驗教學(xué)進行全面徹底改革，改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式迫在眉睫。因此，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室應(yīng)運而生，為實驗教學(xué)提供了一種新的解決方法。我們產(chǎn)生了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)想，即用軟件代替硬件，用編程模擬實驗的全過程。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗將大大簡化實驗的操作過程，節(jié)省實驗中各種儀器的使用費用，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的電子化，打破了傳統(tǒng)實驗室在地域空間和時間上的約束。虛擬儀器技術(shù)與認(rèn)知模擬方法的結(jié)合也賦予虛擬實驗室的智能化特性，無論是學(xué)生還是科研人員，都可以自由進入虛擬實驗室操作虛擬儀器，不但為實驗類課程的教學(xué)改革及遠(yuǎn)程教育提供了條件和技術(shù)支持，還可以隨時為學(xué)生提供更多、更新、更好的儀器。與現(xiàn)實的實驗室相比，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室具有許多優(yōu)勢和特點，決定了它在科研、教育中良好的應(yīng)用前景。歸納起來有下面幾個：1） 開放性。虛擬實驗可以徹底打破空間的限制，在任何地點任何時間里給任何實驗者提供賴以學(xué)習(xí)、工作和研究的實驗場所的虛擬實驗室，縮短實驗周期，更利于科學(xué)研究的進行。2） 經(jīng)濟性。傳統(tǒng)實驗需要借助于具體的實驗設(shè)備，一些實驗設(shè)備價格昂貴，損耗大，實驗成本高，這對于實驗經(jīng)費不足的地方院校來說，是難以承受的；而網(wǎng)絡(luò)中的虛擬設(shè)備不存在磨損、破壞問題，可反復(fù)使用，既滿足了教學(xué)要求，又能節(jié)省實驗經(jīng)費、提高辦學(xué)效益。3） 交互性。在虛擬實驗中實驗者可以根據(jù)自身的需要利用虛擬實驗室提供的虛擬器件搭建、設(shè)計具體實驗，同時在實驗中提供控制手段來控制實驗的進程并對實驗者的操作提供反饋信息。4） 重用性。就是要使虛擬實驗室盡量采用組件的設(shè)計思想做到易擴充、易維護。用戶可以根據(jù)自己的實驗需要構(gòu)造新的實驗?zāi)K、添加新的實驗儀器或在已有的功能模塊的基礎(chǔ)上用改進、組合或混合方法構(gòu)建新的模塊。5） 安全性。一些危險性比較高的實驗，若操作者一時疏忽，很容易對其造成嚴(yán)重危害，比如化學(xué)實驗、醫(yī)療實驗等。而在網(wǎng)絡(luò)上進行虛擬實驗卻毫無危險。對有毒有害、污染環(huán)境和破壞性實驗，也可在虛擬實驗室內(nèi)完成。6） 抗干擾性?？梢员苊庥布嶒瀻淼呐c實驗?zāi)康臒o關(guān)的干擾，如接觸不良、儀器故障等所造成的影響；總的來講，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗通過計算機網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)教育資源的共享，某一學(xué)科的先進實驗條件可以被校內(nèi)外的各學(xué)科使用，從而可能節(jié)省大量實驗設(shè)施的重復(fù)投資，有利于從整體上改善國內(nèi)的辦學(xué)條件和提高實驗教學(xué)水平。1.4虛擬實驗室技術(shù)分類1.4.1純軟件仿真形式的虛擬實驗室這類虛擬實驗室是利用軟件來模擬實驗的全過程，不涉及具體的實驗儀器硬件設(shè)備，也可稱為仿真虛擬實驗室。與獨立運行的單機仿真軟件相比，這類虛擬實驗室可以通過網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)布，其所有內(nèi)容都集中在服務(wù)器上，便于集中管理。開發(fā)者可以方便地添加新實驗、收集用戶的反饋信息，及時更新、完善實驗內(nèi)容，對用戶使用中存在的問題也可以及時地予以解決使用者無需安裝這些開發(fā)軟件，只需擁有一臺可以連接到網(wǎng)站的電腦即可。由于該類虛擬實驗室是純軟件仿真，因此它的物理結(jié)構(gòu)十分簡單，系統(tǒng)開發(fā)所需的全部硬件設(shè)備就是一臺連接到Internet的服務(wù)器。1、實驗界面與仿真算法獨立這種形式的虛擬實驗室是把仿真代碼放在服務(wù)器端，客戶進行實驗時，只運行實驗的操作界面程序，通過通信程序與服務(wù)器保持連接，實時地發(fā)送參數(shù)信息、接收仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。由于仿真過程在服務(wù)器端進行，當(dāng)訪問的用戶數(shù)量逐漸增加時，服務(wù)器的負(fù)擔(dān)也隨之加重，因此需要對同時訪問的用戶數(shù)進行限制。這類實驗通常采用Matlab/Simulink等具有強大計算能力的軟件作為計算引擎，用Java等網(wǎng)絡(luò)功能強、界面編程方便、可移植性好的網(wǎng)絡(luò)編程語言作為數(shù)據(jù)通信、實驗操作界面以及實驗管理界面的開發(fā)工具。這類實驗室的優(yōu)越性在于實驗界面與仿真算法獨立，二者可以根據(jù)各種開發(fā)工具的優(yōu)勢分別進行選擇，從而方便而快捷地開發(fā)出各種界面友好、仿真算法復(fù)雜的實驗。愛丁堡大學(xué)的虛擬控制實驗室［f2l就采用這種結(jié)構(gòu)，該實驗室為大學(xué)生演示過程控制的基本概念，包括幾個典型實驗，每一個實驗都帶有一些理論描述和真實設(shè)備的圖片。學(xué)生可以輸入?yún)?shù)并仿真閉環(huán)系統(tǒng)，仿真結(jié)果可以以圖像或數(shù)據(jù)的形式反饋給學(xué)生。2、實驗界面集成仿真算法與前一類實驗室相比，這種形式的虛擬實驗室實驗界面與仿真算法結(jié)合在一起，都在客戶端運行。在仿真過程中，客戶端不需要與服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)交換，因此，相當(dāng)于獨立運行的單機仿真實驗。這類實驗通常不能直接運行，需要用戶安裝各種插件，普及推廣存在一定的難度。在這種實驗方式中，目前較常采用的一種開發(fā)方式是把用Javaapplet編寫的實驗（包括實驗界面和仿真算法）嵌入到網(wǎng)頁中。通過這種方法，用戶端只需一個集成Java虛擬機的瀏覽器即可運行仿真，但編程的難度較大，因為用Java編寫實驗仿真算法并不是一件容易的事，尤其是大型實驗的開發(fā)。例如，用Java開發(fā)二級倒立擺的非線性仿真模型就非常困難，即使開發(fā)出來也會得不償失，浪費太多的時間與精力;相反，如果使用現(xiàn)有的專業(yè)軟件（如Matlab中的Simulink）來建立這一模型，則簡單容易得多。因此，這種方式常被用來開發(fā)一些相對簡單的、交互程度要求不高的演示性實驗。如Goodwin主編的《ControlSystemDesign》一書附帶的教學(xué)光盤及教學(xué)網(wǎng)站中的演示實驗就是用純Javaapplet開發(fā)的。又如JohnsHopkins大學(xué)為了配合“什么是工程”這門課的學(xué)習(xí)而開設(shè)的“虛擬實驗室”網(wǎng)站，也是由一些用Javaapplet開發(fā)的演示型實驗組成的。1.4.2直接操作遠(yuǎn)程實驗室實驗的虛擬實驗室這類實驗通常具有視頻和音頻反饋，使用者可以耳聞目睹遠(yuǎn)程實驗的運行過程，還可以遠(yuǎn)程操縱實驗室實驗，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，觀察結(jié)果，驗證算法。調(diào)查表明，這種方式的遠(yuǎn)程教育不但有效地利用了有限的實驗室資源，而且收到了較好的效果，是目前虛擬實驗室研究開發(fā)的一個重要方向。這類實驗室與前面介紹的實驗室最大的區(qū)別在于，它是直接控制遠(yuǎn)程實驗室實驗設(shè)備的運行，其中的實驗?zāi)Ｐ褪钦鎸嵉膶嶒炘O(shè)備。因此，這類實驗一次只允許一個用戶進行實驗（但可以有多人觀看）。為了保證這一點，以及為了方便地擴充新實驗，這類實驗室中比較典型的一種硬件結(jié)構(gòu)是“雙客戶一服務(wù)器”結(jié)構(gòu)。新加坡國立大學(xué)的遠(yuǎn)程控制實驗室網(wǎng)站就是采用這種結(jié)構(gòu)的典型例子。他們己經(jīng)開發(fā)了六個基于Web的遠(yuǎn)程實驗，如“帶禍合的水槽設(shè)備控制實驗”不僅能夠使學(xué)生應(yīng)用各種控制方法（包括手動控制、PID控制、廣義的狀態(tài)空間控制和模糊邏輯控制）完成實驗任務(wù)，而且為研究人員測試控制算法提供了一個實驗平臺。通過使用MicrosoftNetmeeting，實驗室還提供了視頻會話系統(tǒng)，使用者可以一邊調(diào)整參數(shù)一邊觀看實驗的真實運行過程。美國的TennesseeatChattanooga大學(xué)的JimHenry設(shè)計的網(wǎng)上工程實驗室提供了一系列遠(yuǎn)程控制實驗，如壓力控制、液面控制、溫度控制、速度控制實驗等。這個遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)是由一臺Web服務(wù)器和五臺客戶機構(gòu)成的。每臺客戶機上都運行用LabVIEW編寫的軟件，并與一套實際的實驗設(shè)備相連。當(dāng)通過Internet訪問Web服務(wù)器時，首先用戶需要選擇控制參數(shù)，然后Web服務(wù)器把這些參數(shù)寫入文件傳送給相應(yīng)的客戶機?？蛻魴C收到這些參數(shù)后，通過數(shù)據(jù)采集卡來控制相連的實驗設(shè)備完成實驗，并把實驗數(shù)據(jù)返回給Web服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成實驗結(jié)果圖反饋給用戶。在國內(nèi)，對虛擬實驗室的研究還處于起步階段，以上提到的兩類虛擬實驗室都有部分高校進行了相關(guān)研究：由北京大學(xué)計算機學(xué)院設(shè)計的網(wǎng)上虛擬實驗室3WNVLAB是一個基于瀏覽器和WEB服務(wù)器，支持大計算量的交互式虛擬實驗室。在該系統(tǒng)中，用戶平臺采用Java編寫，用戶可通過界面選擇實驗種類，并將用戶的實驗信息通過Internet傳送到服務(wù)器端。服務(wù)器端是虛擬實驗室的核心，用來完成客戶端要求的實驗內(nèi)容，并將實驗結(jié)果反饋給客戶端。該系統(tǒng)己經(jīng)初步實現(xiàn)了CACHE設(shè)計與流水線設(shè)計兩個實驗。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理虛擬實驗室把虛擬實驗用在教學(xué)演示與物理實驗方面，它用計算機制作的虛擬智能儀器代替價格昂貴、操作復(fù)雜、容易損壞、維修困難的實驗儀器，具有操作簡便、效果真實、物理圖像清晰、著重突出物理實驗設(shè)計思想的特點。早在2001年，華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系CCMS實驗中心在江建軍教授的帶領(lǐng)下，依托本系專業(yè)優(yōu)勢，組織優(yōu)秀研究生、本科生開發(fā)團隊，借助美國國家儀器公司（NationalInstruments，簡稱NI）軟硬件設(shè)備和技術(shù)的大力支持，開發(fā)面向?qū)W生的教學(xué)實驗室和面向科研的儀器共享實驗室。VI聯(lián)合實驗室網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗分為三大模塊:仿真實驗平臺、在線專業(yè)實驗平臺、主動驗證型實驗及自主設(shè)計型實驗（VI-1508系列）。交通大學(xué)電子信息學(xué)院研制了一套機器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于C/S模式的遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)了對機器人的運動控制及產(chǎn)品加工控制。由于帶寬的限制，該系統(tǒng)主要用于局域網(wǎng)的遠(yuǎn)程實現(xiàn)。此外，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等也建立了虛擬實驗室，方便學(xué)生學(xué)習(xí)或者用于科學(xué)研究。以上研究都致力于讓用戶在虛擬實驗室或在互聯(lián)網(wǎng)上進行模擬實驗。目前，虛擬實驗室正朝著網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、逼真化的方向發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗室有從本地化向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢，這樣促進了資源共享，信息交流，避免了虛擬實驗室的重復(fù)建設(shè)。同時，虛擬實驗室將會普及到各專業(yè)，技術(shù)含量會越來越高，從而更加專業(yè)化。軟件技術(shù)的快速發(fā)展將使虛擬實驗室更加逼真，交互性更強，實驗內(nèi)容更加精彩。1.5粉末冶金虛擬實驗室項目研究意義粉末冶金國家重點實驗室在中南大學(xué)，距離山東較遠(yuǎn)。省內(nèi)高校在粉末冶金基礎(chǔ)研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面雖然有一定實力，但目前尚無重點實驗室。萊蕪作為全國重要的鋼鐵生產(chǎn)及深加工基地、國家新材料產(chǎn)業(yè)化基地，在粉末冶金材料生產(chǎn)和出口方面具有良好的發(fā)展環(huán)境、雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)及一定的技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢。在萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院建設(shè)粉末冶金山東省重點實驗室具有地域和資源優(yōu)勢。萊蕪市從事粉末生產(chǎn)及制品的企業(yè)有50余家，制粉、制件生產(chǎn)能力分別達(dá)到10萬噸、10000噸，鋼鐵粉末產(chǎn)量居全國首位。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從還原鐵粉、水霧化純鐵粉、水霧化合金粉、無偏析混合粉、預(yù)擴散合金粉到正時齒輪、同步器齒轂等系列制品，廣泛用于轎車、機械、電動工具、家用電器等領(lǐng)域。到“十一五”末，我市粉末冶金制粉產(chǎn)量將達(dá)到15萬噸/年，粉末冶金制品產(chǎn)量達(dá)到3萬噸/年，粉末冶金產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景和發(fā)展空間。目前，萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司、萊蕪新藝粉末冶金制品有限公司等單位已經(jīng)分別建成了粉末冶金制粉及制品省級工程技術(shù)中心以及多家企業(yè)工程技術(shù)中心，對粉末冶金新技術(shù)、新材料成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化有迫切的需求。因此，利用本地區(qū)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和高校的人才優(yōu)勢及實驗設(shè)備優(yōu)勢，在我院粉末冶金檢測技術(shù)中心基礎(chǔ)上建設(shè)粉末冶金山東省重點實驗室，可以充分實現(xiàn)高校與企業(yè)的優(yōu)勢互補、強勢產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，加快人才培養(yǎng)與成果轉(zhuǎn)化的力度，使高校和企業(yè)實現(xiàn)在人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化等方面的集群式發(fā)展，實現(xiàn)高校和企業(yè)社會效益和經(jīng)濟效益的雙贏都具有重要而現(xiàn)實的意義。萊蕪市粉末冶金實驗室依托“萊蕪市粉末冶金檢測技術(shù)中心”進行建設(shè)。經(jīng)過近五年的努力，該檢測中心已經(jīng)基本建設(shè)完成，中心現(xiàn)占地面積1000m2，位于萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院新校區(qū)?，F(xiàn)有100噸壓機、高溫氫氣保護燒結(jié)爐、高溫箱式電阻爐、電子天平、耐磨試驗機、硬度測量機、沖擊韌性試驗機、高能行星球磨機、25KW熱壓機、金剛石硬度測試儀等基本試驗設(shè)備及中試生產(chǎn)設(shè)備。09年6月正式組建粉末冶金學(xué)院，在原粉末冶金檢測技術(shù)中心基礎(chǔ)上重點圍繞建設(shè)山東省重點實驗室開展工作，完善了材料化學(xué)實驗室、X衍射儀實驗室、粉末冶金工藝實驗室、金相實驗室、粉末冶金模具CAD/CAM研發(fā)中心（數(shù)控加工綜合實訓(xùn)中心）等基礎(chǔ)實驗室。在此基礎(chǔ)上形成了以高性能鐵基粉末冶金制品開發(fā)、預(yù)擴散合金粉制備技術(shù)與工藝、金屬基復(fù)合材料、超硬材料表面改性、粉末冶金模具CAD/CAM技術(shù)等為主的研究方向，形成了以優(yōu)秀中青年為主體的科研隊伍，建立了產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的基地，樹立了“拼搏、創(chuàng)新、嚴(yán)謹(jǐn)、求實”的學(xué)風(fēng)和自己的學(xué)科特點，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的專業(yè)人才，使中心成為我省粉末冶金技術(shù)的科研中心和高層次應(yīng)用型人才的培訓(xùn)基地。實驗環(huán)節(jié)在大學(xué)理工科教育中占有非常重要的地位，是提高學(xué)生動手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一個有效的手段，很多學(xué)科都是以實驗課程為基礎(chǔ)的，缺少了實驗的支持，工科學(xué)科的教學(xué)和科研活動就無法進行。學(xué)生只有通過足夠的驗證型實驗和一定數(shù)量的綜合設(shè)計型實驗才能加深理解和掌握所學(xué)的理論知識和應(yīng)用技術(shù)，也只有通過實驗，才能將理論與實踐很好地結(jié)合起來。傳統(tǒng)的實驗室是資源高度密集的實驗系統(tǒng)，具有實驗設(shè)備資金投入量大、實驗體系的完善和實驗教學(xué)的實施所需人力物力投入量大的特點。目前，隨著招生規(guī)模的不斷擴大，國內(nèi)普通高等院校急需補充和更新大量的實驗教學(xué)設(shè)備，這一現(xiàn)實問題無法在很短的時間內(nèi)得到很好的解決。而虛擬實驗室系統(tǒng)主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實驗室的維護費用和工作量也大大降低，彌補了傳統(tǒng)實驗室這方面的不足。利用工nternet進行虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置和資源浪費，滿足了客戶不再受時間、地點限制進行遠(yuǎn)程的實時合作，提高了客戶的學(xué)習(xí)效果。目前國外還未見大規(guī)模成功應(yīng)用的實例，也未形成國際通用的標(biāo)準(zhǔn)而國內(nèi)出現(xiàn)的虛擬實驗室都或多或少地存在著通用性較差、靈活性不強、交互性差的問題。因此，研究和開發(fā)通用性強、交互性能好、靈活性強的虛擬實驗室具有相當(dāng)?shù)睦碚搩r值和實際應(yīng)用價值。1.6本課題的主要內(nèi)容本課題是針對目前高校中的實驗資源緊張這一現(xiàn)實狀況，利用虛擬實驗室構(gòu)建技術(shù)，結(jié)合萊蕪職業(yè)學(xué)院粉末冶金實驗室的虛擬實驗室建設(shè)項目而開展研究工作的。運用仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建一個智能化的虛擬實驗室。本課題從實驗技術(shù)入手，不但是一個完整的實驗系統(tǒng)，也是一個引導(dǎo)性的研究。其總體目標(biāo)是設(shè)計實現(xiàn)一個互聯(lián)網(wǎng)上的虛擬實驗室環(huán)境，讓學(xué)生在網(wǎng)上虛擬的實驗室平臺上作實驗，使他們深入了解粉末冶金技術(shù)專業(yè)的實驗原理、檢測技術(shù)以及相關(guān)實驗知識，并提高了學(xué)生的實踐能力。本虛擬實驗室能實現(xiàn)從輔助教學(xué)、自主實驗到實驗報告的網(wǎng)上提交與批閱的全程操作與管理，完成實驗教學(xué)的基本內(nèi)容，具有開放、安全、經(jīng)濟、更新快等優(yōu)點，使實驗教學(xué)方法和手段得到突破與創(chuàng)新。采用控件技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的方法，在NET集成開發(fā)環(huán)境下，利用C#等編程語言編寫仿真控制平臺，以Browser/Server為體系結(jié)構(gòu)，并以TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，構(gòu)建了一個計算機接口技術(shù)虛擬實驗室系統(tǒng)。使用者只需通過網(wǎng)絡(luò)對此框架內(nèi)的虛擬物體進行動態(tài)地拖曳、旋轉(zhuǎn)、縮放等動作，就可隨時隨地進行計算機接口技術(shù)的系列課程實驗。虛擬計算機接口技術(shù)實驗室具有可視化、交互性、資源共享、安全性等特點和仿真的實驗環(huán)境，它符合遠(yuǎn)程教育對實驗教學(xué)的要求；它營造了一個逼真的實驗環(huán)境和強大的交互功能，使實驗可以取得真實的結(jié)果。本課題的研究內(nèi)容主要包括如下幾個方面：1） 擬提出一套全新的構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的方法及技術(shù)解決方案；2） 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的要求，對Browser/Server和Client/Server兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點進行分析和比較，并選擇一種比較適合的模式。3） 對實現(xiàn)基于Web的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室所需要的各種關(guān)鍵技術(shù)和軟件工具：虛擬儀器技術(shù)、.NET技術(shù)、WEB服務(wù)器設(shè)計技術(shù)、WEB數(shù)據(jù)庫技術(shù)、WEB基本協(xié)議等技術(shù)進行研究。4） 粉末冶金虛擬實驗室實例的設(shè)計。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的設(shè)計原則與目標(biāo)，通過對系統(tǒng)的功能、模塊、系統(tǒng)流程等進行了分析，并以水霧化制粉實驗、力學(xué)實驗、金相實驗為例，完成對網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)的開發(fā)。虛擬實驗室基本構(gòu)建在現(xiàn)有基礎(chǔ)下，粉末冶金虛擬實驗室擬重點建設(shè)以下幾個實驗室：水霧化制粉、制品壓制燒結(jié)、力學(xué)檢測、金相檢驗、材料化學(xué)、X衍射檢測等五個實驗室。2.1水霧化制粉水霧化鋼鐵粉末的生產(chǎn)是用高壓水將熔融的鋼液在霧化器內(nèi)切斷、分散、裂化而成為微小液滴，再經(jīng)脫水、烘干、篩分、生粉高溫還原、粉餅破碎、篩分、合批等工序精制而成。用該種方法生產(chǎn)水霧化鐵粉始于二十世紀(jì)六十年代中期，美國A.0史密斯公司用高壓水霧化技術(shù)霧化低碳鋼液生產(chǎn)低碳鋼粉。由于用該種方法生產(chǎn)的粉末顆粒具有內(nèi)部密實、純度高、易于合金化等優(yōu)勢引起粉末冶金界極大重視。但是，由于該種水霧化原生粉末的松裝密度大、粉末表面光滑導(dǎo)致粉末成形性差，粉末生坯強度低，應(yīng)用上存在困難，致使用高壓水霧化技術(shù)生產(chǎn)的水霧化鐵粉推廣應(yīng)用受到限制。到七十年代初期，德國曼內(nèi)斯曼采用高溫還原工藝，使水霧化鐵粉在高溫還原狀態(tài)下產(chǎn)生局部燒結(jié)，改善了粉末顆粒形狀，這一重大技術(shù)進步生產(chǎn)出了雜質(zhì)含量低、壓縮性高、成形性好的水霧化鐵粉，用其制造的粉末冶金零件的密度、強度、形狀復(fù)雜性都上了新臺階，為汽車使用高密度、高強度、高精度、形狀復(fù)雜的粉末冶金件奠定了基礎(chǔ)，由此，也使水霧化制取鐵粉生產(chǎn)技術(shù)得到推廣應(yīng)用并迅猛發(fā)展。2.1.1水霧化法生產(chǎn)鐵粉的優(yōu)勢工序流程短，生產(chǎn)效率高，適于規(guī)模化生產(chǎn)；可以用廉價原料（廢鋼）生產(chǎn)成份純度高、組織均勻且工藝性能好的高附加值優(yōu)質(zhì)粉末；用水霧化法生產(chǎn)的水霧化純鐵粉顆粒形狀大小和粒度分布等均可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。用水霧化法生產(chǎn)的純鐵粉不僅壓縮性值高、化學(xué)純凈度高，而且能用于生產(chǎn)高密度、高強度、高尺寸精度和耐磨、耐蝕性、形狀復(fù)雜的粉末冶金結(jié)構(gòu)件，優(yōu)于用還原粉生產(chǎn)的同類型產(chǎn)品。2.1.2水霧化鐵粉生產(chǎn)的不足設(shè)備一次性投資大；不利于生產(chǎn)低松裝密度鐵粉；2.1.3水霧化鐵粉生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)高壓水霧化技術(shù)高壓水霧化技術(shù)的關(guān)鍵是通過高壓水將鋼液在霧化器內(nèi)破碎成微小液滴，而噴嘴是霧化裝置中使霧化介質(zhì)獲得高能量、高速度的部件，也是對霧化效率和霧化過程穩(wěn)定性起重要作用的關(guān)鍵性部件。好的噴嘴設(shè)計要滿足以下要求：能使霧化介質(zhì)獲得盡可能大的出口速度和所需要的能量；能保證霧化介質(zhì)與金屬液流之間形成最合理的噴射角度；使金屬液產(chǎn)生最大的紊流；工作穩(wěn)定性好，噴嘴不易堵塞；加工制造簡單。目前，在水霧化鋼鐵粉末生產(chǎn)中所用噴嘴類型主要為環(huán)縫型噴嘴和“V型噴嘴。在水霧化過程中，鋼液的出鋼溫度、霧化開始溫度、霧化終止溫度、鋼液液流直徑、鋼液霧化速度、高壓水水壓、流量、噴射角度等構(gòu)成了主要水霧化工藝參數(shù)。2.1.4生粉高溫還原技術(shù)這項技術(shù)直接關(guān)系到成品粉末的主要化學(xué)成份（C、O含量），影響著粉末顆粒形狀，并對成品粉末的最終綜合性能產(chǎn)生直接影響（粉末粒度組成、松裝密度、流動性、壓縮性、成形性。在還原過程中，既進行脫碳、脫氧、降低粉末顆粒硬度、提高粉末塑性的過程，又要進行粉末顆粒團聚過程，使細(xì)的粉末顆粒之間或細(xì)的粉末粘結(jié)于粗的粉末顆粒表面進行粉末顆粒團聚，使粉末顆粒表面復(fù)雜，類似海綿狀，這是提