关键词 离散事件系统规范；虚拟实验系统；虚拟实体；Java3D；
0 引言
虚拟实验系统实体模型的构建是实现虚拟实验的关键。多年来，国内外一些研究机构提出多种很好的实体模型[1-2]，成功地建立自己的虚拟实验系统，如芝加哥伊利诺伊大学的虚拟有机化学实验室，新墨西哥州大学自动控制工程中心的V-Lab系统，中国科技大学的大学物理仿真实验系统等。但这些系统都是针对特定的应用领域，采用不同的技术实现，难以适应跨平台和分布式应用的需求，其虚拟实验平台和虚拟实验设备也缺乏统一的形式化描述，虚拟设备间的可重用性和互操作性差，难以构建开放的虚拟实验平台。
解决上述问题方法目前主要有两种：一种是利用人工智能的理论和方法构建结构化、智能化的实体模型，如基于Agent的实体模型[3，4]；另一种是研究和建立虚拟实验的通用标准[5]。但目前面向Agent的软件工程（Agent-Oriented Software Engineering，AOSE）方法还不完善，缺乏成熟稳定的Agent系统开发平台[6]，因而软件开发难度大，Agent系统的稳定性也有待商榷，而对虚拟实验标准化的研究目前也处于探索阶段，标准的完善和广泛认同还需要很长时间，为此，本文提出了一种基于DEVS（Discrete EVent System Specifications，DEVS）的虚拟实验系统模型，从而较好地解决了上述问题。
1 DEVS形式理论
DEVS是美国学者Bernard P. Zeigler提出的一种离散事件系统形式化描述模型[7]。它将每个子系统都看作是一个具有独立内部结构和I/O接口的基本功能模块，负责描述离散事件系统的自治行为，包括系统状态转换、外部输入事件响应和系统输出等，称为DEVS原子模型（atomic DEVS）。
DEVS原子模型通常可用一个七元组描述[8]：
其中，X是输入集；Y是输出集；S是系统的有序状态集；ta为时间推进函数， 
表示在没有外部事件输入时系统状态保持为s的时间， 
表示静止状态，ta(s)=0为瞬时态，表示不消耗时间的即时运算，该状态的运行中不推进仿真时钟； 
是atomicDEVS的全状态集，其中e表示系统在状态s停留的时间；
为内部状态转移函数，若无外部事件输入，系统经ta(s)时间后自动将状态转移到 
，同时将e置0； 
为外部状态转移函数，若有外部事件
输入，系统立即转到状态 
，并将e置0；
为输出函数，输出在系统内部状态转移时产生，状态转移前的状态s用于产生输出 
，其它非内部状态转移时不产生输出。
表示在没有外部事件输入时系统状态保持为s的时间， 表示静止状态，ta(s)=0为瞬时态，表示不消耗时间的即时运算，该状态的运行中不推进仿真时钟； 是atomicDEVS的全状态集，其中e表示系统在状态s停留的时间； 为内部状态转移函数，若无外部事件输入，系统经ta(s)时间后自动将状态转移到 ，同时将e置0； 为外部状态转移函数，若有外部事件 输入，系统立即转到状态 ，并将e置0； 为输出函数，输出在系统内部状态转移时产生，状态转移前的状态s用于产生输出 ，其它非内部状态转移时不产生输出。 DEVS耦合模型（coupled DEVS）由多个DEVS原子模型通过一定的连接规则构成，它可以作为更大的子系统的原子模型使用，从而形成对整个系统模型的层次模块化描述。DEVS耦合模型的结构描述如下：
其中，M是耦合模型的成员集，每个M都是原子DEVS；EIC为外部输入耦合关系，从耦合模型的输入端连接到内部成员的输入端；EOC为外部输出耦合关系，从内部成员的输出端连接到耦合模型的输出端；IC为内部耦合关系，从内部成员的输出端连接到其它成员的输入端；SELECT为选择函数，当耦合模型中的多个成员同时发生状态转移时，选择优先级最高的成员的状态转移作为耦合模型的状态转移。
在DEVS中，模型的功能执行通过抽象仿真器实现，抽象仿真器是一种算法描述，用以说明如何将指令隐含地传给模型以产生模型的行为，负责收发消息，调用模型的转移函数，修改本地的仿真时钟。抽象仿真器与模型之间是一一对应关系。
2 虚拟实验系统的DEVS形式化模型
2.1 虚拟实验系统中实体的DEVS模型
虚拟实验系统（Virtual Experiment System， VES）中的实体可分为虚拟器件（Virtual Instrument， VI）和虚拟场景（Virtual Scenes， VS）两类[12]：
虚拟器件（VE）是虚拟实验中所用的仪器设备，具有独立的信号输入、输出接口和信号处理功能，有独立的三维图像属性、物理化学特性和操作规则，能及时响应外部事件，接收外部信息，在仿真时钟的推进下独立工作。不失一般性，基于DEVS形式理论，给出图1所示的虚拟器件的DEVS结构模型，其形式化描述如下：
图1 虚拟器件的DEVS结构模型
其中，X为信号输入集；t为仿真时钟；S为抽象仿真器，是虚拟器件的核心，由物理模型抽象而成的一种算法描述，
，S在仿真时钟的推进下，接收信号，响应事件，完成仿真运算，产生仿真输出，控制系统状态的变化；Y为信号输出集， 
；P为物理模型（Physical Model），定义虚拟器件的物理化学特性，是建立抽象仿真器的基础；O为交互模型（Operational Model），定义虚拟器件与外界交互的规则和方式，产生交互事件，实现人机交互； 
为内部反馈信号，在内部状态转移时产生，其反馈模式由物理模型描述；G为三维图像模型（Graphical Model），采用三维图像仿真虚拟器件的外观特性及其变化规则，产生交互效应，其变化域由输出接口控制；输入接口负责完成外界输入信号（X）、交互事件（O）和内部状态反馈信号 的预处理，包括事件响应和信号变换；输出接口接收S的运算结果，产生 、Y和图像模型变化的控制信号。交互模型与图像模型之间通过输入输出接口实现虚通信。集合X和集合Y可用如下格式描述：
，S在仿真时钟的推进下，接收信号，响应事件，完成仿真运算，产生仿真输出，控制系统状态的变化；Y为信号输出集， ；P为物理模型（Physical Model），定义虚拟器件的物理化学特性，是建立抽象仿真器的基础；O为交互模型（Operational Model），定义虚拟器件与外界交互的规则和方式，产生交互事件，实现人机交互； 为内部反馈信号，在内部状态转移时产生，其反馈模式由物理模型描述；G为三维图像模型（Graphical Model），采用三维图像仿真虚拟器件的外观特性及其变化规则，产生交互效应，其变化域由输出接口控制；输入接口负责完成外界输入信号（X）、交互事件（O）和内部状态反馈信号 的预处理，包括事件响应和信号变换；输出接口接收S的运算结果，产生 、Y和图像模型变化的控制信号。交互模型与图像模型之间通过输入输出接口实现虚通信。集合X和集合Y可用如下格式描述：
虚拟场景（VS）是对特定实验平台的仿真，其主要功能有：为实验提供可操作的三维虚拟环境图像模型和交互模型，描述实验原理（Principle）及数据分析方法（Analysis），建立实验操作步骤（Step）和决策控制（Decision），确定各虚拟器件间的关联规则（Relation），进而建立虚拟场景的抽象仿真器以提供对整个实验系统的控制。虚拟场景的DEVS结构模型与虚拟器件相同，其形式化描述为：
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