一种基于DEVS的虚拟实验系统研究(2)

    基于上述分析，我们建立了图2所示的虚拟实验系统的DEVS结构化模型。整个系统可以看作由多个DEVS原子模型构成的DEVS复合模型。虚拟场景通过输入输出接口与虚拟器件交换信息，控制虚拟器件的运行，虚拟器件之间也通过输入输出接口建立关联。抽象仿真器是真实实验原理和操作规则的算法描述，通过输入接口感知交互事件，接收与之关联的虚拟器件和虚拟场景的信息输入，仿真真实实验中的信息变换，控制图像模型的变化以产生实验现象和实验数据。在实验过程中，用户通过图形用户界面（Graphical User Interfaces，GUI）与系统交互，交互信息由交互模型接收处理，产生交互事件。虚拟场景和虚拟器件都拥有独立的仿真时钟，整个系统的同步通过输入输出接口之间的信息交换实现，不必设置全局同步时钟，这有利于分布式模式的实现。

2.3  虚拟实验系统的协调机制

    作为一个完整的虚拟实验系统，其图像模型、物理模型、交互模型、抽象仿真器和接口之间是紧密结合，协调工作的。当交互模型接受用户操作后，交互事件一方面直接传给图像模型以控制其手动部件模拟相应的交互操作，另一方面由输入接口传给抽象仿真器，抽象仿真器依据所给定的操作参数和物理模型的约束条件进行仿真运算并将结果传给输出接口，信号经输出接口后分为三路：一路直接传给本模块的图像模型的自动部件产生实验现象；一路按特定的反馈模式反馈回输入接口；一路传给与之逻辑连接的其它虚拟器件的抽象仿真器进行处理，进而实现整个实验的虚拟仿真。其工作流程如图3。

    面向对象技术是目前开发复杂系统最可靠而有效的解决方法，对象是现实环境中实体的模型，它集数据抽象、类继承、消息传递、事件触发为一体，有良好的可重用性、扩展性和交互能力。一个虚拟实验系统由一个虚拟场景和多个虚拟器件组成，虚拟场景和虚拟器件是一个个独立的实体，因此，虚拟演示实验系统非常适合采用面向对象技术实现。

    利用面向对象方法对虚拟场景和虚拟器件实现模块化，用数值模型建立实验原理、实验规范、实验操作及虚拟器件的物理模型、接口模型及交互模型等功能实体的数学关系，用VRML实现虚拟场景和虚拟器件的三维实体仿真，用JAVA3D编程实现其操作及实验现象的仿真，通过事件驱动实现与用户实时交互。图4展示了用VRML和JAVA3D实现的太阳系仿真模型。

图4  VRML和JAVA3D实现的太阳系仿真模型

    本文提出了一种基于DEVS形式理论和面向对象方法学的虚拟实验系统的形式化模型，讨论了该模型的Java3D的建模实现方案及系统实现方法。该模型具有层次化、结构化的特点，较好地解决了传统虚拟实验中虚拟设备可重用性差，难以构建开放的虚拟实验平台的缺点。但就模型及其系统实现而言，虚拟实验中实体的通信、同步和可靠性问题、环境变化的自适应问题、意外故障处理等还需要做进一步的深入研究。

    1  Aly I. El-Osery， John Burge， Antony Saba. V-Lab-A Virtual Laboratory for Autonomous Agents - SLA Based   Controllers[J].  IEEE Transactions on Systems， Man and Cybernetics， 2002，32(6)

    2  Huo J Q，Wang X P. the computer simulation experiments system and its practice in college physics educatoin[C].Proceedings of International Conference on New technology in Physics Education，1998，10：19-23

    3  Michael Duarte，Brian P.Butz.The virtual laboratory for the disabled[J].International Conference on Engineering Education，August 6-10，2001，Oslo，Norway

    4  Ruimin Shen， Liping Shen， Dazheng Wang. An Agent-based model of Virtual Experiment[J]. Proceedings of the International Conference on Computers in Education， ICCE， 2002

    5  范新伟，申瑞民，申丽萍．虚拟实验标准化的研究和解决方案[J]．计算机仿真，2005，22（1）

    6  毛新军，常志明 等．面向Agent的软件工程：现状与挑战[J]．计算机研究与发展，2006，43（10）：1782-1789

    7  Bernard P. Zeigler. Object-Oriented sumulation with Hierachucal， Modular models[J].Orlando，FL：Acadeimc Press，1990

    8 Bernard P. Zeigler. DEVS Theory of Quantized Systems[EB/OL].

http：//www.acims.arizona.edu/ PUBLICATIONS/CDRLs/ UnivArizonaCDRL1.pdf，1998.6/2006.11.30