【分　 类】 信息科技
【关 键 词】 网络虚拟实验室；时域频谱；振动分析；Java Applet
【来 　源】 互联网
【收　 录】 中文学术期刊网

正文：
摘要：随着网络技术的飞速发展，构建网络虚拟实验室已成为了一种趋势。在对国内外优秀虚拟实验室的调查研究的基础上，提出了利用了网页技术和Java Applet程序，实现了振动分析网络虚拟实验室，并给出了具体实例的设计过程。系统应用性强，便于学生上网学习。
关键词：网络虚拟实验室；时域频谱；振动分析；Java Applet
中图分类号：TP311.1           文献标识码：A
Key words: web-based virtual laboratory; time-domain spectrum; vibration analysis; java Applet
1 引言
伴随着Internet及其相关技术的高速发展，因特网已经成为人们获取信息、相互沟通的重要途径。于是CAI（Computer Aided Instruction，计算机辅助教学）、WBI（Web-Based Instruction基于网络的教学）^[1]等概念也应运而生。利用计算机网络为媒介，结合计算机动画和科学计算引擎，实现仿真现实设备，构建网络虚拟实验室已成为一种趋势。通过网络虚拟实验室，访问者只要拥有一台链接到Internet的电脑就可以不受时间、地点的限制而进入到虚拟实验室进行学习。网络虚拟实验室作为一种新型的实验类型，在提高学生素质，促进实验教学技术手段、创新发展等方面发挥了重要的作用，必然具有良好的应用前景。
而虚拟实验室，最早是在1989年，由美国University of Virginia(弗吉尼亚大学)的William Wolf教授提出的。它也称为合作实验室，用在计算机网络环境下的虚拟实验室环境。在这个环境里，科研人员可以有效地利用地理上分布的各种资源（数据、信息、设备、人员等）从事科研活动。Wolf教授形象的把虚拟实验室称为“无墙的研究中心”。在这种环境下，各科研人员可以享受到虚拟实验室所带来的数据共享、软件共享、远程仪器控制、远程学术交流四项基本功能。在不同时间、不同地点研究人员可以控制相同的虚拟仪器，以达到跨越时空的实时交流。
纵观国内外的众多网络虚拟实验，大体可以把他们分为两类：
（1）纯软件仿真形式的网络虚拟实验
这类实验室主要特点是以文字、图片、动画、仿真等形式通过网络进行实验原理、实验内容和仪器使用等方面的讲解和演示，或是通过仿真实验进行操作学习，不涉及具体的实验仪器硬件设备，只是利用软件来模拟实验。正如美国Johns Hopkins University(约翰霍普金斯大学)为了配合“什么是工程”课程的学习而开设的“虚拟实验室”网站^[2]提供了丰富的课程实验，如：逻辑电路设计实验，有毒化学药品的扩散实验，石油钻采中的钻孔实验，桥梁设计实验，声响传输实验，热传导实验等10个基于Web的远程实验，该虚拟实验室的开发主要是采用了网络功能强、界面编程方便、可移植性好的java网络编程语言作为数据通信、实验操作界面的开发工具，将java applet嵌入到网页中来实现仿真过程。再有国内华中科技大学机械学院建立了一个工程测试网上虚拟实验室^[3]，实现了测试技术课程网上仿真实验，学生可以通过互联网计算机终端来进行仿真实验。系统采用Java技术与虚拟仪器技术联合开发。
（2）远程控制实验室的虚拟实验室
这类实验室与第一类网络实验室最主要的区别在于控制对象是真实的实验设备。它也可以再细分为两类，第一类是仪器共享网络实验室，即服务器端可以接收客户端的实验请求和实验参数，通过实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备，由实验仪器硬件设备进行实验，并将实验结果返回到服务器端，最后返回到用户端，实现实验仪器的共享，实现数据的共享，但它不能对实验进行远程互动控制。第二类是远程控制实验室，与仪器共享网络实验室的最大区别在于除了实验仪器、实验数据的共享之外，还要实现客户端对实验仪器设备的远程控制。客户端可以一边调整参数，一边控制和观看实验的真实运行过程。直接操作远程实验的网络实验室利用了有限的实验资源，收到了较好的效果，是目前网络实验室研究发展的一个重要方向。但是需要较多的投资，开发周期较长。其典型代表的实验室是新加坡国立大学电子工程系的C.C.Ko和B.M.Chen建立的虚拟实验室^[4][5][6]，该实验室向校内学生和因特网匿名用户提供丰富的课程实验，如:频率测试实验、二阶水槽控制实验、三维示波器实验、二维示波器实验、直升机控制实验、机器人足球实验等,该虚拟实验室是直接控制远程实验室实验设备的运行，其中的实验模型是真实的实验设备，所以一次只允许一个用户进行实验(但是可以很多人观看)，为了方便地扩充新的实验，它采用的是比较典型的“双客户—服务器”的硬件结构。
2 虚拟实验室实例开发
2.1具体实例
以虚拟实验室的案例库为例具体介绍。该模块收集了大量从工业现场采集的典型机械设备的振动数据和案例，通过对这些典型案例的学习、分析，能够观察到机械设备真实故障的发生和发展过程，从而提高振动数据分析的能力和故障诊断的应用水平。它主要包含了历史监测数据和实时监测数据两部分。历史监测数据中包含了不同测点的不同时间的监测记录的数据，通过对不同时间的波形图的观察，可以非常形象的看到这些数据在那段时间里是怎样变化的，以观察发生和发展故障的过程。此外，还包括测点分布图和诊断报告。实时监测数据部分收集了机器测点的30秒数据记录，这些机器都已被测定存在某些问题，具有研究的价值。可以通过操作控制面板选择加窗、采样的个数等技术来观看不同的波形。图1为客户端的实验界面：

图1 案例库客户端界面
 
该实验界面由四部分组成。左侧一栏为设备选择栏，右边由三部分组成，测点分布图，设备诊断报告和设备的振动波形频谱图。运行时，选择测点下拉列表，可以选择不同的测点名称；选择时间下拉列表，可以选择不同的测量时间，可显示该点该时刻下的波形，频谱图；选择按钮“捕捉”，移动鼠标，显示坐标值；选择按钮“瀑布图”“所有数据”，显示所有数据的时间谱阵图；此外还有“共振解调”，“滤波”，“细化”，“AR谱”等相关的分析功能。通过该部分的学习，可以清晰地观察到同一台设备随着时间的推移，其波形的变化发展。更有助于学习振动分析的基础知识和基本过程。
2.2实现过程
    实现过程结构图如图2.。

图2 虚拟实验室实现过程结构图
 
如图所示，客户端采用Java开发的applet实验界面，由网页浏览器解释执行。服务器端包括一个用来响应客户网页请求的HTTP服务器和用Java编写的用来与数据库链接的Servlet。
当客户端运行任何支持Java Applet的浏览器请求远端HTTP服务器时，服务器端响应请求，客户端下载Java Applet到本地服务器，然后Applet传递参数给远端服务器的Servlet，Servlet执行数据库查询，将设备的测点名和测量时间及振动数据返回到Applet中，Applet再调用相关算法显示界面，并返回到客户端的页面中。这样用户就可以对其进行相关的“细化”，“滤波”等操作。

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