虚拟开发实验室：教育与自动控制的创新应用

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年从虚拟实验室到虚拟开发实验室Nikolay Mikhaylov*，Dmitry Kazov *** 俄罗斯圣彼得堡国立航空航天仪器大学无线电工程系（电话：+7 812 3093264;电子邮件：ifac2012@gmx.com）** White Dwarf Ltd，6v Tallinskaya，St Petersburg，Russia（e-mail：dchernov@white-dwarf-ltd.com）翻译后摘要：本文介绍了一个虚拟开发实验室的概念，诞生于学术界和工业界之间的合作。缺乏年轻的训练有素的工程师，并希望分享工业经验，作者已经积累了十多年，导致作者之一，教卫星导航在一所大学，同时领导一个工业研发团队。本文介绍了一个虚拟实验室（VL）的使用结果，该实验室是为了给学生提供信号处理和自动控制应用的实践经验而开发的。研究表明，虚拟现实技术在一定程度上弥补了大学培训与工业需求之间的差距。然而，只有将VL扩展到虚拟开发实验室（VDL）才能完全满足行业需求。VDL是一个基于网络的平台，通过使整个开发周期（设计，开发，验证）在类似于工业环境的受控环境中进行来帮助学习。VDL将易用性与现实生活中的任务设置相结合，从而使学生能够专注于工程任务的要点。通过将常规工程方法（编译、链接、测试和结果评估）整合到图形用户界面（GUI）和简单直观的应用程序用户界面（API）中，提供了易用性。任务的性质确保了现实的任务设置本文提供了一个解释的各个方面，包括最初的动机，技术和教育框架，它的优点和缺点，以及VDL的设计细节。为VDL的实现提供了实用的建议。本文将帮助未来的VDL开发人员提供这种方法。关键词：教育，自动控制，虚拟实验室，GPS，虚拟开发实验室1. 介绍VL被定义为（Harms，2000）“一个计算机模拟，使实验室实验的基本功能在计算机上进行，被称为虚拟实验室。有必要区分虚拟实验室（VL）和远程实验室。VL用计算机模型代替实验，从而提供真实实验的模拟。在远程实验室中，实验由连接到实验室设备的计算机控制。由于本文后面给出的原因，我们只讨论VL。近年来，虚拟实验室首先出现在互联网上，实验室图书馆为机构之间的实验交流和实验装置的访问提供了条件（Boehringer，Jeschke，Richter，2009年）。虚拟实验室具有很高的潜力，原因有许多众所周知的（Faltin，2002;Boehringer，2011）：可以根据学生的需要设计实验。实验很容易重复。模拟可以比实际实验更容易建立。模拟可以提供在现实中无法观察到的实验情况。实际的实验可能过于复杂和/或昂贵。实际的实验太危险了。学习不依赖于特定的时间和地点。超媒体结构支持学习内容的探索。学习材料可以在学习环境中适应学习者的需要。卫星导航吸引了很多的兴趣，这些天，因为它是一个新兴的和快速增长的技术。这种兴趣不仅产生了一批希望学习卫星导航的大学生，而且还刺激了专业和公司教育的不断增长的市场。即使是一个简单的互联网搜索带来了几十个名单，© 2012 IFAC 177 10.3182/20120619-3-RU-2024.000182012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会178提供卫星导航课程以及丰富的相关教育互联网资源的大学（包括最著名的大学）。与此同时，雇用提交人的研发部门一直苦于缺乏合格的毕业生。俄罗斯大学的供应，曾经是世界上最好的大学之一，不符合现代工业的要求。当形势变得至关重要时，其中一位作者加入了圣彼得堡国立航空航天仪器大学（SUAI）担任副教授，以分享他在十多年中积累的工业经验，并将卫星导航教育提高到行业要求。VL的使用是主要目标之一。下文介绍了在统一行政和司法系统实施自愿劳动力评估和采用自愿劳动力评估方面吸取的经验教训2. 2011年卫星导航教育我们回顾了一些关于卫星导航的免费和商业教育材料（科罗拉多大学，2005年，2010年，2011年;丹麦GPS中心，2007年;麻省理工学院，2008年; NavtechGPS，2011年）。我们的结论总结如下：这些课程概述了卫星导航的原则和基本原理。重点放在技术应用上，而不是放在用户设备的开发上。有些课程侧重于实验室工作，有些课程使用计算机模拟来设计，构建，测试和分析项目。然而，无法找到用于卫星导航教育的虚拟仪器。课程主要解释技术，而不是提供应用程序的设计和开发指导。导航处理通常比信号处理更详细然而，SUAI的教育过程和研发中心的要求导致了一种与现有课程不同的方法，具体表现在以下几个方面：教学不仅应涵盖一般原理的应用和设备操作的用户，但也启发了技术从开发者重点应从导航处理转向信号处理。这一特点是由以下事实解释的：首先，正在开发的课程是为SUAI的无线电工程系，重点是数字信号处理（DSP）;其次，工业研发的短缺是DSP工程师。财政不允许采购，甚至简单的实验室设备，鉴于财政限制典型的俄罗斯大学。还应该指出的是，向发展技能的全面转变需要改变所需的实验室设备。近年来，个人计算机的发展和计算机辅助工程（CAE）的迅速发展促进了基于计算机的开发。软件和硬件工程师用于开发卫星导航设备的几乎所有工具都是基于软件的。GPS开发人员应该熟悉的常用电子实验室设备是基于PC的工具。支持非远程实验室的论点（Faltin，2002）是“在本地实验室工作的学生可以直接看到，听到，触摸和闻到实验室设备。这种在实验室中的完整印象不能由远程实验室提供，在远程实验室中，学生通过计算机用户界面与远程设备进行交互。然而，这一论点并不完全适用于卫星导航，因此使用VL非常合理。3. 卫星导航虚拟实验室：概念VL背后的教育方法包括自我导向的学习，最小的辅导援助。虽然许多学生习惯于只在导师指导的环境中学习，但自主学习是一种有待培养的重要能力。因此，导师的作用应仅限于VL支持和维护，提供每个实验的初始教程和回答意外问题（如果有的话）。每份实验讲义都应该包括实验设置的详细描述、需要回答的问题的分步说明以及所需报告的大纲。VL目前包括四个实验任务，探索GPS技术的各个方面。每个实验作业都是该技术的一个特定方面的计算机模拟（GPS信号结构，信号控制环路，信号搜索的两种方法）。每一个实验都是对本课讲课内容的补充。在每个实验室进行的实验都是可重复的，这是VL的一个天然优势，它提供了现实中不可能实现的设置。许多“假设”学习场景都是按照下面的模式创建的。定义了默认参数，并提供了一个教程来解释实验室设置，操作原理以及固定和可变的系统参数。学生回答有关默认场景的问题，以证明他们对基本原理的理解。一些“如果我们改变这个会发生什么？”会有人问问题回答这些问题需要经历一个学习周期，包括参数变化、观察效果、检查理论符合性、理解和解释。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会1794. 卫星导航虚拟实验室的实现VL是使用Web技术实现的网站。使用客户端-服务器架构;瘦客户端实现为网页，向后端所在的Web服务器发送请求并从其接收数据。基于PHP的后端执行用户身份验证，在用户和实验室工作应用程序之间传输请求和数据，并为讲师提供管理和报告功能。实验室工作应用是正在调查和学习的实际模型。实验室工作执行的模拟计算量很大;因此，实验室工作用C/C++实现，以提高计算效率。HTML5和AJAX等现代Web技术提供了一整套功能，可以实现功能齐全的动画GUI，而无需安装任何专有软件，如Java Applets，Adobe Flash Player或Microsoft ActiveX对象。它导致一个超薄客户端，零下载和安装。此外，GUI仅使用W3C标准元素来实现，并且不依赖于任何第三方软件。VL在任何支持HTML5的浏览器中打开后立即工作（在这个阶段，Firefox 4+，IE 9+和Opera 11+已经过兼容性测试）。图1示出了已经使用的GUI和web技术的示例。Fig. 1.使用Web技术的GUI示例（锁相环实验）在VL浏览器中，超薄客户端用作“监视器”，仅显示服务器数据，并且在客户端中不执行计算。所有消耗资源的计算都在服务器端执行，结果（包括图形可见部分的数据）以简单紧凑的文本格式发送到客户端。这降低了学生需要使用的设备的要求。VL必须完全国际化。屏幕上出现的所有文本字符串都存储在字典中。学生和导师都可以选择他们的母语GUI。目前支持英语和俄语。实验室工作站点后端包括身份验证系统，以及数据库和服务器端部分，应用.管理和数据库功能是用PHP编写的。实验室工作数学实现为C/C++命令行可执行文件，根据CGI POST协议工作（它接受来自标准输入的用户请求，并打印文本数据以显示到标准输出）。可执行文件不能作为CGI脚本直接访问。PHP信封执行身份验证，运行可执行文件并在可执行文件和用户之间传输数据。它封装了数据库访问函数，并从所使用的数据库中编译代码。这种方法简单、有效（消耗资源的计算由高性能的二进制文件完成）、平台独立和模块化（只需上传其二进制文件和GUIHTML页面即可添加新实验室）。最后但并非最不重要的是，VL中使用的所有软件都是免许可证的。它使VL的所有权和维护成本几乎为零，因为只需要服务器托管。5. 卫星导航虚拟实验室：初步成果正如我们所料，VL改变了学习过程。我们的努力得到了慷慨的回报学习的步伐加快了。获得的知识变得不那么零散，更加详细。实践培训使学生更深入地参与。实验室对学生和导师来说都是典型的乐趣。总的来说，讲师的兴奋和学生的参与是两个主要的反应介绍VL。然而，客户的反馈还有很多不足之处知识零散是主要问题一个简单的分析表明，开发的VL没有太大的区别，从实验室用于卫星导航上面审查。同样，重点放在技术应用上，而不是用户设备的开发上，对应用设计和开发几乎没有提供指导。不过，重点从导航处理转移到了信号处理。开发的VL没有提供实际开发项目的实践经验。总之，虚拟现实确实是一个很大的进步2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会180下一步是发明一个基于计算机的平台，不仅提供虚拟实验，如VL，而且还通过将整个开发周期（设计/开发/验证）纳入类似于工业环境的受控环境中来实现学习。6. 卫星导航虚拟开发实验室的概念VDL的教育理念是自主学习。VDL是从VL开始的，我们假设学生已经培养了一个小型明确任务的自力更生和独立解决方案所需的能力VDL的两个基本思想是：i）重新使用现有的VL; ii）开发现实的项目。前者是为了确保从实验室到这一发展的无缝过渡;而后者则源于毕业生的零散知识，需要进一步解释。通常情况下（至少在俄罗斯大学），软件工程的教学与自动控制，信号处理和其他核心课程无关。核心课程的讲师通常在实验室，讲座和模拟编程语言中使用数值和符号计算（MATLAB，Mathematica，MathCAD）。这种语言大大简化了数值计算和结果的绘制，而无需复杂的编程，从而使学生能够专注于学习原理，而无需在软件细节上花费太多时间。另一方面，这种简化导致了糟糕的编程技巧，这往往会分散学生对现实生活任务的注意力，使他们寻找一个现成的MATLAB函数，而不是进行常规开发。VDL语言是一种嵌入式实时应用的工业标准，因此它被设计用于VDL中。显然，为了实现上述两个想法，并实施教育理念，我们必须扩展现有的虚拟现实与开发平台，运行，调试和测试学生开发的软件。这个开发平台将提供在现实生活环境中的实际开发经验。VDL的实施遇到了一些挑战，将在下一节中讨论。7. 卫星导航虚拟开发实验室的实现在实施VDL时需要做出一些设计决策。现将其概述如下。在开发环境的真实性和学习效率之间存在一个权衡。环境越接近工业环境，发展就越具有高度的针对性。工业环境通常包括一个开发套件，即使是有经验的工程师也需要在使用前学习。其他潜在障碍，开发包括跨平台和命令行问题，缺乏可视化功能和缺乏GUI。对于学生可以使用的计算机和计算机软件，几乎没有什么假设。不能指望学生有Matlab或VisualStudio许可证（更不用说DSP处理器的开发套件了）。开放源码软件通常难以使用，应避免用于教育目的。自主学习假设远程访问VDL的学生和远程控制的导师。应制定一个等级制度。简单的及格/不及格标准对有效学习没有多大帮助。学生所做的每一个设计决定（在权衡分析中）都应该被评估，并应该对学生的整体排名做出贡献。解决上述所有问题的解决方案如图2所示。VL的整体架构保持了一个重要的补充-学生可以开发自己的代码。为学生提供了要开发的代码的注释模板。该模板是VDL提供的应用程序编程接口（API）的实现。模板包含API函数和占位符的标题，即由学生设计和编码的空函数。这些函数的参数可以在学生的UI中编辑，如图3所示。API还允许定义用户参数，这些参数将由GUI显示（图1）。3）。如图2和图3所示，学生开发的代码被上传到服务器并合并到主程序中。剩下的工作由服务器完成--服务器端脚本执行构建（编译和链接）。编译/链接错误被输出到学生的UI中（图3）。一旦学生代码成功构建，它就会存储在数据库（代码修订系统）中，并可以由讲师查看。重要的是要强调，学生不需要任何软件许可证-任何文本编辑器，如内置的MS Windows记事本，和任何互联网浏览器就足够了。此外，上面提到的使用工业开发套件（命令行，没有GUI等）的困难。都被服务器软件隐藏起来了它允许学生专注于实质性的功能，而不是开发常规的输入/输出和测试功能。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会181图二. VDL架构编译成功后，学生可以使用不同的输入值运行应用程序（包括他的代码）并分析结果。根据预定义的性能标准（例如，所使用的ROM和RAM的大小，经过的时间等）实现排名系统。等级也存储在数据库中，讲师可以访问。讲师可以实时监控每个学生的活动，控制进度，并根据代码性能的排名评估学生（图4）。讲师的GUI还提供管理功能（添加/编辑/删除学生的帐户）。显然，自动化测试对讲师有很大的帮助，所有学生的应用程序都运行在同一台服务器上。这确保了正确的性能测量。见图4。讲师所描述的VDL解决了上面讨论的挑战：在开发环境的真实性和学习效率之间实现了合理的权衡。对学生可以使用的计算机和计算机软件做出了非常现实的假设。访问VDL的学生和讲师都通过互联网提供。讲师还可以远程控制和监控每个学生的发展。排名系统和自动化测试确保了对学生的客观评估。最后，从图1和图3可以明显看出，VL和VDL共享类似的GUI。这有助于学生在VL和VDL之间无缝过渡。8. 卫星导航虚拟开发实验室：预期结果在撰写本文时，VDL已经完全实现，并由beta测试人员进行了测试。VDL将在2012年夏季学期进行首次评估，评估结果将在国际会计师联合会第九届控制教育进展研讨会上公布。图三. VDL图形用户界面学生可以比较示例用视觉形式展示他的参数：标准，由学生自动化测试的结果：性能和错误。数据存储在数据库中，讲师可以查看。要上传的学生留言2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会182将VDL的期望与其首次使用的结果进行比较将是有趣和有用的。预计将产生以下效益大学培训和行业需求之间的差距将主要通过毕业生获得的实践发展经验来弥合。SUAI将能够为现代工业提供训练有素的毕业生。讲师将更深入地了解每个学生学生将通过现实的发展获得更大的刺激和心理参与。9. 未来的作品其目的是增加VL中的实验室数量，并将VDL扩展到更多的科目（目前VL中只有四个实验室，VDL中只有一个开发任务）。还希望可以与欧洲同事安排合作，使得VL可以被包括在实验室图书馆（Boehringer D.，2011年）。作者将乐于与提供卫星导航课程的任何教育机构分享其经验。计划制定涉及协作学习的教育方法。协作学习将通过在VDL中引入一个综合工程任务来实现。10. 结论本文介绍了卫星导航教学中实施虚拟现实的一个行之有效的概念。该VL将感兴趣的从业者教学GPS，信号处理和控制。除了VL，它还引入了一个概念，并实施了一个VDL实验室的试点项目。本文详细介绍了VDL从最初的动机，通过架构和教育的考虑，VDL的实现和测试。引用Boehringer，D.，Jeschke，S.，&Richter，T.（2009）欧洲网络实验项目，LiLaBoehringer，D.（2011年）自然科学和工程远程和虚拟实验室的传播，里拉–LibraryofLabs[在线]可查阅：http://www.lila-project.org/about/presentation/LiLa_Presentation.ppt[2011年10月10日访问]。丹 麦 GPS 中 心 （ 2007 年 ） GPS 信 号 和 接 收 机 技 术 ，SoftGPS 项 目 ， 奥 尔 堡 大 学 。 [ 在 线 ] 可 查 阅 ：http://kom.aau.dk/project/softgps/receiverTechnologyPart3.htm[2011年10月10日访问]。Faltin，N. 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