2.2.3. Разработка сетевых компьютерных систем и

программ для моделирования реальных объектов

В настоящее время развивается направление создания виртуальных компьютерных лабораторий, позволяющих проводится компьютерный эксперимент в дистанционном режиме. Например, интерактивное средство анализа и обработки данных солнечно-земной физики на основе MATLAB Web Server было создано в ИЗМИРАН в 2004 году в рамках проекта "Интерактивный WEB-ресурс для адаптивной обработки экспериментальных данных на основе инструментального средства MATLAB Web Server". Разработка и использование Matlab Web сервера для расчетов на удаленном сервере для школьников, студентов и преподавателей естественных наук позволяет проводить интерактивные компьютерные эксперименты с помощью виртуальной лаборатории для организации дистанционного образования в области физики, химии, математики.

При использовании MATLAB Web Server технологии, для работы с лабораторией не требуется, чтобы пакет MATLAB был установлен на компьютере: лаборатория работает в дистанционном режиме, используя MATLAB Web-Server. При этом достаточно иметь доступ к компьютеру, подключенного к сети Интернет.

На основе этой технологии была создана виртуальная лаборатория "Математическое и компьютерное моделирование" – это комплекс программ, предоставляющий пользователям для исследования целый набор классических математических моделей физики, химии, биологии.

http://mathmod.aspu.ru/?id=2

В компьютерном практикуме лаборатории представлено несколько крупных разделов: "Дифференциальные модели", "Отображения", "Клеточные автоматы", "Модели фазовых переходов", "Геометрические модели", "Дифференциальные модели с запаздыванием", "Распределенные системы". Во втором разделе рассматриваются как одномерные, так и двумерные отображения.

Виртуальная лаборатория состоит из нескольких частей, каждая из которых представляет собой целый комплекс разнообразных моделей. Набор моделей в основном соответствует учебному пособию (Тарасевич Ю. Ю. Математическое и компьютерное моделирование. Вводный курс: Учебное пособие. 4-е издание, испр. – М.: Едиториал УРСС, 2003. - 152 с.).

Каждая модель - это отдельная электронная страница. Все модели имеют удобный графический интерфейс с различными элементами управления, с помощью которых пользователь имеет возможность изменять параметры моделей, что позволяет анализировать её поведение при различных условиях.

Первая часть лаборатории – «Дифференциальные модели». Пользователь имеет возможность изучить ряд базовых моделей физики, химии, биологии, например:

• Нелинейный маятник

• Модифицированная модель Вольтерры-Лотки (модель хищник-жертва)

• Модель межвидовой конкуренции

• Модель Холлинга-Тэннера

• Модель Лоренца

• Модель Ресслера

• Генератор Ван-дер-Поля

• Тримолекулярная модель (брюсселятор) и др.

При построении модели пользователь может не только задавать различные коэффициенты дифференциального уравнения, описывающие данную модель, но и начальные условия, непосредственно выбирая их на координатной плоскости. При этом фазовый портрет изображается вместе с особыми линиями, а также указывается тип особых точек

Другим средством разработки программ математического моделирования реальных объектов и процессов является стремительно развивающаяся Java-технология. Программы, созданные с использованием именно этой технологии, являются платформенно-независимыми и Интернет-ориентированными, что уже является большим подспорьем для использования именно данной технологии в рамках дистанционного образования. С помощью JAVA-апплетов разработаны компьютерные модели для виртуальной лаборатории:

• Динамический хаос в простой механической системе

• Параметрические колебания маятника

• Механическая система

На рис. 2.8. приведен интерфейс виртуальной установки исследования параметрических колебаний маятника.

Рис.2.8. Интерфейс виртуальной установки для изучения параметрических колебаний маятника.

Пример 2. Рассмотрим другой пример создания виртуальной лаборатории с удаленным доступом с возможностями компьютерного моделирования на примере лаборатории с удаленным доступом «Физические основы электроники» (Рис.2.9).

http://www.labfor.ru/index.php?act=labs&target=lab_el

Для виртуальных автоматизированных лабораторий с удаленным доступом органы управления приборов и индикаторы измерителей находятся на экране персонального компьютера студента, подключенного к сети Internet. Для выполнения лабораторных работ с удаленным доступом нужно иметь экспериментальный стенд, оснащенный современным оборудованием и управляемый компьютером через Internet. Этот стенд может находиться в учебной лаборатории какого-нибудь университета, в научно-исследовательском институте или на предприятии. Этот подход позволяет изучать современные устройства, системы и сети, доступ к которым ограничен даже при очной форме обучения. Дополнительным достоинством этой технологии является возможность работы нескольких студентов на одном лабораторном стенде одновременно.

Установка состоит из сервера, подключенного к сети Internet. Сервер соединен с модулем USB-6008, который представляет собой недорогую систему сбора данных, производимую компанией National Instruments. Модуль подключается к серверу через интерфейс USB. Программное обеспечение виртуального комплекса состоит из двух частей — серверной и клиентской. За основу сетевого взаимодействия был выбран протокол гарантированной доставки TCP/IP.

Рис.2.9. Интерфейс Web-страницы лаборатории с удаленным доступом

Серверная часть представляет собой Win32 приложение, разработанное в среде Delphi 7. Программа принимает клиентов по протоколу TCP, управляет работой мультиплексора, коммутирующего исследуемую схему, а также управляет АЦП и ЦАП DAQ устройства NI-6008.

Клиентская часть выполнена в среде LabView 7.1. LabView был выбран из-за большой базы визуализированных приборов, делающих процесс работы студента интуитивно понятным, также в LabView есть встроенная поддержка протокола TCP/IP. На рис. 2.10 изображено окно исследования характеристик полевого транзистора.

Рис. 2.10. Окно виртуального прибора по исследованию

полевого транзистора