CC BY
258
УДК.004.771 ББК.30в6
ДИСТАНЦИОННЫЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ УЧЕБНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ДИСТАНЦИОННОГО УЧЕБНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ
Ю.К.Евдокимов, д.т.н., проф., зав. каф.
Тел.: (843)238-94-16; E-mail: [email protected] А.Ю.Кирсанов, к.т.н., доц.
Тел.: (843)238-94-16; E-mail: [email protected] А.Ш.Салахова, асп.
Тел.: (843)238-94-16; E-mail: [email protected] Кафедра Радиоэлектроники и информационно-измерительной техники Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева
http://www.kai.ru
The role of remote educational experiment in modern engineering education is considered. The review of the remote control of educational experiment carried out on common educational and unique scientific equipment is presented. The analysis of the basic methods of maintenance of remote access to the measuring equipment and control of measuring process is executed. In article algorithmic, hardware and software of system of remote control educational and research experiments is described. In a final part of the article the automated laboratory of remote access on the electrotechnical disciplines created in Kazan State Technical University named after A.N. Tupolev is described.
Рассмотрена роль дистанционного учебного эксперимента в современном инженерном образовании. В статье приводится краткий аналитический обзор систем дистанционного управления реальными экспериментами, выполняемыми на типовых учебных и уникальных научных установках и стендах. Выполнен анализ основных способов обеспечения дистанционного доступа к измерительному оборудованию и управления измерительным процессом. В статье описано разработанное алгоритмическое, аппаратное и программное обеспечение системы дистанционного управления учебными и научными экспериментами. В заключительной части статьи описывается автоматизированная лаборатория дистанционного доступа по электронике и электротехническим дисциплинам, созданная в КГТУ им. А.Н.Туполева.
Ключевые слова: дистанционное инженерное образование, удаленный эксперимент, новые образовательные технологии.
Keywords: remote experiment, distant engineering education, LabVIEW, new educational technologies.
Введение
Настоящее время характеризуется стремительным появлением и развитием новых информационных технологий. Одной из таких новых и революционных технологий является технология виртуальных измерительных приборов, позволяющая создавать системы измерения, управления и диагностики различного назначения практически любой производительности и сложности. Преимущество и эффективность виртуальных измерительных технологий состоит в возможности программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, создавать разнообразные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы, легко перестраивать их к изменяющимся требованиям, уменьшать материальные затраты и время на разработку. При этом создаваемая измерительная система
может быть оптимальным образом адаптирована для решения поставленных задач с учетом их особенностей.
Использование виртуальных измерительных технологий в современных автоматизированных измерительных системах является устойчивой мировой тенденцией последних лет. Об этом свидетельствует огромное количество разработок, а также множество зарубежных и отечественных публикаций, посвященных решениям задач в области автоматизации измерений, контроля
и управления техническими и технологическими процессами.
Также виртуальные измерительные технологии дают возможность совмещать измерительные системы с телекоммуникационными сетями, обеспечивая тем самым возможность дистанционного доступа к измерительному и управляющему оборудованию. Подобная интеграция позволяет связывать в единую систему большое число различных удаленных друг от друга измерительных и управляющих устройств.
Весьма важным является продвижение дистанционных технологий в лабораторные практикумы и в учебный эксперимент в целях повышения эффективности и снижения материальных затрат на обучение в сфере инженерного образования. При этом достигаются следующие принципиальные преимущества дистанционной учебной лаборатории: круглосуточная автоматическая работа; индивидуализация и повышение качества обучения; доступность дистанционной лаборатории из любой географической точки.
1. Роль дистанционного учебного эксперимента в современном инженерном образовании
Внедрение новых информационных технологий является важнейшим фактором повышения эффективности и качества образовательного процесса. Особое место в инженерном образовании занимают лабора-торно-практические занятия. В последние годы в вузовском образовании интенсивно развиваются дистанционные формы обучения. Долгое время основным препятствием использования дистанционной формы обучения по инженерным и среднетехническим специальностям в технических вузах и техникумах являлась невозможность дистанционного проведения лабораторных практикумов на базе традиционных технологий обу-
чения и морально устаревшего приборного парка. Успешное развитие технологии виртуальных измерительных приборов и современные средства телекоммуникаций позволяют эффективно осуществлять дистанционный эксперимент практически из любой географической точки.
Перевод лабораторного практикума на дистанционную форму обучения дает следующие основные преимущества [1]:
1) круглосуточная автоматическая работа дистанционной учебной лаборатории (без преподавателя и лаборанта, лабораторных помещений и посадочных мест для студентов и т.п.). Достигается сокращение учебных площадей, оптимизация учебного расписания, экономия за счет сокращения часов, выделенных на проведение занятий преподавателями (до 30-40% фонда заработной платы).
2) индивидуализация и повышение качества обучения. Студент вынужден самостоятельно выполнять лабораторную работу, а не в группе из 3-4 человек за одной лабораторной установкой. Автоматически ведется допуск к работе, хронометраж работы с указанием календарного времени, записываются все действия студента на лабораторной установке. Преподаватель имеет возможность объективно оценивать работу студента по результатам мониторинга. Появляются качественно новые возможности для самостоятельной работы студентов. Время выполнения работы не ограничиваются 4 академическими часами, а составляет столько, сколько в действительности требуется студенту.
3) общедоступность дистанционной лаборатории из любой географической точки и в любое время. Расширяется образовательное пространство вуза. Обучение не локализовано пределами какого-либо учебного здания или вуза. Дистанционный лабораторный практикум можно выполнять из филиалов, общежития или из дома. Появляется возможность использовать дистанционные лаборатории в кооперации с другими вузами, а также принимать в вуз и обучать студента, живущего в любом городе или удаленном населенном пункте.
Поскольку общетехнические дисциплины являются базисом для подавляющего большинства последующих специальных дисциплин, то во многих учебных заведениях идет неоправданное дублирование лабораторных практикумов при их слабом техническом и методическом обеспечении. Раз-
розненная доводка их в каждом отдельном учебном заведении до современного уровня и их текущая поддержка требуют огромных материальных затрат. Создание дистанционных лабораторий с многопользовательским доступом освобождает от многократного дублирования лабораторных стендов, от затрат на выделение лабораторных помещений и на их обслуживание. Кроме того, создаются предпосылки для унификации учебно-методического обеспечения в масштабах одной и даже нескольких специальностей, исключается необходимость в разработке однотипных методических пособий для лабораторных практикумов, базирующихся на изучении одних и тех же объектов. При этом за счет индивидуализации выполнения лабораторных работ студентами и активного участия в проведении экспериментов достигается повышение качества обучающего процесса.
Помимо лабораторных работ по общетехническим дисциплинам в ряде учебных заведений проводятся работы с использованием специального (уникального) оборудования, которое отличается сложностью, высокой стоимостью и малой пропускной способностью (не более 5-10 обучающихся в течение дня). Использование такого оборудования в учебном процессе также ограничивается повышенной опасностью при выполнении экспериментов, обусловленной спецификой таких установок.
Один из возможных путей решения данной проблемы - создание автоматизированных дистанционных лабораторий с вовлечением уникального экспериментального оборудования и экспериментально-испытательных стендов, уже имеющихся в лабораториях вузов и промышленных предприятий. Таким образом, использование в сфере науки и образования информационно-телекоммуникационных технологий дает возможность доступа для региональных учебных заведений к лабораторным установкам ведущих университетов РФ, а также к уникальным стендам академических и отраслевых научных организаций.
Современные дистанционные технологии обучения создают основу общедоступности и демократизации высшего образования в гражданском обществе.
2. Краткий аналитический обзор состояния дистанционных технологий в учебном эксперименте в инженерном образовании
В силу современного уровня развития
измерительных, компьютерных и телекоммуникационных технологий и средств, а также их взаимной интеграции управление реальными физическими объектами дистанционно через телекоммуникационные сети общего пользования является мировой тенденцией. Большое количество работ в этой области посвящены созданию дистанционных практикумов по инженерным общетехническим дисциплинам, являющихся неотъемлемой частью инженерного образования.
В [2-5] представлены результаты совместных проектов норвежского университета науки и технологии (NTNU) и политехнического института г. Хьеллер. Первая версия дистанционной лаборатории AIM-Lab (Automated Internet Measurement Laboratory) [2, 3] предназначена для исследования характеристик полевых транзисторов. В этой работе измерительная система построена на базе GPIB-устройств, подключаемых к серверу дистанционной измерительной системы. Структурная схема данной системы представлена на рис. 1.
Система дистанционного управления второй версии (Lab-on-Web) [4, 5] ориентирована на исследование параметров и характеристик различных радиоэлектронных схем и элементов, реализованных посредством специализированной интегральной схемы, содержащей такие элементы, как диоды, конденсаторы, транзисторы, инверторы и т.д. Структурная схема системы Lab-on-Web представлена на рис. 2. Функциональная схема, отражающая принцип построения систем AIM-Lab и Lab-on-Web, а также используемые телекоммуникационные технологии, представлена на рис. 3.
Для обеих версий представленных систем предусмотрена возможность реализации пользовательского интерфейса посредством отдельного клиентского приложения либо в стандартном Интернет-обозревателе, посредством загрузки и исполнения соответствующего java-скрипта. В последнем случае представление удаленному пользователю результатов измерений осуществлялось посредством CGI-приложения. Реализация клиентской части в виде отдельного приложения, а также CGI-приложения на сервере осуществлялась в среде LabVIEW.
В [6] представлена дистанционная лаборатория национального университета Сингапура, предназначенная для изучения основных измерительных приборов (осциллограф, функциональный генератор и т.д.), а также для исследования частотных и пере-
ходных характеристик RC-цепей. Измерительная система построена на базе GPIB-устройств, подключаемых к лабораторному компьютеру, оснащенному картой сбора данных. Для контроля доступа к ресурсам дистанционной лаборатории используется отдельная серверная машина, выполняющая роль веб-сервера. Дополнительным компонентом системы является видеокамера, обеспечивающая дистанционный визуальный контроль реальных процессов. Структурная схема данной лаборатории представлена на рис. 4.
Для передачи данных между сервером системы и удаленным пользователем возможно использование как CGI-приложения, так и TCP-протокола. Загрузка клиентского программного обеспечения осуществляется через стандартный Интернет-обозреватель по протоколу HTTP. Реализация CGI-приложения на сервере осуществлялась в среде LabVIEW.
Система дистанционных лабораторий ACEL (Automatic Control Engineering Laboratory), разработанная на факультете Электронной инженерии Национального Института Сербии (НИС), представлена в [7]. Система ACEL построена по принципу «клиент-сервер». Использование TCP/IP протокола для передачи данных между сервером системы и удаленными пользователями обеспечивает возможность расположения последних в различных географических точках независимо от расстояния. Данная система включает две лаборатории: исследование высокоскоростных сервомеханизмов и исследование свойств магнитных полей. На рис. 5 представлена структурная схема для удаленного эксперимента дистанционной лаборатории ACEL.
Дистанционная лаборатория ACEL включает: 1) подсистему локального управления; 2) веб-сервер; 3) аудио/видео-сервер; 4) пользовательский интерфейс. Реализация клиентской части в виде отдельного приложения осуществлялась в среде LabVIEW.
В [8-10] представлена дистанционная автоматизированная веб-лаборатория uCV-Lab, разработанная в Новосибирском государственном техническом университете. Эта дистанционная лаборатория ориентирована на исследование микроконтроллеров и сигнальных процессоров. Лабораторный центр коллективного пользования представляет собой сеть серверов - виртуальных лабораторных стендов, к каждому из которых обеспечивается доступ из глобальной сети
Интернет. На каждую из прорабатываемых дисциплин и, в некоторых случаях, на каждый тип объекта исследований выделяется по одному серверу. Программное обеспечение, спроектированное в среде виртуальных инструментов LabVIEW, реализует необходимый комплект измерительных и управляющих приборов и устройств, дистанционное управление стендом и объектом, сбор данных о поведении объекта, их обработку и визуализацию в соответствующих форматах, управление ходом выполнения экспериментов.
Структурная схема веб-лаборатории uCV-Lab представлена на рис. 6.
Клиентское программное обеспечение (ПО) реализовано как ActiveX-объект, встроенный в html-страницу. Загрузка этого ПО осуществляется через стандартный Интернет-обозреватель по протоколу HTTP. Обмен данными между серверным и клиентским ПО осуществляется по протоколу DSTP [11]. Компонент «монитор», входящий в состав серверного ПО, выполняет функции управления оценочным модулем.
На основании представленной структуры веб-лаборатории uCV-Lab создан центр коллективного пользования [12], представляющий собой сеть дистанционных лабораторий. При подключении к главному серверу центра (диспетчеру) студент выбирает нужную дисциплину, после чего загружается страница с изображением лаборатории со стеллажами, где размещены все доступные для работы измерительные приборы, а также объекты исследований. После выбора требуемой дисциплины выполняется компоновка рабочего места путем перемещения на стол необходимого оборудования.
В работе [13], выполненной на кафедре Электроники и телекоммуникаций инженерного колледжа г. Майсур (Индия), представлена система, предназначенная для дистанционного управления процессами биореактора. Цель эксперимента - изучение процессов в биореакторе и контроль параметров температуры, pH и скорости реакций. Виртуальные инструменты, выполненные в программном приложении LabVIEW, отображают параметры процесса, устанавливают процессы управления и отображают результаты измерений. Плата ввода/вывода PCI6251 и лабораторная измерительная станция ELVIS фирмы National Instruments обеспечивают взаимодействие компонентов цепи биореактора с веб-сервером. Пользовательский интерфейс с виртуальными инст-
рументами доступен в сети, что облегчает доступ и контроль параметров процесса. Веб-камера производит передачу аудио/видеосигналов клиентам в режиме реального времени. Структурная схема лаборатории показана на рис. 7.
В Московском энергетическом институте (МЭИ) на кафедре Инженерной теплофизики проводятся работы по модернизации лаборатории гидродинамики и теплообмена. В режиме удаленного доступа работают следующие лабораторные установки:
- стенд по исследованию свободной конвекции на вертикальной трубе;
- стенд по исследованию теплообмена при турбулентном течении воды в круглой трубе;
- стенд по исследованию теплоотдачи газа при переменной по длине тепловой нагрузке;
- стенд по исследованию структуры турбулентности.
Принципиальная схема построения автоматизированного лабораторного практикума показана на рис. 8. В соответствии с этой схемой научно-исследовательские стенды могут использоваться в учебном процессе удаленно, когда доступ студентов к этим стендам нежелателен по соображениям безопасности [14].
Дистанционные лабораторные практикумы по курсу оптики и физики атомного ядра созданы в Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики [15]. Программы дистанционного лабораторного практикума написаны на языке Java и выполнены в виде апплетов, что позволяет запускать их из окна стандартного браузера.
В целях реализации возможности использования в автоматизированных лабораторных практикумах с удаленным доступом любых устройств сопряжения объектов для удаленного проведения эксперимента в МГТУ им. Н. Э. Баумана была создана Интерактивная Диалоговая Удаленная Система (ИНДУС) [16], первым приложением которой являлось использование для удаленной диагностики низкотемпературной плазмы. В результате этих работ был создан программно-аппаратный комплекс на базе компьютера РС/АТ и магистрально-модульного устройства сопряжения КАМАК, отработаны технологии связи между компонентами и построения автоматизированного лабораторного практикума, обеспечивающего удаленному пользователю индивидуальное программирование условий и выполнение реального эксперимента по диагностике низкотемпературной плазмы.
Система ИНДУС позволяет удаленным пользователям не только получать данные эксперимента, но и активно изменять условия его проведения, при этом режимы эксперимента индивидуальны для каждого студента. В данной системе предусматривается также тестирование пользователей перед допуском к удаленному пульту управления стендом и возможность контроля правильности обработки данных преподавателем, который находится вместе со студентом на удаленном рабочем месте пользователя. С помощью системы ИНДУС пользователь с удаленного компьютера, используя соответствующие протоколы обмена, через сеть Ин-тернет/Интранет отправляет необходимые команды на веб-сервер, обслуживающий экспериментальный стенд, программирует условия опыта, инициирует его проведение через управляющий компьютер (ЬаЬ-сервер), получает и визуализирует полученные результаты.
При разработке программного обеспечения для удаленных экспериментов большое внимание было уделено организационно-методическим вопросам технологии их проведения. К ним относятся: защита доступа к управлению стендом, идентификация пользователя, выделение ему потребных ресурсов времени и памяти компьютера с соответствующими приоритетами, обеспечение режима управления установкой только одним пользователем, проверка осуществимости заданных условий эксперимента и выполнимости их за выделенное время сеанса и др.
Анализ литературных источников показал, что использование виртуальных измерительных технологий при построении автоматизированных измерительных систем и их интеграция с телекоммуникационными сетями являются устойчивой мировой тенденцией и дают возможность дистанционного доступа к измерительному оборудованию и управлению физическими экспериментами. Такие системы дистанционного управления широко используются в сфере инженерного образования и позволяют повысить доступность и качество образования, а также повысить пропускную способность лабораторий и предоставить доступ к уникальным экспериментальным стендам.
3. Технология дистанционного автоматизированного эксперимента через локальные и глобальные информационные сети
При создании систем дистанционного
управления (СДУ), как правило, решаются следующие основные задачи [17]:
1) автоматизация измерений и управления на локальном уровне;
2) обработка измерительной информации;
3) создание гибкого пользовательского интерфейса;
4) организация передачи измерительной и управляющей информации по телекоммуникационным сетям (запросов на измерения и результатов измерений);
5) организация работы с базами данных.
Автоматизированная измерительная система дистанционной лаборатории реализуется с помощью устройств (одного или нескольких) ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, подключенных к персональному компьютеру, а функциональная часть (алгоритм работы, алгоритмы обработки измерительной информации и т.д.) и интерфейс пользователя (лицевая панель ВП) - программно, как показано на рис. 9. Приведенная структура дистанционной лаборатории является типовой и может использоваться для построения более сложных систем измерения, контроля и управления и представляет собой базовый информационно-управляющий элемент (БИУЭ).
В целом аппаратное обеспечение автоматизированной измерительной системы, как правило, включает в себя систему измерения и управления, систему коммутации, систему передачи данных и лабораторные установки.
Существует достаточно большой спектр устройств ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов от различных фирм-производителей, таких как L-Card (Россия), National Instruments (США) и др. При разработке и построении БИУЭ на основе виртуальных измерительных технологий (ВИТ) выбор устройств ввода/вывода осуществляется с учетом следующих факторов [17]:
- функциональное назначение устройства (тип подключаемых источников сигналов; измерение аналоговых сигналов; генерация аналоговых сигналов; ввод/вывод дискретных сигналов и т. д.);
- технические характеристики (количество измерительных каналов; максимальная частота дискретизации; разрядность АЦП и ЦАП и т.д.);
- функциональные возможности (возможность одновременного ввода/вывода данных, возможность синхронизации измерительных и управляющих процессов по сигналам внешних устройств и т. д.);
- совместимость с существующими средами программирования;
- технико-экономические и эксплуатационные характеристики.
При использовании ВИТ ЭВМ становится неотъемлемым компонентом автоматизированных измерительных и управляющих систем. Это дает возможность аппаратно-программного совмещения измерительных систем с телекоммуникационными сетями и обеспечения дистанционного доступа к измерительному и управляющему оборудованию. Подобная интеграция двух современных информационных технологий - телекоммуникационных сетевых технологий и технологии виртуальных измерительных приборов - существенно расширяет функциональные возможности систем, построенных на их основе, и позволяет связывать в единую систему большое число различных измерительных и управляющих устройств, удаленных друг от друга на большие расстояния, а также строить системы дистанционного управления (СДУ) различного назначения.
На сегодняшний день ВИТ получили широкое применение благодаря программной среде LabVIEW и измерительному оборудованию фирмы National Instruments.
Общетехнические лабораторные практикумы, например, по электротехническим дисциплинам, просты в исполнении, и вся работа при их выполнении сводится, как правило, к отдельным, независимым измерениям, каждое из которых имеет небольшую длительность (не более нескольких десятков миллисекунд). Это позволяет реали-зовывать выполнение таких работ в режиме разделения времени по отдельным измерениям. Это означает, что одновременно несколько пользователей могут подключаться к лабораторной установке и начинать работу, не дожидаясь, когда свою работу завершат ранее подключившиеся пользователи. В случае, когда эксперимент не сводится к независимым измерениям и выполнение эксперимента требует длительного времени, обеспечить многопользовательский режим работы не представляется возможным. Примером подобных работ являются эксперименты по исследованию инерционных температурных режимов физических объектов и др.
Для обеспечения обработки запросов, поступивших в момент занятости измерительного оборудования, необходимо предусматривать организацию очереди запросов. Запрос извлекается из очереди при освобождении соответствующего измерительного
оборудования.
При выполнении учебного дистанционного эксперимента студенту не может быть предоставлен непосредственный доступ к управлению уникальной установкой. Предлагается подход, заключающийся в имитации реального эксперимента. С этой целью на начальном этапе, согласно методике эксперимента, формируется база реальных измерительных данных для различных режимов работы установки. В процессе выполнения лабораторных экспериментов студент, работая в программной среде, получает из базы данных результаты реального эксперимента, проведенного заранее. Для обеспечения эффективности практикума, выполняемого по предложенной методике, а также создания ощущения реальности необходимо использовать современные средства мультимедиа (воспроизведение видеозаписи и звука работающей установки).
Внедрение СДУ в инженерно-технический образовательный процесс предъявляет к ней ряда требований, которые должны быть учтены при ее разработке [18, 19]:
• доступ удаленных пользователей (УП) к ресурсам дистанционной лаборатории (ДЛ) осуществляется через телекоммуникационные сети общего пользования (ЛВС, Интернет);
• возможность задействования в СДУ нескольких ДЛ, расположенных в ЛВС вуза;
• возможность одновременной работы УП в режиме разделения времени;
• организация и обработка очереди запросов с целью исключения их потери из-за возможной занятости обслуживающего измерительного сервера (ИС);
• обработка пользовательских запросов на основе реальных измерений на физических объектах;
• возможность дублирования реальных объектов исследования виртуальными моделями.
Основными структурными компонентами СДУ являются:
удаленные пользователи;
главный сервер;
измерительные лаборатории;
сети передачи данных (сеть Интернет, ЛВС).
Упрощенная структурная схема СДУ представлена на рис. 10.
Общая схема работы СДУ следующая. Отправленный удаленным пользователем запрос на измерение передается по сети Интернет и принимается главным сервером. После предварительной обработки (идентификация удаленного пользователя, преобра-
зование формата запроса, проверка корректности и т.д.) запрос помещается в очередь, откуда он будет извлечен после освобождения требующегося для его обработки измерительного средства соответствующей лаборатории. Полученные результаты измерений возвращаются удаленному пользователю.
4. Структура дистанционной автоматизированной учебной лаборатории в техническом университете
На рис. 11, 12 представлены два варианта структурных схем СДУ, построенных на основе совмещения измерительных и телекоммуникационных технологий в КГТУ им. А. Н. Туполева.
Основными компонентами приведенных структурных схем являются [17]: 1) удаленные пользователи; 2) сеть Интернет; 3) главный сервер; 4) дистанционные лаборатории; 5) ЛВС вуза; 6) вычислительные центры и компьютерные классы вуза.
Центральным компонентом системы является главный сервер, обеспечивающий доступ УП к ресурсам ДЛ, а также управляющий работой распределенной измерительной системы, построенной на основе дистанционных лабораторий. Взаимодействие главного сервера с измерительными средствами ДЛ осуществляется по ЛВС.
Отличие приведенных структурных схем заключается в различии средств построения автоматизированной измерительной системы (АИС), являющейся основой ДЛ. В первом варианте структуры СДУ (рис. 11) АИС строится на основе измерительного сервера, оснащенного устройством ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов. Количество лабораторных установок ДЛ, одновременно подключенных к ИС, определяется в этом случае измерительной емкостью (количеством измерительных каналов) устройства ввода/вывода.
Во втором варианте структуры СДУ (рис. 12) АИС ДЛ строится на основе промышленных контроллеров, имеющих сетевые интерфейсы ЛВС. В зависимости от типов используемых контроллеров, а также способов организации АИС обращение главного сервера к ресурсам ДЛ может осуществляться следующими способами:
1) посредством ПК, играющего роль измерительного сервера;
2) непосредственно к требуемому контроллеру.
При первом варианте организации АИС по принципу построения становится аналогичной первому варианту структуры
СДУ (рис. 11). Различие будет заключаться лишь в типе измерительного устройства, а также в способе его подключения в ИС.
Для второго варианта организации ПК, входящий в состав ДЛ, в отличие от первого варианта структуры СДУ не является неотъемлемой частью АИС, а служит лишь для задания локальных настроек контроллеров, а также тестирования их работоспособности.
Количество лабораторных установок, одновременно подключенных к АИС ДЛ, определяется как измерительной емкостью контроллера, а также их количеством.
5. Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной дистанционной лаборатории
На рис. 13 и 14 представлены функциональная схема и структура программного (ПО) обеспечения СДУ соответственно. ПО системы дистанционного управления состоит из трех основных компонентов: ПО удаленных пользователей; ПО главного сервера; ПО измерительных серверов дистанционных лабораторий.
Система дистанционного образования строится на основе интеграции широко применяемых Интернет-технологий, таких как язык PHP, СУБД MySQL, и решений на базе LabVIEW. Данные Интернет-технологии на сегодняшний день широко распространены и стали, фактически, стандартом для построения веб-серверов. Поэтому интеграция LabVIEW-решений именно с этими технологиями является наиболее перспективной [20].
Идентификация и аутентификация пользователей производятся на основе информации, хранящейся в базе данных и доступной через СУБД MySQL. При такой реализации регистрационные данные пользователей из базы данных можно получать как посредством приложений, разработанных при помощи скриптового языка PHP, так посредством LabVIEW-приложений, использующих Database Connectivity Tools.
Пароли пользователей хранятся в базе данных на главном сервере системы в виде MDS-хэша [21]. Функция MD5 выбрана вследствие того, что существуют ее открытые реализации во всех современных языках программирования и для нее в настоящее время не найдена обратная функция. В процессе работы удаленный пользователь предъявляет идентификатор и пароль, которые передаются на сервер, где по ним производится вычисление MD5-функции, из ба-
зы данных считывается хэш пароля, соответствующий присланному идентификатору, и по результатам сравнения выносится решение о допуске или не допуске пользователя в систему. Следует отметить, что указанный алгоритм применяется как для допуска пользователей к изучению теоретического материала и прохождению тестирования, так и для допуска к процессу измерения. Запросы на измерения также проходят через описанный механизм и, если пользователь неправильно указал пароль или не прошел тестирование, запросы на измерения будут отклонены, и пользователь получит соответствующее текстовое уведомление.
Доступ пользователей в систему осуществляется на основе групповой политики доступа. Пользователи делятся на категории, и доступ пользователя осуществляется на основании действующей для его категории политики доступа. Например, пользователи из категории «Администраторы» могут менять некоторые параметры системы, устанавливать права доступа для других пользователей, устанавливать принадлежность пользователей к определенным категориям, а также создавать учетные записи пользователей с правами доступа, меньшими, чем у них самих.
Пользователи из категории «Преподаватели» могут создавать лабораторные работы, тесты, редактировать текст теоретического материала лабораторной работы. Пользователи из категории «Студенты» могут осуществлять дистанционное выполнение лабораторных работ, при этом информация о выполнении лабораторной работы записывается в статистику и сохраняется в базе данных.
Пользователям из категории «Гости» предоставляется право только лишь для демонстрационного входа в систему. Результаты работы пользователей данной категории не сохраняются, а сами они вводятся только для демонстрации работы системы.
В системе может быть предусмотрен аудит пользователей по определенным параметрам. Например, при превышении пользователем количества попыток получить доступ к информации вне его категории пользователь автоматически блокируется. Эти алгоритмы могут быть реализованы в виде соответствующей политики безопасности.
Запросы на выполнение реальных измерений обрабатываются по следующей схеме: специально разработанное в среде программирования LabVIEW серверное приложение
принимает запрос на измерение, содержащий идентификатор пользователя, хэш пароля и другую необходимую служебную информацию, и передает его встроенному модулю допуска. Последний, в свою очередь, осуществляет запрос к базе данных посредством Database Connectivity Tools или специального PHP-скрипта. Из базы данных по переданному запросу осуществляется считывание следующей информации: хэш пароля для переданного идентификатора, результат тестирования т. д. На основании данной информации выносится решение об обслуживании либо отказе в обслуживании полученного пользовательского запроса на измерение.
Таблица с паролями, идентификаторами пользователей и информацией о прохождении тестирования кэшируется. В случае если чтение таблицы производилось в последние n секунд после поступления очередного запроса на измерение, повторное чтение информации, необходимой для предоставления доступа, производится не из базы данных, а из ранее считанной и сохраненной в памяти ЭВМ таблицы.
В данной версии реализации системы, при чтении базы данных с помощью PHP-скрипта, к URL-запросу добавляется текстовая строка фиксированной длины, состоящая из случайных цифр. Возвращенный от сервера результат является MD 5-хэшем суммы текстовых строк хэша, хранящегося в базе данных и переданного в URL случайной строки. Этот результат используется для принятия решения о совпадении пароля, веденного удаленным пользователем, с паролем, который был выдан ему при регистрации. Такой механизм применяется с целью исключения передачи хэшей паролей пользователей в открытом виде по сети и снижения риска расшифровки паролей пользователей в случае перехвата запроса. Таким образом, запрос к серверу производится по постоянно изменяющемуся URL, что повышает защищенность сервера в целом.
Допуск студентов к дистанционной лаборатории осуществляется после идентификации и прохождения тестирования знаний. После получения допуска к работе поступающие запросы на измерения проходят проверку на предмет возможности обработки посредством выполнения реальных измерений (проверяется активность требуемого измерительного сервера, состояние требуемого ЛР и др.) и в случае положительного результата записываются в очередь. В про-
тивном случае запрос обрабатывается с помощью соответствующей виртуальной лабораторной работы.
Запрос, находящийся в первой позиции очереди, будет отправлен на обработку после проверки состояния (занят/не занят) требуемого ЛР. В случае занятости последнего текущий запрос откладывается и обработчик запросов переходит ко второй позиции в очереди. Отложенный запрос будет обработан как только изменится состояние требуемого ЛР. В случае если какой-либо из лабораторных серверов перестает быть активным (внезапное отключение, проблемы с сетью и пр.), все подготовленные для него запросы на измерения, находящиеся в очереди, направляются для обработки виртуальной лабораторной работе. Всякий раз, при получении результатов дистанционных измерений, студент также получает информацию о том, были ли данные результаты получены на основании реальных измерений, либо с использованием программных моделей. Измерительный сервер, получив запрос на измерение от главного сервера, конфигурирует устройство ввода-вывода, к которому подключен требуемый лабораторный макет, и запускает процесс измерения. Результаты измерений возвращаются на главный сервер и отправляются пользователю.
6. Пример построения автоматизированной учебной лаборатории в техническом вузе
На базе созданной системы дистанционного управления экспериментом были созданы три лабораторных практикума по общетехническим дисциплинам: «Электроника», «Основы теории цепей» и «Радиотехнические цепи и сигналы». Каждый цикл содержит по 4 лабораторные работы.
Структурная схема типового автоматизированного макета, используемого при создании простейших лабораторных работ, показана на рис. 15. На основе данной структурной схемы создана дистанционная лаборатория по курсу «Электроника».
Генерация входных воздействий, а также измерение состояния объекта осуществляются посредством устройства ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов. Блок согласования сигналов в общем случае выполняет роль унифицирующего измерительного преобразователя. При рассмотрении в качестве объекта исследования радиоэлектронных схем блок согласования сигналов может выполнять функции повторителя напряжения.
При наличии нескольких контрольных точек измерение состояния объекта в которых может осуществляться последовательно во времени, для сокращения необходимого количества измерительных каналов устройства ввода/вывода может быть применено устройство коммутации. Устройство коммутации в этом случае используется для подключения заданного измерительного канала к нужной точке исследуемой схемы. Управление коммутатором осуществляется посредством цифровых линий устройства ввода/вывода.
Рассматриваемое устройство ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов имеет два канала АЦП, «-каналов ЦАП и n-цифровых линий, что является типичным для достаточно широкого спектра наименований подобных устройств. Для создания дистанционной лаборатории было использовано устройство ввода/вывода NI PCI-6251.
Лабораторные практикумы по курсам «Основы теории цепей» и «Радиотехнические цепи и сигналы» выполнены на базе измерительной лабораторной станции NI ELVIS [22].
Структурная схема автоматизированной измерительной системы лабораторного практикума приведена на рис. 16. Основными компонентами являются:
• измерительная лабораторная станция NI ELVIS;
• многоканальное устройство ввода/вы-вода аналоговых и цифровых сигналов, подключаемое к ПК;
• печатные платы с набором исследуемых схем, устанавливаемые на макетном поле NI ELVIS.
Выполнение лабораторных работ может осуществляться в двух режимах: дистанционно и локально.
Так как каждая лабораторная работа может содержать до четырех исследуемых схем (ИС), для автоматизации четырех работ необходимо использование четырех каналов ЦАП и до шестнадцати каналов АЦП. Однако, согласно методике, работа с исследуемыми схемами при выполнении экспериментов осуществляется последовательно во времени. Таким образом, в целяхсокращения необходимого числа измерительных каналов их подключение к исследуемым схемам осуществляется посредством аналогового коммутатора АК2. Для формирования сигналов входных воздействий вместо четырех может использоваться только один канал ЦАП. В этом случае применение коммутатора АК1 позволяет исключить взаимное
влияние схем друг на друга. При локальном выполнении лабораторных работ для формирования входных воздействий может использоваться встроенный функциональный генератор (ФГ) станции NI ELVIS. При этом отпадает необходимость в применении коммутаторов, так как все соединения выполняются студентом вручную.
Для выполнения работ дистанционных лабораторных практикумов создано клиентское ПО Distant Lab 1.0, титульный лист которого представлен на рис. 17.
Особенностью среды Distant Lab 1.0 является то, что количество доступных лабораторных работ не является фиксированным - непосредственно «тело» лабораторной работы (ее функциональность, математические модели исследуемых схем и устройств, их графические изображения и пр.) не является внедренным в программный код среды Distant Lab 1.0, а реализуется посредством отдельной llb-библиотеки, которая инициализируется в Distant Lab 1.0 перед началом работы. Данная особенность позволяет значительно более легко увеличивать количество доступных дистанционных работ (каждой лабораторной работе соответствует отдельная llb-библиотека), а также, при необходимости, модернизировать ранее созданные, исключая трудоемкие модификации исходной среды Distant Lab 1.0 и, как следствие, обновление ее новой версией. Другой важной особенностью Distant Lab 1.0 является гибкость - расположение на лицевой панели виртуальных электронно-измерительных приборов, таких как многоканальный осциллограф, функциональный генератор и др., вызываемых из специальной библиотеки. Их подключение к исследуемой схеме не являются фиксированными и производятся студентом в соответствии с методикой лабораторной работы.
На рис. 18 представлены шаги по формированию в среде Distant Lab 1.0 исследуемой схемы, используемой в дистанционной лабораторной работе «Исследование компараторов на основе операционных усилителей».
На рис. 19 представлен внешний вид измерительных серверов дистанционных лабораторий по курсам «Электроника» (рис. 19а), «Основы теории цепей» и «Радиотехнические цепи и сигналы» (рис. 19б).
В целях достижения качества дистанционного обучения СДУ должна обеспечивать возможность выполнения дистанционных лабораторных практикумов в много-
пользовательском режиме, в реальном масштабе времени и, следовательно, иметь для этого необходимые пропускную способность и быстродействие.
Качество и возможности процессов управления через сеть в реальном масштабе времени определяются, главным образом, характеристиками времени задержки в сети: распределением вероятностей времени передачи Тс управляющей информации от пользователя до объекта управления и времени возврата Тт измерительной информации о состоянии объекта управления к пользователю. Суммарное время Т = Тс + Тт составляет общее время прохождения - задержку в контуре системы дистанционного управления (СДУ), обусловленную процессами обслуживания в сети [23].
В [24] приводятся результаты экспериментального исследования динамики СДУ для различных типов сетей «сервер -пользователь»: 1) сеть Интернет с использованием модемного подключения через телефонную линию (максимальная скорость передачи данных - 31 кбит/с; местонахождение УП - г. Казань); 2) сеть Интернет с использованием выделенной линии 10 Мбит/с (местонахождение УП - филиал КГТУ им. А.Н.Туполева в г.Актаныше); 3) ЛВС 10 Мбит/с; 4) ЛВС 100 Мбит/с.
Для нормировки результатов были определены критические значения интенсивности потока запросов Лкр, приводящие к
переходу системы в нестационарный режим (переполнение очереди запросов): 0,12 - для сети первого типа, 1,1 - для сети второго типа, 3,3 - для сети третьего типа, 4 - для сети четвертого типа. Для нахождения Лкр использовалось соотношение Литтла ЛТ = 1 [25]. По полученным экспериментальным результатам были вычислены оценки плотности вероятности времени обслуживания р(Т), обобщенные графики которых, для различных значений интенсивности потока входных запросов Л = ЛЛр , приведены
на рис. 20.
Из графиков на рис. 20а видно, что для стационарного режима работы системы при различных значениях Л проявляются характерные формы распределений р(Т ) близкие к экспоненциальному, нормальному и логнормальному законам. При нестационарном режиме работы системы
(Л > 1) оценка р(Т) распределена в достаточно широком диапазоне изменения Т (рис. 20б). Экспоненциальная форма распределения р(Т) характерна для малых значений Л < 0,2 . При повышении интенсивности запросов (0,2 < Л < 0,4) распределение
р(Т) приобретает характер нормального. При дальнейшем повышении
Л (0,4 < Л < 1) распределение р(Т) вырождается в логнормальную форму, что свидетельствует о пределе пропускной способности СДУ.
Для количественной оценки пропускной способности СДУ была исследована динамика системы в многопользовательском режиме работы для четвертого типа сети «сервер-пользователь» (ЛВС, 100 Мбит/с). На основе результатов эксперимента построены нагрузочные характеристики Т = /(Л) при различном количестве удаленных пользователей «=1,4, одновременно обращающихся к системе, при разном числе обслуживающих установок т =1,4 (рис. 21).
Как следует из графика на рис. 21 а, с ростом числа пользователей п, обращающихся к двум экспериментальным установкам, рост величины среднего времени обслуживания Т запросов начинается при более малых значениях Л . Введение дополнительных обслуживающих устройств (рис. 21 б) ведет к уменьшению среднего времени пребывания запросов в системе при больших значениях Л . Показано, что увеличение количества лабораторных установок ведет к нелинейному увеличению граничного значения интенсивности (пропускной способности системы СДУ). Например, из графиков рис. 21б следует, что при увеличении количества лабораторных установок вдвое пропускная способность системы увеличивается в 1,5 раза.
На основе полученных экспериментальных данных была построена имитационная модель [24], необходимая для анализа поведения СДУ при различных режимах работы, исключая необходимость проведения реальных экспериментов.
Заключение
Рассмотрены современные тенденции в сфере информационно-измерительных технологий, заключающиеся в развитии и широком использовании технологии виртуаль-
ных измерительных приборов при построении автоматизированных измерительных систем.
Создание дистанционных практикумов на основе этих технологий позволяет модернизировать устаревшую измерительную лабораторную базу и повысить функциональность и качество лабораторных практикумов.
Другим преимуществом использования виртуальных измерительных технологий является возможность совмещения измерительных систем с телекоммуникационными сетями, что позволяет обеспечивать дистанционный доступ к измерительному оборудованию через сети общего пользования и создавать системы дистанционного управления реальными физическими экспериментами.
Использование этих технологий в инженерном образовании позволяет создавать дистанционные учебные лаборатории для инженерных специальностей, обеспечивать индивидуализацию и повышение качества обучения, а также доступность дистанционной лаборатории из любой географической точки в любое время. Появляется возможность доступа к лабораторным установкам и уникальным стендам ведущих вузов РФ и отраслевых научных организаций, что создает основу общедоступности и демократизации высшего образования в гражданском обществе.
В статье приводится структурная схема базового информационно-управляющего элемента, которая является типовой и может быть использована для построения как про-
стых, так и более сложных систем измерения, управления и контроля.
Выдвинуты требования, которые должны быть учтены при разработке и внедрении таких систем в инженерно-технический образовательный процесс:
• удаленный доступ к ресурсам дистанционной лаборатории через телекоммуникационные сети общего пользования (ЛВС, Интернет);
• возможность использования нескольких дистанционных лабораторий;
• возможность одновременной работы пользователей в режиме разделения времени;
• организация и обработка очереди запросов;
• обработка пользовательских запросов на основе реальных измерений на физических объектах;
• возможность дополнения реальных объектов исследования их виртуальными моделями.
С учетом этих требований разработано алгоритмическое, аппаратное и программное обеспечение системы дистанционного управления, обеспечивающее дистанционный доступ и выполнение реальных физических экспериментов в многопользовательском режиме с разделением времени. Предложена структура СДУ, построенная на основе совмещения измерительных и телекоммуникационных технологий.
На основе статистических экспериментальных данных построена имитационная модель СДУ, позволяющая анализировать поведение системы в различных режимах работы, исключая необходимость проведения трудоемких реальных экспериментов.
Литература
1. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. -М.: ДМК Пресс, 2007. - 400 с.
2. Berntzen R., Strandman J.O., Fjeldly T.A., Shur M.S. Advanced Solutions for Performing Real Experiments over the Internet // International Conference on Engineering Education. - Oslo: Norway. - August 6-10,
2001. - P. 21-26.
3. Fjeldly T.A., Shur M.S., Shen H., Ytterdal T. AIM-Lab: A System for Remote Characterization of Electronic Devices over the Internet // Proc 3rd IEEE Int. Caracos Conf. On Devices, Circuits and Systems (ICCDCS-2000), Cancun. - Mexico, IEEE Catalog . No. 00TH 8474C. - P.143-146.
4. Fjeldly T.A., Stradman O.J., Berntzen R. Lab-On-Web A Comprehensive Electronic Device Laboratory On A Chip Accessible Via Internet // International Conference on Engineering Education. - August 18-21, 2002, Manchester, U.K.
5. Fjeldly T.A., Strandman J.O., Berntzen R. Lab-on-Web - A Comprehensive Electronic Device Laboratory on a Chip Assembte via Internet // International Conference on Engineering Education. - August 18-19,
2002, Manchester, U.K. P. O337.1-5
6. Chen S.H., Chen R., Ramakrishnan S.Y.Hu, Zhuang Y., Ko C.C., Chen M. Development of Remote Laboratory Experimentation through Internet// Proceedings of the 1999 IEEE Hong Kong Symposium on Robotics and Control. - Hong Kong. - PP. 756-760. - July 1999.
7. Naumovic M.B., Zivanovic D. Remote Experiments in Control Engineering Education Laboratory// International Journal of Online Engineering, ISSN 1861-2121. - May, 2008.
8. Баран Е.Д., Голошевский Н.В., Захаров П.М., Рогачевский Б.М. Виртуальная лаборатория для дистанционного обучения методам проектирования микропроцессорных систем // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр. Междунар. науч.-практич. конф. 14-15 ноября 2003 г. - М: РУДН, 2003.
9. Баран Е.Д., Любенко А.Ю. Лабораторный практикум для дистанционного обучения общетехническим дисциплинам // Образовательные,научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр. Междунар. научн.-практич. конф. 15 ноября 2004 г. - М:РУДН,
2004.
10. Баран Е.Д., Захаров П.М., Любенко А.Ю. Web-лаборатория «Микроконтроллеры и сигнальные процессоры» // Современные технологии автоматизации. - 2005. - № 1.
11. Протокол Data Socket. Режим доступа: http://www.ni.com/datasocket/ds_what.htm.
12. Батенков А.А., Трегубов Р.Б. Яковлев А.В. Модель сети доступа //Телекоммуникации. -2003. - № 3. С. 12-16.
13. Jagadeesh Chandra A.P, R.D Sudhaker Samuel Web-based Collaborative Learning Architecture for Remote Experiment on Control of Bioreactor s Environment// Journal of software. - V.4. - № 2. - April 2009.
14. Генин Л.Г., Листратов Я.И., Свиридов В.Г., Свиридов Е.В., Разуванов Н.Г.Использование уникальных экспериментальных стендов в режиме удаленного компьютерного доступа для развития учебного лабораторного практикума в техническом вузе// Образовательные,научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр. Междунар. науч.-практич. конф. 15 ноября 2005 г.. - М.; РУДН, 2005.
15. Зинчик А. А., Колесников Ю.Л., Михновец В.Я., Стафеев С.К., Смирнов А.В., Федотов Д.Н. Создание программных и аппаратных средств автоматизации лабораторных практикумов удаленного доступа// Физическое образование в вузах. - Т.6. - 2000. - № 1. - С.103-113.
16. Зимин А. М. Диагностика плазмы с удаленным доступом через сеть Интернет// Актуальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы: Матер. Шк. молодых ученых (2-9 сентября, 2003 г.) http://plasma.karelia.ru/pub/fntp/.
17. Кирсанов А.Ю. Дистанционный эксперимент на основе совмещения телекоммуникационных измерительно-управляющих систем : Дисс. на соиск. учен. степ. канд. технич. наук, Казань, 2007. - 186 с.
18. Щербаков Г.И., Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Кирсанов А.Ю. Организация и построение типовой дистанционной автоматизированной лаборатории на основе LabVIEW-технологии для общетехнических инженерных дисциплин технического университета // Наукоемкие технологии образования: Тр. XI Междунар. научн.-методич. конф. - Таганрог: ТРТУ, 2003. - С. 177-179.
19. Евдокимов Ю.К., Кирсанов А.Ю. Организация типовой дистанционной автоматизированной лаборатории с использованием LabVIEW-технологий в техническом вузе // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр. Междунар. научн.-практич. конф. Москва, Россия. 14-15 ноября, 2003. - С. 15-17.
20. Евдокимов Ю.К., Кирсанов А.Ю. Трибунских А.В. Автоматизированная дистанционная лаборатория по курсу «Электроника»: алгоритмическое и аппаратное обеспечение, методическая поддержка // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр. Междунар. научн.-практич. конф. Москва, Россия. 18-19 ноября 2005г. - М.: РУДН, 2005. -С. 31-38.
21. The MD5 Message-Digest Algorithm: http://www.ietf.org/rfc/rfc1321.txt.
22. Кирсанов А.Ю., Салахова А.Ш. Автоматизированный дистанционный лабораторный практикум по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы» // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр. Междунар. научн.-практич. конф. Москва, Россия. 18-19 ноября 2007 г. - М.: РУДН, 2007.
23. Кирсанов А.Ю. Методика экспериментального исследования динамики работы системы дистанционного управления экспериментом через информационные сети общего пользования // Электронное приборостроение: Научн. -практич. сб. - Вып. 3(44). - Казань: ЗАО «Новое знание», 2005. - С. 42-49.
24. Евдокимов Ю.К., Кирсанов А.Ю. Экспериментальное исследование и статистическая модель системы дистанционного управления // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. - 2006. - № 3. - С. 31-36.
25. Крылов В.В., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения. - СПб.: БХВ-Петербург,
2005. - 288с.
20-21.11.2009 по адресу: Москва, ул. Орджоникидзе, 3; состоится «Международная научно-практическая конференция «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments».
Организатор: РУДН, Управление науки и инноваций,
