基于Web的远程实验室设计问题研究

基于Web的远程实验室设计问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究 3 基于 W e b 的远程实验室设计问题研究 田德振 , 戴亚平 , 左 哲 () 北京理工大学 信息科学技术学院 自动控制系 , 北京 100081 摘 要 : 为解决大学生和研究生教育中实验资源共享问题 ,促进研究生的创新性工作的开展 ,设计了一个基于W eb的远程实验室 ———基于因特网的远程控制 、测量与决策研究生创新实验室 。讨论了基于 W eb 的远程实验 室设计中的关键技术问题 ,包括 W eb技术平台的选择 ,平台安全 、程序安全和设备安全三大安全问题 ,以及由于 H TTP无连接 、无状态的特殊性对远程实验室中的通信及实验曲线绘制带来的不良影响 ,并针对各种难题提出了 相应的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 或建议 。 关键词 : 网页 ; 远程实验室 ; 超文本传输 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ( ) 文章编号 : 1001 23695 2008 1023181203 中图分类号 : TP2文献标志码 : A D e sign issue s of W eb2ba sed remo te labo ra to ry T IAN D e2zhen, DA I Ya2p ing, ZUO Zhe ()D ept. of A u tom a tic Con trol, S chool of Inform a tion S cience & Technology, B eijing Institu te of Technology, B eijing 100081, C h ina A b stra c t: Th is p ap e r p re sen ted a W eb2ba sed remo te labo ra to ry——— In te rne t2ba sed remo te con tro l, m ea su rem en t and dec ision po stgradua te innova tion labo ra to ry fo r sha ring exp e rim en ta l re sou rce s, wh ich wa s u sed to so lve the lack of exp e rim en ta l re2 sou rce s fo r unde rgradua te and po stgradua te educa tion and to he lp po stgradua te s innova te. A nd ana lyzed the key techno logica l p rob lem s in de sign of W eb2ba sed remo te labo ra to ry, inc lud ing W eb techno logy p la tfo rm se lec tion, p la tfo rm secu rity, p rogram secu rity and equ ipm en t secu rity, nega tive influence of the connec tion le ss and sta te le ss of H TTP on comm un ica tion and exp e ri2 m en ta l cu rve d raw ing, and p re sen ted co rre spond ing re so lu tion s o r advise s. ( )Key word s: W eb; remo te labo ra to ry; H TTP hyp e rtext tran sfe r p ro toco l 被控对象是控制理论研究一个必不可少的要素 ,而对于广 创新实验室硬件结构设计 大的大学生和研究生而言 ,被控对象又是稀缺资源 ,特别是实 验条件较差的高校 。因此 ,中国大学生教育和研究生教育一个 创新实验室硬件结构如图 1所示 。 很大的弊病就是 ,很多学生从事针对某对象的控制算法研究 , 但却从未见到过实物 ,更不用说进行实验 ,只能通过软件仿真 , 这对研究工作的深入是一个严重的障碍 。虽然有些高校物质 条件较好 ,实验资源却没有得到充分利用 ,造成资源浪费 。远 程实验是解决资源浪费 、进行资源共享的良好途径 。[ 1 ] 另外一种解决实验资源紧缺的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 是虚拟实验 , 可以 从一定程度上缓解资源不足的问题 ,但虚拟实验与实际实验还 有很大区别 ,只能用于一些演示实验 ,增进感性认识 ,对于科学[ 2 ] 研究是远远不够的 。所以 , 很多学者对远程实验进 行了探[ 3,8 ] [ 9 ] 索 。基于 W eb的 B / S结构远程实验室 比 C / S结构的远 ) 程实验室多几个主要优点 : a无须客户端开发 ,节省了开发成 创新实验室是一个基于 W eb的远程实验室 ,为研究生科 学研究和创新工作提供了一个实验 、展示和交流的平台 。用户 )) ; b平台无关性 ; c使用方便 ,只需考虑服务器端的 运行环本 不仅可以登录系统进行演示实验以帮助理解控制系统理论的 境 ,对用户没有要求 ,使用通用的网络浏览器即可 。但是 B / S相关概念 ,而且可以使用预定义的网络接口远程控制实验室内 结构应用程序是基于无连接 、无状态的 H TTP 的 ,这在实现某( 的 设 备 , 进 行 网 络 控 制 , 用 于 研 究 网 络 控 制 系 统 ne two rked ) 些功能时不如 C / S结构应用程序灵活 。本文将以北京理工大con tro l system , NCS。创新实验室还有一个 MA TLAB 服务器 , 供用户在线进行科学运算并保存运算结果 ,还可以用于控制实 学信息科学技术学院的基于因特网的远程控制 、测量与决策研验室内的倒立摆等被控对象 ,进行科学实验 ,以验证其用户自 () 究生创新实验室 简称创新实验室 为例 ,来讨论基于 W eb的 远程实验室在设计中的一些关键问题 。 收稿日期 : 2007 211 207; 修回日期 : 2008 202 208 基金项目 : 国家教育部研究生教育创新基地建设经费资助项目 ; 中国学位与研究生教育 学会“十一五 ”学位制度和研究生教育研究经费资助项目 ( ) ( ) ( ) 作者简介 :田德振 1980 2,男 ,河南濮阳人 ,博士 ,主要研究方向为基于 In te rne t的远程控制 nocky. tian@ gm a il. com ;戴亚平 1963 2,女 ,山东 ( ) 青岛人 ,教授 ,博导 ,博士 ,主要研究方向为智能系统 、基于 In ternet的远程控制 、网络安全 、信息融合 ; 左哲 1980 2,男 ,北京人 ,博士 ,主要研究方向 为控制理论与控制工程. 己提出的创新性算法的有效性 。 1 技术平台选择 由于控制算法 、MA TLAB 和数据库都比较消耗系统资源 , A SP、PH P、J SP 和 A SP当前较 流 行 的 动 态 网 页 技 术 有 使用一台服务器 无法满足性能要求 , 每个被控对象使 用一台 . N ET等 。对于一般的网络应用程序 ,这些技术都均可以胜任 , PC作为控制器 ,所有服务器一起在创新实验室内组成一个服 均可以实现所需的功能 。但远程实验室具有其特殊性 ,除了要 务器集群 。除 了 W eb 服 务 器 外 的 其 他 服 务 器 对 用 户 是 透 明 完成动态页面与用户交互外 , 还要实现控 制算法并且与设备 的 ,用户只需通过 W eb服务器即可访问 。 通信 。 A SP效率较低 ,而且只能运行在 W indow s平台 ,已逐渐被 A SP. N ET取代 ; PH P只能用于网页编程 ,不能开发独立运行的 可 基于的远程实验设计问题探讨执行 程 序 。 J SP 以 J ava 语 言 为 脚 本 语 言 ; A SP. N ET 可 以 [ 10, 11 ] C#、V isua l B a sic、J #为脚本语言 。两种技术平台分别由著 创新实验室实验界面是 B / S结构的 W eb 应用程序 , 用户名的 Sun和 M ic ro soft公司支持 ,而且这些语言均可用于开发独 无须下载任何客户端软件 ,只需通过普通的网络浏览器即可完 () 立运行的 可 支 持 程 序 都 需 要 运 行 时 环 境 支 持 。对 于 基 于 成实验操作 ,很容易通过移动设备进行操作 ,使得用户可以随 W eb的远程实验室选择 J SP或 A SP. N ET均可实现所需功能 。 J SP更适合于跨平台的应用 ,而 A SP. N ET比较适合于 W indow s 时随地进行远程实验 。但 W eb是基于无连接的 H TTP,给 W eb服务器与设备 的 通 信 造 成 一 定 的 不 便 , 而 且 H TTP 是 开 放 协 操作系统 ,创新实 验室采用 W indow s环境 , 使 用 A SP. N ET, 用 议 ,传输的安全问题也是必须考虑的一个重要问题 。 C#作为编程语言 。 J ava和 C#都不能直接编译成可执行代码 , 而是编译成中 用户的一次操作也就是一次 W eb页面的加载过程 ,如图 2间语言 ,运行在应用程序层的一个平台之上 。J ava运行在虚拟 所示 。首先 ,用户通过浏览器向 W eb服务器提交实验操作请 ( )机 J ava virtua l m ach ine, JVM 上 , C#运行在一个公共语言运行 求 ,W eb服务器收到请求后与设备建立临时的 Socke t连接 ,将 ( ) 时环境 common language run tim e, CLR 上 。在 执 行 程 序 时 再 指令发送到设备 ,设备执行用户的指令 ,如果必要的话等待设 将中间语言编译成可执行代码 ,这样就导致程序的执行效率比 C /C + +要低 。当控制器运算量较大 ,被控对象对实时性要求 备的响应信息 ;然后将页面传送给用户 ,在页面上显示一些提示信息以通知用户指令执行情况 。在图 2 所示的用户操作过 较高时 ,控制算法可能要使用 C /C + +实现以满足计算速度的 程中有一系列问题需要考虑 ,下面将详细探讨这些问题 。 要求 。因此 ,实现基于 W eb的远程实验室较好的两种方案是 : ) aJ SP平台 ,以 J ava编程语言为主 ,必要时使用 C /C + +作为补 1 安全问题 ) 充 ; bA SP. N ET平台 ,以 C #语言为主 ,必要时使用 C /C + +作 )1平台安全 服务器自身的安全是首 先要考虑的问题 。 为补充 。 防止病毒入侵 、黑客攻击等安全问题都必须在发布服务器之前 考虑 ,并且采取相应的措施 ,如安装杀毒软件 、防火墙等 。 )2程序安全 一方面 ,在设计 W eb 服务器程序时要注意 程序的安全性和可靠性 ,防止黑客通过程序漏洞获得管理员权 限 ,给系统带来安全隐患 ; 另一方面 , 用户发送实验操作请求 1 页面的状态存储 时 ,服务器需要判断用户的权限 。因为设备同一时刻不能有两W eb是 基 于 H TTP 的 , 而 H TTP 具 有 无 状 态 性 和 无 连 接 个用户进行操作 ,而每一个 W eb 页面都有可能被多个用户同 时浏览 ,所以必须为每一个用户分配不同的权限 ,只有授权用 性 ,即每个页面加载到客户端的浏览器以后便与服务器断开连户才可以进行实验操作 。创新实验室通过注册用户的方式来 接 ,这是与基于 C / S结构应用程序的最重要的区别 。 当用户授权 ,只有注册用户申请实验项目 ,并且由管理员审核通过才 通过页面控制实验设备时 ,只能每次发送指令时与 可以访问 。 设备之间建立一个临时的连接 ,一旦发送完毕 ,页面加载完毕 ,)3设备安全 实验设备的安全问题是远程实验室最重要 连接立即断开 ,之后就无法接收来自设备的任何消息 。因此 , 的一个安全问题 。可能对设备造成威胁主要有以下几种情况 : 要想接收设备返回的消息 ,一种方法是进行阻塞式的同步通信 )a黑客攻入服务器 。有可能对设备进 行破坏性的操 作 , 导致方法 ,但在通信过程中用户在客户端通过浏览器看到的只是等 贵重实验设备的损坏 ,造成重大损失 ,所以 ,实验设备必须 有可待状态 ,接收到消息以后再继续加载页面 ,使得用户体验较差 。 靠的安全保障 。当实验设备被远程操作时 ,要能识别是正 为了能从设备端接收到运行过程中的有用信息 ,而且能给 常操作还是异常操作 。用户较好的体验 ,在 W eb 服务器的页面后台增加了一个生命 )b网络传输错误 。从 W eb 服务器发送的指令 ,可能由于 周 期 与 用 户 使 用 该 页 面 时 间 相 当 的 进 程 , 该 进 程 使 用 会 话 外界环境干扰等因素造成数据传输过程中出错 ,使得设备执行 ( )() se ssion保存状态 ,在用户离开页面一段时间 可配置 或关 错误的指令 。 闭浏览器后 ,该会话自动销毁并退出后台进程 。 页面首次加载时创建监听进程 ,用于接收从设备发送的所 )c设备失控 。可能由于设备的长时间 运行和外界干 扰 , 有消息 ,便于之后供用户查看 ,当用户停止操作一定时间或者 使得实验设备的控制器失效 、设备失控 。 对于以上三种可能 对设备造成损坏的异常情况 ,首先可以 用户直接关闭浏览器后 , se ssion自动销毁 。在监听进程中监听 端口的同时也检测 se ssion, se ssion 过 期 后 监 听 进 程 也 自 动 销 从软件上限制远程用户的操作权限 ,禁止远程用户对设备进行 毁 。这样通过后台进程就解决了 W eb页面程序无法异步接收 一些危险操作 ,以保证设备的安全 ;对于网络传输错误 ,可以通 设备传回的消息的问题 。 Se ssion 对象被销毁后 , 就没有引用 过数据的校验等通信技术避免 ;设备失控的情况是设备安全问 指向 th read对象 ,所以当系统进行垃圾回收时会自动销毁没用 题的一个难点 ,如果控制算法失效 ,可以通过指令使之强行停 的 th read对象 。 对 W eb程序稍加改进 ,使用 J avaSc rip t语言编程 。在客户 止 ,如果是设备本身故障 ,必须有人监视 ,在必要时人为强行停 消息 ,再自动刷新页面从服务器读取消息显示给用户 。这样几网络控制创新实验室内的实验设备 ,给用户自由发挥的空间 。 乎可以做到与 C / S结构程序类似的实时显示消息 。但这样就 在很大程度上增加了 W eb服务器的负担 ,与用户 进行 必 要 的 手动刷新相比 ,使 服 务 器 负 担 增 加 , 负 担 的 增 幅 与 刷 新 的 间 隔时间成反 比 , 所 以 对 于 不 是 很 重 要 的 信 息 无 须 进 行 自 动 刷新 。 1 实验曲线的绘制 由于 W eb是基于无连接的 H TTP 的 ,不可能 通 过 服 务 器 端的应用程序直接在客户端实时地绘制实验曲线 ,而实际上这 结束语 也是不必要的 。通过数据库服务器的引入仍然可以绘制曲线 。 () 当用户进行操作实验时 如图 3 中步骤 A1 ,A4 ,设备开始执 本文从资源共享与研究创新的角度 ,结合网络通信技术 、 W eb技术 、数据库技术 、网络视频技术和自动控制科学等技术 行指令 ,控制过程中的状态信息均保存在数据库中 ; 当实验结设计了一个基于 W eb远程实验室 ,并以此为例就基于 W eb的 束 ,用户若 需 要 显 示 曲 线 , 则 可 以 向 W eb 服 务 器 发 送 请 求 ,远程实验室的设计中存在的一些关键问题进行了深入的分析 W eb服务器再从数据库中读取数据 , 并绘制曲线传回 客户端和探讨 ,首先对基于 W eb 远程实验室的设计时需要考虑的平 () 显示给用户 如图 3中步骤 B1,B4 。台安全 、程序安全和设备的安全问题进行了探讨 ,并给出了提 高安全性的建议 ;然后对基于 W eb 的远程实验室设计初期的 一个重要决策 ———W eb 技术平台选择进 行 了 探 讨 , 并 讨 论 了 由于 H TTP无连接的特殊性给数据传输和实验曲线的绘制带 来的不便 ,分别给出了一种解决方法和相关建议 。 以上方案通过实际系统进行了验证 ,可以较好地实现基于 W eb的远程实验室 ,但 某些技术所实现的结果 并不理想 。例 如 ,通过客户端 J avaSc rip t程序来模拟 C / S结构程序的实时信 息显示和曲线绘制的同时 ,也带来了一些负面影响 。今后将通 如果不将实 验 数 据 存 入 数 据 库 而 存 入 W eb 服 务 器 的 内过深入的研究逐步解决这些问题 ,如开发浏览器控件专门用于 曲线绘制等 ,使创新实验室更加完善 。 存 ,也可以通过上述会话 ,在实验结束后再将内存释放来解决 参考文献 : 该问题 。但当实验数据较多时会占用大量的服务器内存 ,用户 较多时很快会把内存耗尽 ,使用数据库保存数据更合适 。数据 库的引入也给系统提供了强大的数据存储能力 ,所有实验数据 均可以保存入数据库 ,供以后进行实验设备的性能及控制系统 [ 1 ] VAL ERA A , D IEZ J L , VALL ES M , et a l. V irtua l and remo te con tro l 的分析时使用 。当然 ,要获得实时查看实验过程数据的效果也labo ra to ry deve lopm en t [ J ]. IEE E Co n tro l S y s tem s M a g a z ine , 可以通过 213节所述 ,使用客户端程序 ,采用 A jax技术定时从 ( ) 2005 , 2 5 1 : 35 239. 数据库读取新的数据并绘制曲线到页面显示给用户 。但在实[ 2 ] N ED IC Z, MACHO TKA J , NA FAL SK IA. R emo te labo rato rie s versu s virtual and rea l labo ra to rie s [ C ] / / P roc of the 33 rd A nnua l F ron tiers 际使用中这样做有一个负面影响 ,即用户的输入焦点可能在用in Educa tion Conference. 2003: 1 26. 户输入数据时被定时运行的 J avaSc rip t程序修改 ,使用户不得[ 3 ] SCH ILL IN G K J , V ERN ET M P. R emo te ly con tro lled exp e rim en ts 不再次点击输入框重新获得焦点 ,使交互界面交互性变差 。w ith mob ile robo ts[ C ] / / P roc of the 34 th Sou thea ste rn Sympo sium on System Theo ry. 2002: 71 274. LU S J , CH EN B M , KO C C, et a l. W eb2ba sed robo t fo r remo te ex2 [ 4 ] 创新实验室实现p e rim en ts[ C ] / / P roc of the 4 th In te rna tiona l Confe rence on Con tro l and A u tom a tion. 2003: 158 2162. 创新实验室已经基本实现了第 1章中描述的功能 ,实现的[ 5 ] Y IN G Shao2dong, ZHU Shan2an. R emo te labo ra to ry ba sed on c lien t2 被控对象有三自由度直升机和单自由度机械臂 ,用户可以做两se rve r2con tro lle r a rch itec tu re [ C ] / / P roc of the 8 th In ternationa l Con2 类实验 ,即演示实验和远程控制实验 。fe rence on Con tro l, A u tom ation, Robo tic s and V ision. 2004: 2194 2 2198. 演示实验是使用已经实现的控制算法 ,用户可以调节控制 [ 6 ] 胡裕峰 ,朱善安. 基于 Java的网络实验室服务器设计与实现 [ J ]. 器参数 ,并进行特定操作的观察实验 。图 4为进行三自由度直( ) 实验室研究与探索 , 2007 , 2 6 3 : 27 229 , 116. 升机演示实验的界面 。用户登录后即可进入实验界面 ,如果用[ 7 ] FUJ IIN , KO IKE N. A new remo te labo ra to ry fo r ha rdwa re exp e rim en t w ith sha red re sou rce s and se rvice m anagem en t [ C ] / / P roc of the 3 rd 户没有得到实验操作授权 ,只能收看在线视频 ,观察其他用户In te rna tional Confe rence on Info rm a tion Techno logy and App lication s. 进行的实验 ,并可通过聊天室参与 、观察本实验的其他用户的2005: 153 2158. 交流 ,用户获得授权后即可对实验进行操作 。实验操作面板 、 [ 8 ] 邬海杰. 基于双 C / S结构的计算机控制技术远程网络实验系统 的设计与实现 [ D ]. 杭州 :浙江大学 , 2003. 实时视频 、聊天室的结合使用户不仅将实验设备的现场画面展YON EKAWA A , H IRANO H , YO SH IZAWA D , et a l. A remo te ex2 [ 9 ] 示给用户 ,而且做实验的用户和观察实验的用户可以进行实时p e rim en t system on robo t veh ic le con tro l fo r enginee ring educa tion s 的讨论 ,就如同几个用户在一个实验室内做同一个实验 ,给用based on W o rld W ide W eb [ C ] / / P roc of the 35 th A nnua l F ron tie rs in Educa tion. 2005: 24 229. 户很强的临场感 。实验完成后 ,用户可以查看实验过程数据 ,[ 10 ] WA TSON K, NA GEL C, et a l. C#入门经典 [M ]. 齐立波 ,译. 3 版. 并选择性地绘制相应的实验曲线 ,如图 4所示 。 北京 :清华大学出版社 , 2006. 远程控制实验是为研究生进行创新性研究而设计的 ,用户 [ 11 ] NA GEL C, EVJEN B , GL YNN J. C #高级编程 [ M ]. 李敏波 ,译. 4 版. 北京 : 清华大学出版社 , 2006. 经过授权后可使用自己的控制算法 、实现自己的控制器 ,通过