巖石模型研究現(xiàn)狀與展望

巖石模型的研究現(xiàn)狀與展望XFgaoxiaoceshi一、研究現(xiàn)狀1、建立了巖石模型的宏觀物理模型巖石模型在理論上是對(duì)測試儀器建立“有界無限”的統(tǒng)一模型。在機(jī)械工程領(lǐng)域，“機(jī)械測試”就是一個(gè)“界”，屬于這個(gè)界內(nèi)的任何測試功能或儀器都可以集成在這一系統(tǒng)（巖石模型）中。如圖1、2所示。

圖1“巖石模型”的宏觀物理模型

每一個(gè)巖石模型中包含著“有界無限”個(gè)截面，這些截面的總體包含著N個(gè)“有界無限”種測試儀器。

圖2“巖石模型”中的一個(gè)截面

一個(gè)巖石模型的截面內(nèi)，包含著一類測試儀器的系列儀器產(chǎn)品和一套可以任意添加注入新儀器的開發(fā)系統(tǒng)。本圖的截面表示機(jī)械信號(hào)分析系列儀器。

單通道FFT分析儀多通道記憶示波器旋轉(zhuǎn)機(jī)械階比分析儀噪聲分析儀音頻信號(hào)分析儀小波分析儀“巖石”模型巖石模型的一個(gè)截面（通過新的開發(fā)可注入和添加在截面內(nèi)新型儀器）開發(fā)系統(tǒng)傳遞相干分析儀2、建立了巖石模型的宏觀數(shù)學(xué)模型

巖石模型中“量”的數(shù)學(xué)表達(dá)式是一個(gè)簡單的宏觀數(shù)學(xué)模型，如下式所示

式中：M——測試儀器集（MN，N是正整數(shù)）D——測試儀器開發(fā)系統(tǒng)集（DN，N是正整數(shù)）j——“巖石”層數(shù)的序號(hào)k——“巖石”每層截面上輸出的連線部位的序號(hào)J——“巖石”的層數(shù)，為“有界無限”（足夠大）的正整數(shù)K——“巖石”的每層截面上輸出的連線部位數(shù)，為“有界無限”（足夠大）的正整數(shù)Mj,k——第j層第k位上集成的虛擬測試儀器Dj——第j層上集成的虛擬測試儀器開發(fā)系統(tǒng)（每層的開發(fā)系統(tǒng)內(nèi)均含有測試功能庫）3、巖石模型的計(jì)算機(jī)表達(dá)…………………………………………………………儀器運(yùn)行狀態(tài)：A儀器開發(fā)狀態(tài)：BRock.A_kICVI.A_(k+1)_2ICVI.A_(k+1)_1ICVI.A_(k+1)_nRock.A_(k+1)ICVI.A_1Rock.B_kICVI.B_k_nICVI.B_k_(n+1)Rock.B_(k+1)Rock.B_(k+2)Rock.B_(k+3)巖石模型計(jì)算機(jī)表達(dá)示意圖說明

圖中所示系統(tǒng)是對(duì)智能控件化虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的再次深度集成，包括兩種狀態(tài)：儀器運(yùn)行狀態(tài)(A狀態(tài))和儀器開發(fā)狀態(tài)(B狀態(tài))。A狀態(tài)與B狀態(tài)呈鏡像關(guān)系，即對(duì)于A狀態(tài)中的“巖層”，在B狀態(tài)中都有一個(gè)鏡像，且兩者具有唯一的連接關(guān)系。根據(jù)該示意圖，可以方便地實(shí)現(xiàn)“巖層”分割、“觸點(diǎn)創(chuàng)建”及“觸點(diǎn)”或“巖層”的清除。4、智能虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的研究

研究意義：充分利用巖石模型大型虛擬儀器庫中豐富的資源實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的自拼搭和自演化，以適應(yīng)不同場合的測試需要進(jìn)一步降低虛擬儀器開發(fā)的難度智能虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型用戶需求智能決策中心

查詢接口

資源庫

儀器拼搭場

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用戶接口規(guī)則集資源分類工具查詢服務(wù)層控件庫功能庫即用儀器庫資源查詢工具資源評(píng)價(jià)工具規(guī)則集規(guī)則集和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是“巖石”模型智能開發(fā)系統(tǒng)的核心。為挖掘拼搭規(guī)則，應(yīng)首先為拼搭實(shí)例建立分別建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫D，其中的項(xiàng)集I={i1,i2,…，in}包括了虛擬儀器中所有功能和控件、某次拼搭實(shí)例中某種控件的個(gè)數(shù)以及儀器的分類信息；然后采用加權(quán)規(guī)則算法便能從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中提取規(guī)則。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)輸入信息，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在規(guī)則集的指導(dǎo)下從資源庫中找到所需的控件和功能，再由儀器拼搭場完成對(duì)儀器的構(gòu)建。隨著拼搭經(jīng)驗(yàn)的積累，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶、聯(lián)想功能將得到進(jìn)一步提升，使虛擬儀器實(shí)現(xiàn)自演化成為可能。5、信號(hào)變換統(tǒng)一模型的建立巖石模型要變得真正具有物理意義，需要對(duì)眾多測試儀器的功能進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)建模。如果對(duì)這些信號(hào)變換的數(shù)學(xué)模型分別開發(fā)，將是非常大的工作量。因此，可以根據(jù)冗余思想構(gòu)造出這些模型的統(tǒng)一模型，再對(duì)統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，然后讓其中的參數(shù)分別取不同的值，即可很容易地實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)變換功能。傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換與小波變換正變換的統(tǒng)一模型

式中x(t)表示時(shí)域信號(hào)，表示與某域有關(guān)的變量，稱為域參變量，是帶有域參變量的時(shí)間t的函數(shù)，稱為域參變量的變換核函數(shù)。傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換和小波變換在信號(hào)正變換統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型中各變量和變函數(shù)的取值如下表所示。變換名稱

傅立葉變換短時(shí)傅立葉變換小波變換域參變量個(gè)數(shù)k

122域參變量變換核函數(shù)備注r(t)為窗函數(shù)

(t)為母小波式中C稱為域參變量調(diào)節(jié)系數(shù)，它主要是由域參變量的選擇引起的。變換符號(hào)之前加I表示求逆。傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換與小波變換逆變換的統(tǒng)一模型傅里葉逆變換、短時(shí)傅里葉逆變換和小波逆變換在信號(hào)逆變換統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型中各變量和變函數(shù)的取值如下表所示。變換名稱

傅立葉逆變換短時(shí)傅立葉逆變換小波逆變換域參變量個(gè)數(shù)k

122域參變量變換核函數(shù)調(diào)節(jié)系數(shù)C備注r(t)為窗函數(shù)

(t)為母小波6、VMIDS3.0系統(tǒng)的研制1)

增加了數(shù)字雙向功能函數(shù)，這類函數(shù)一般用在參數(shù)設(shè)置不可預(yù)知或參數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)的情況下。在3.0版本中作了如下改進(jìn)：2)

實(shí)現(xiàn)了功能的“連續(xù)賦予”，使得“賦予”效率得到大大提高，如圖3所示。3)

初步實(shí)現(xiàn)了“巖層”分割及儀器“觸點(diǎn)”的創(chuàng)建，每一“巖層”中的儀器均可用指針方便地調(diào)用，如圖4所示。圖3功能“連續(xù)賦予”的實(shí)現(xiàn)圖4“巖層”的分隔與儀器“觸點(diǎn)”的創(chuàng)建巖石模型的初步實(shí)現(xiàn)二、研究展望1、VMIDS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究

巖石模型的載體就是VMIDS系統(tǒng)，但現(xiàn)有系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)儀器功能的共享，這就給巖石模型大型儀器庫的開發(fā)帶來了一定的難度。因此，可以參照DASLab，LabVIEW，BK

等系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)中增加以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的開發(fā)模式。 利用組態(tài)技術(shù)，便可建立以數(shù)據(jù)流為中心的模式，從而實(shí)現(xiàn)儀器功能的共享和復(fù)用。2、可重組的信號(hào)處理功能庫的建立

主流虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在功能庫的規(guī)模及功能重組和復(fù)用上，因此，在巖石模型中建立可重組的大型信號(hào)處理功能庫是很有必要的。根據(jù)實(shí)際需要，可以考慮開發(fā)如下信號(hào)處理功能庫：基本信號(hào)處理功能庫；數(shù)學(xué)處理功能庫；時(shí)頻分析功能庫；小波變換功能庫。

根據(jù)這些基本功能庫，還可以組建出用戶定制的儀器功能，這就使用戶的參與性更多體現(xiàn)在對(duì)基本功能的“拼搭組合”上，即實(shí)現(xiàn)功能組態(tài)，從而避免了煩瑣的程序開發(fā)。3、可復(fù)用數(shù)據(jù)管理模塊的建立

參照其它系統(tǒng)，我們可以為VMIDS系統(tǒng)提供各種特定的采集卡和信號(hào)調(diào)理器，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理模塊，從而避免了用戶與底層硬件打交道，提高了儀器的開發(fā)效率，并方便了開發(fā)系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)管理模塊應(yīng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)回放，以及管理儀器功能需要用到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明。對(duì)于使用串口或并口來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的設(shè)備也可以建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取模塊。

可以采用組態(tài)技術(shù)來構(gòu)建該模塊，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組態(tài)。4、控件庫的改造

由于每個(gè)控件都有各自的功能賦予、屬性設(shè)置頁面，這就會(huì)給開發(fā)系統(tǒng)帶來資源消耗，因此，可以從具體控件中剝離出這兩部分，建立可復(fù)用功能賦予模塊和控件物理屬性設(shè)置模塊，然后交由系統(tǒng)統(tǒng)一管理，從而實(shí)現(xiàn)大粒度復(fù)用，并提高了用戶參與的方便性及系統(tǒng)的運(yùn)行效率。另外，可以根據(jù)控件特點(diǎn)，將幾類功能相似的控件合并為一大類控件。5、智能虛擬顯示器的優(yōu)化

顯示器是一類非常特殊的控件，它具有“即插即用”性，但是，由于它集成了所有的顯示模式，因此占用了許多系統(tǒng)資源，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此，可根據(jù)需要將顯示器拆分為一些具有特定顯示模式的顯示器。例如，在不需要3D顯示的情況下，可以提供僅具有2D顯示模式的顯示器。顯示器還應(yīng)提供更多的接口函數(shù)，以滿足用戶特定顯示方式的需要。6、分合技術(shù)的研究

由于巖石模型中測試儀器和功能的數(shù)目是十分巨大的，需要對(duì)它們進(jìn)行分類，然后有序地集成至相應(yīng)的“巖層”中，即“分合技術(shù)”。

分類方式可以采用刻面分類?；趲r石模型的刻面分類方法是由一系列描述巖層本質(zhì)特征的刻面組成，每個(gè)刻面從不同角度對(duì)巖層和巖層中的儀器及功能進(jìn)行分類?？堂嬗梢唤M術(shù)語構(gòu)成，術(shù)語之間具有一般/特殊關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)化的術(shù)語空間。在巖石模型中進(jìn)行刻面分類，有利于儀器和測試功能的深度集成，并且便于用戶快速檢索。7、集成制造通信協(xié)議的研究

巖石模型是一個(gè)極端復(fù)雜儀器系統(tǒng)，存在大量的信息交互，因此必須對(duì)測試儀器集成制造的通信協(xié)議進(jìn)行研究。由于控件、功能、儀器、巖層之間的關(guān)系是復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此需要研究高效可靠的信息路由方法、測試校驗(yàn)方法和信息傳遞錯(cuò)誤的處理機(jī)制，以保證“有界無限”儀器系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。8、網(wǎng)絡(luò)化接口的研究

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和Internet的普及，測試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化成為大勢(shì)所趨。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的測試系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的測量、輸入、輸出和結(jié)果分析往往分布在不同的地理位置，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測對(duì)象的測試與控制具有十分重要的意義。將數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理器，測試儀器等用網(wǎng)絡(luò)連接起來便構(gòu)成了一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器。因此，在巖石模型虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)中，可以提供一定的網(wǎng)絡(luò)接口，從而使得用戶不必去學(xué)習(xí)復(fù)雜的TCP/IP傳輸協(xié)議，便能輕松的組建網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器。

9、與其它系統(tǒng)交互性的研究

在LabVIEW、Matlab等系統(tǒng)中均提供了與其它系統(tǒng)的交互接口。為了提高巖石模型虛擬儀器系統(tǒng)的開放性，可以在VMIDS開發(fā)系統(tǒng)中提供與其他系統(tǒng)交互的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及部分功能共享，從而極大的擴(kuò)展系統(tǒng)的功能庫。主要研究與LabVIEW系統(tǒng)、DASYLab系統(tǒng)和