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測試儀器建立“有界無限”的統(tǒng)一模型。在機械工程領域，“機械測試”就是一個“界”，屬于這個界內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

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

圖2“巖石模型”中的一個截面

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

單通道FFT分析儀多通道記憶示波器旋轉機械階比分析儀噪聲分析儀音頻信號分析儀小波分析儀“巖石”模型巖石模型的一個截面（通過新的開發(fā)可注入和添加在截面內新型儀器）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)學模型

巖石模型中“量”的數(shù)學表達式是一個簡單的宏觀數(shù)學模型，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k——“巖石”每層截面上輸出的連線部位的序號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)內均含有測試功能庫）3、巖石模型的計算機表達…………………………………………………………儀器運行狀態(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)巖石模型計算機表達示意圖說明

圖中所示系統(tǒng)是對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)呈鏡像關系，即對于A狀態(tài)中的“巖層”，在B狀態(tài)中都有一個鏡像，且兩者具有唯一的連接關系。根據該示意圖，可以方便地實現(xiàn)“巖層”分割、“觸點創(chuàng)建”及“觸點”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現(xiàn)虛擬儀器的自拼搭和自演化，以適應不同場合的測試需要進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)結構模型用戶需求智能決策中心

查詢接口

資源庫

儀器拼搭場

神經網絡用戶接口規(guī)則集資源分類工具查詢服務層控件庫功能庫即用儀器庫資源查詢工具資源評價工具規(guī)則集規(guī)則集和神經網絡是“巖石”模型智能開發(fā)系統(tǒng)的核心。為挖掘拼搭規(guī)則，應首先為拼搭實例建立分別建立關系數(shù)據庫D，其中的項集I={i1,i2,…，in}包括了虛擬儀器中所有功能和控件、某次拼搭實例中某種控件的個數(shù)以及儀器的分類信息；然后采用加權規(guī)則算法便能從關系數(shù)據庫中提取規(guī)則。

神經網絡根據輸入信息，神經網絡在規(guī)則集的指導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儀器的構建。隨著拼搭經驗的積累，神經網絡的記憶、聯(lián)想功能將得到進一步提升，使虛擬儀器實現(xiàn)自演化成為可能。5、信號變換統(tǒng)一模型的建立巖石模型要變得真正具有物理意義，需要對眾多測試儀器的功能進行一系列數(shù)學建模。如果對這些信號變換的數(shù)學模型分別開發(fā)，將是非常大的工作量。因此，可以根據冗余思想構造出這些模型的統(tǒng)一模型，再對統(tǒng)一數(shù)學模型進行編程，然后讓其中的參數(shù)分別取不同的值，即可很容易地實現(xiàn)不同的信號變換功能。傅里葉變換、短時傅里葉變換與小波變換正變換的統(tǒng)一模型

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

傅立葉變換短時傅立葉變換小波變換域參變量個數(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稱為域參變量調節(jié)系數(shù)，它主要是由域參變量的選擇引起的。變換符號之前加I表示求逆。傅里葉變換、短時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、短時傅里葉逆變換和小波逆變換在信號逆變換統(tǒng)一數(shù)學模型中各變量和變函數(shù)的取值如下表所示。變換名稱

傅立葉逆變換短時傅立葉逆變換小波逆變換域參變量個數(shù)k

122域參變量變換核函數(shù)調節(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)設置不可預知或參數(shù)之間存在關聯(lián)的情況下。在3.0版本中作了如下改進：2)

實現(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)

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

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)據為驅動的開發(fā)模式。 利用組態(tài)技術，便可建立以數(shù)據流為中心的模式，從而實現(xiàn)儀器功能的共享和復用。2、可重組的信號處理功能庫的建立

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

根據這些基本功能庫，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)在對基本功能的“拼搭組合”上，即實現(xiàn)功能組態(tài)，從而避免了煩瑣的程序開發(fā)。3、可復用數(shù)據管理模塊的建立

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調理器，并建立相應的數(shù)據管理模塊，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)對采集數(shù)據進行統(tǒng)一管理。數(shù)據管理模塊應能實現(xiàn)數(shù)據采集和數(shù)據回放，以及管理儀器功能需要用到的數(shù)據，實現(xiàn)數(shù)據透明。對于使用串口或并口來進行數(shù)據采集的設備也可以建立相應的數(shù)據獲取模塊。

可以采用組態(tài)技術來構建該模塊，即實現(xiàn)數(shù)據組態(tài)。4、控件庫的改造

由于每個控件都有各自的功能賦予、屬性設置頁面，這就會給開發(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，建立可復用功能賦予模塊和控件物理屬性設置模塊，然后交由系統(tǒng)統(tǒng)一管理，從而實現(xiàn)大粒度復用，并提高了用戶參與的方便性及系統(tǒng)的運行效率。另外，可以根據控件特點，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)的運行效率。因此，可根據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，需要對它們進行分類，然后有序地集成至相應的“巖層”中，即“分合技術”。

分類方式可以采用刻面分類。基于巖石模型的刻面分類方法是由一系列描述巖層本質特征的刻面組成，每個刻面從不同角度對巖層和巖層中的儀器及功能進行分類?？堂嬗梢唤M術語構成，術語之間具有一般/特殊關系，形成結構化的術語空間。在巖石模型中進行刻面分類，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

巖石模型是一個極端復雜儀器系統(tǒng)，存在大量的信息交互，因此必須對測試儀器集成制造的通信協(xié)議進行研究。由于控件、功能、儀器、巖層之間的關系是復雜的網絡結構，因此需要研究高效可靠的信息路由方法、測試校驗方法和信息傳遞錯誤的處理機制，以保證“有界無限”儀器系統(tǒng)的可靠性和運行效率。8、網絡化接口的研究

隨著網絡技術的發(fā)展和Internet的普及，測試技術網絡化成為大勢所趨。對于一個復雜的測試系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的測量、輸入、輸出和結果分析往往分布在不同的地理位置，通過網絡實現(xiàn)對被測對象的測試與控制具有十分重要的意義。將數(shù)據采集設備，信號調理器，測試儀器等用網絡連接起來便構成了一臺網絡化虛擬儀器。因此，在巖石模型虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)中，可以提供一定的網絡接口，從而使得用戶不必去學習復雜的TCP/IP傳輸協(xié)議，便能輕松的組建網絡化虛擬儀器。

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，實現(xiàn)數(shù)據共享及部分功能共享，從而極大的擴展系統(tǒng)的功能庫。主要研究與LabVIEW系統(tǒng)、DASYLab系統(tǒng)和