一种网络化协同虚拟实验控制系统及控制方法

摘要

本发明提供一种网络化协同虚拟实验控制系统，包括一个或多个实验客户端；一个或多个实验后台服务器，实验客户端通过网络与所述实验后台服务器相连接并通讯；实验后台服务器至少包括：协同实验模块，其用于将实验客户端以及实验后台服务器的数据进行同步；实验计算服务器，其用于对来自所述实验客户端的数据进行处理，并将对所述数据处理后的结果返回给所述实验客户端，从而实现实验客户端的协同工作。还提供实现网络化协同虚拟实验的控制方法。本发明采用统一的虚拟实验标准和规范，提供统一的虚拟实验服务接口，利用现有网络技术，开发出交互性强、可扩展性好、安全性高、协同性好的虚拟实验协同平台。

说明书

技术领域

本发明属于计算机系统，尤其是计算机仿真系统，具体地，涉及 网络化协同虚拟实验控制系统以及相应的控制方法。

背景技术

目前，办公呈现分散的趋势，例如很多公司允许员工在家办公， 简称为SOHO，也有很多公司的员工常年出差在外、自然而然形成远 程办公的态势。对于大多数行业而言，往往通过电子邮件就可以解决 远程办公、分散办公的问题，但对于特定的项目或者行业而言，电子 邮件并不能解决所有办公问题。例如，各实验室需要互相交流实验数 据、察看视频，这都不是现有的办公软件所能解决的。

目前，在各高校、科研院所存在一定程度虚拟实验平台。这些虚 拟实验平台允许各实验者在网上进行工作，例如通过网络将实验数据 传输，或者通过网络来参加实验。但现有的网上虚拟实验平台大多还 局限于单人独立操作或多用户异步操作，存在着不能为多用户提供一 个实时同步的协作环境的问题。

目前有的技术方案是基于专门工具的，通用性不强，例如：“方 利伟，基于Virtools的网上协同虚拟实验系统研究，中国电力教育， 2011年第14期；”，也有基于TCP组播通信方式的，不能方便地穿 透网络防火墙，开发技术要求高，如“周勇，徐英卓，基于VRML-JAVA 的网上协同虚拟实验系统研究，电化教育研究，2006年第5期(总第 157期)”，“郑耿忠，基于Web的电路协同虚拟实验室研究及实现， 计算机工程与设计，Vol.27(21)，2006年11月”。在后一论文中实验 客户端的通用性不好，由应用服务器统一处理客户端的各种访问请 求，带有很大的弊端。

针对目前虚拟实验平台的弊端，我们急需建立一种实现网络化协 同虚拟实验的方法。教师可以建立一个虚拟实验组，不同地方的用户 通过自己的电脑上的浏览器访问同一个虚拟实验组，就能够观看教师 对实验的操作。同时，不同学生的操作也能够反映到整个实验场景中， 为其他用户共享。

发明内容

针对现有技术中虚拟实验平台单机操作、通讯性不好的缺陷，本 发明的目的是提供一种网络化协同虚拟实验控制系统以及网络化协同 虚拟实验控制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种网络化协同虚拟实验控制系统， 包括：

一个或多个实验客户端；

一个或多个实验后台服务器，所述实验客户端通过网络与所述实 验后台服务器相连接并通讯；

其特征在于，所述实验后台服务器至少包括：

协同实验模块，其用于将所述实验客户端以及实验后台服务器的 数据进行同步；以及

实验计算服务器，其用于对来自所述实验客户端的数据进行处 理，并将对所述数据处理后的结果返回给所述实验客户端，从而实现 实验客户端的协同工作。

根据本发明的另一个方面，还提供一种在上述网络化协同虚拟实 验控制系统中实现网络化协同虚拟实验的控制方法，包括如下步骤：

a.接收来自一个或多个实验客户端的通讯数据；

b.根据所述通讯数据进行冲突校验；

c.若所述通讯数据不存在冲突，则基于所述通讯数据进行计算， 并将计算结果作为实验处理结果返回给全部实验客户端；以及

d.若所述通讯数据存在冲突，则选择所述通讯数据中的一个通讯 数据作为有效通讯数据，并基于所述有效通讯数据进行计算，并将计 算结果作为实验处理结果返回给全部实验客户端。

优选地，所述通讯数据中包括时间指示信息，所述步骤d中的选 择所述通讯数据中的一个通讯数据作为有效通讯数据的步骤包括如 下步骤：根据所述时间指示信息，选择操作时间最早的一个通讯数据 作为所述有效通讯数据。

优选地，所述通讯数据中至少还包括如下数据中的一种或多种： 实验操作命令，其通过所述实验命令通道被传输；以及实验数据，其 通过所述实验数据通道被传输。

优选地，在所述步骤a之前还包括如下步骤：对全部实验客户端 进行时间同步操作。

优选地，在所述步骤a之前还包括如下步骤：创建虚拟实验的操 作；以及将一个或多个实验客户端加入所述虚拟实验的操作。

优选地，所述创建虚拟实验的操作包括如下步骤：

-接收创建虚拟实验的请求信息；

-基于所述请求信息创建一虚拟实验；

-广播所述虚拟实验的指示信息。

优选地，在所述广播所述虚拟实验的指示信息步骤之后还包括如 下步骤：每个客户端将所述虚拟实验的指示信息加入本地虚拟实验列 表。

优选地，所述虚拟实验的指示信息至少包括如下信息中的任一种 或任多种：所述虚拟实验的唯一标识；以及，所述虚拟实验的名称。

优选地，所述基于所述请求信息创建一虚拟实验的的步骤包括如 下步骤：

-判断所述创建虚拟实验的请求是否存在冲突；

-若不存在冲突，则创建所述虚拟实验；

-若存在冲突，则创建虚拟实验失败。

优选地，所述将一个或多个实验客户端加入所述虚拟实验的操作 包括如下步骤：

-所述协同实验模块接收一个活多个实验客户端加入所述虚拟实 验的请求信息；

-所述协同实验模块将所述请求信息发送给主控制实验客户端；

-所述主控制实验客户端选择接受或拒绝所述请求信息；

-若所述主控制实验客户端选择接受所述请求信息，则所述请求 信息对应的实验客户端被加入所述虚拟实验。

优选地，上述所述请求信息对应的实验客户端被加入所述虚拟实 验的步骤包括如下步骤：

-协同实验模块将与所述请求信息对应的实验客户端加入订阅者 列表。

优选地，上述所述请求信息对应的实验客户端被加入所述虚拟实 验的步骤包括如下步骤：

-所述协同实验模块将所述实验客户端成功加入所述虚拟实验的 反馈信息发生给所述实验客户端。

本发明为了解决以上虚拟实验存在的问题，采用统一的虚拟实验 标准和规范，提供统一的虚拟实验服务接口，利用现有网络技术，开 发出交互性强、可扩展性好、安全性高、协同性好的虚拟实验协同平 台。本发明的优点主要体现在以下几点：

1.本发明提出了一种解决虚拟实验平台的技术方案，基于该方 案可以实现通讯性好的虚拟实验平台，同时该技术方案具有普遍适应 性。

2.本发明基于Pushlet服务器推框架，客服传统socket通信端 口受限的问题，使得虚拟实验可以在互联网的环境下正常使用。 Pushlet框架还可充当协同模式实验中用户协作管理的角色。

3.实验架构采用浏览器+插件模式。插件支持Flex开发的富 客户端，也可以采用基于浏览器的插件开发技术，如Java Applet、 ActiveX等技术。技术适应面广。

4.本发明包括了一种同步和冲突解决方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发 明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明的第一实施例的，网络化协同虚拟实验控制 系统的结构示意图；

图2示出根据本发明的第二实施例的，网络化协同虚拟实验控制 系统的结构示意图；

图3示出根据本发明的第一实施例的，网络化协同虚拟实验控制 方法的流程图；

图4示出根据本发明的第二实施例的，网络化协同虚拟实验控制 方法的流程图；

图5示出根据本发明的第一实施例的，在网络化协同虚拟实验控 制方法中创建虚拟实验室的流程图；

图6示出根据本发明的第一实施例的，在网络化协同虚拟实验控 制方法中将一个实验客户端加入一个虚拟实验室的流程图；以及

图7示出根据本发明的第三实施例的，在网络化协同虚拟实验控 制方法中进行虚拟实验的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施例的，网络化协同虚拟实验控制 系统的结构示意图。具体地，在本实施例中，所述网络化协同虚拟实 验控制系统，包括：一个或多个实验客户端1；一个或多个实验后台 服务器2，所述实验客户端1通过网络与所述实验后台服务器2相连 接并通讯。

更为具体地，在本实施例中，所述实验后台服务器2至少包括：

协同实验模块21，其用于将所述实验客户端1以及实验后台服务 器2的数据进行同步；以及

实验计算服务器22，其用于对来自所述实验客户端1的数据进行 处理，并将对所述数据处理后的结果返回给所述实验客户端1，从而 实现实验客户端1的协同工作。

在一个优选实施例中，所述网络至少包括如下网络通道：实验命令 通道31以及实验数据通道32。其中，所述实验命令通道31用于传输 虚拟实验中产生的实验命令，例如“开始实验”等命令，而所述实验 数据通道32用于传输虚拟实验中产生的实验数据，例如各种实验结 果，在此不予赘述。本领域技术人员理解，优选地，所述验命令通道 31以及实验数据通道32采用同一个物理通道，但从逻辑上将其区分 为两个具有不同功能的通道，从而便于管理、提高虚拟实验效率。

在一个优选实施例中，所述网络化协同虚拟实验控制系统的实验客 户端1至少包括实验插件11，所述实验插件11用于接收外部数据， 并根据所述外部数据进行实验处理。进一步地，在另一个优选实施例 中，所述网络化协同虚拟实验控制系统的实验客户端1至少还包括客 户端通信模块12，其用于与外部进行通讯。具体地，本领域技术人员 理解，所述客户端通信模块12优选地通过图1所示网络与所述实验 后台服务器2进行通讯。

更进一步地，本领域技术人员理解，上述图1所示网络优选地采 用互联网，而在一个变化例中也可以采用局域网。但优选地，本网络 化协同虚拟实验控制系统更广泛地应用于通过互联网进行通讯的场 景，且优选地解决了基于互联网的虚拟实验平台的通讯问题。

图2示出根据本发明的第二实施例的，网络化协同虚拟实验控制 系统的结构示意图。本实施例在上述图1所示实施例基础上实现了多 个实验客户端1与一个或多个实验后台服务器2进行通讯并完成实验 的架构。即存在多个客户端，分别为客户端91、客户端92……客户 端9N，这些客户端均包括了上述图1所示的实验客户端1。优选地， 本领域技术人员理解，所述实验客户端1可以是置于一个计算机(即 图2所示客户端91)中的插件，该插件可以是硬件或者软件，在此不 予赘述。

进一步地，本领域技术人员理解，协同实验有一组服务器2和多 个客户端9N组成。每个客户端9N包含图1中的实验客户端、实验 插件和客户端通信模块组成。每个客户端通过通道与服务器组的协同 实验模块连接。

优选地，本发明采用公开的Pushlet框架实现消息的广播。pushlet 可以实现一种消息订阅模式，即订阅相同消息ID的客户端能够同时 收到消息广播。这样保证协同实验模块发送的消息能够被多个客户端 同时收到。

其中，客户端91，客户端92…客户端9N中有一个是教师客户端， 可以创建协同实验，并且对实验有管理权限。其余客户端为学生客户 端，不能创建实验，但是可以加入一个协同实验。

通道41，通道42…通道4n都包括了图1所示实施例中的实验命 令通道31和实验数据通道32，在此不予赘述。

更具体地，参考上述图1以及图2，本领域技术人员理解，优选 地，通过如下操作流程对本发明提供的网络化协同虚拟实验控制系统 进行操作。

在只有一个实验客户端的情况下，即一个用户的操作过程如下：

实验者通过置于所述实验客户端1内的浏览器(如IE等)打开 实验插件11，对实验插件11的操作形成操作指令和操作数据通过通 信通道来向通信模块12发送。通信模块12和协同实验模块21建立 有实验命令通道31和实验数据通道32。

实验命令通道31和实验数据通道32优选地是基于Internet建立， 可以穿透网络防火墙。实验命令通道31用来发送实验控制命令，如 创建、开始、停止等，实验数据通道32用来传送实验过程的相关数 据，如实验器材的状态、运行结果数据等。

实验操作指令和操作数据发送到协同实验模块21后，经过实验 协同处理流程，正确的指令通过服务器通信通道发送到实验计算服务 器22。实验计算服务器22统一解析实验操作指令和实验操作数据， 得到计算结果，再通过通道、协同实验模块21、实验命令通道31和 实验数据通道32，通道，发送给上述实验客户端1。

实验后台服务器2可以是在一台物理服务器上面的多个服务器， 也可以是多台服务器分别扮演协同实验模块21和实验计算服务器22 的角色。优选地，所述协同实验模块21和实验计算服务器22都在同 一个局域网中，这样可以更加有利于不用穿透Internet防火墙进行通 信。

进一步，在图2所示存在多个实验客户端1的情况下，也是采用 类似的情况进行实验操作，具体如下流程所示。

图3示出根据本发明的第一实施例的，网络化协同虚拟实验控制 方法的流程图。首先，执行步骤S211，接收来自一个或多个实验客户 端的通讯数据。本领域技术人员理解，优选地，通过图1所示的两个 通道31、32接收这些通讯数据。其次，进入步骤S212，根据所述通 讯数据进行冲突校验。优选地，本领域技术人员理解，冲突校验通常 校验数据的一致性或者时间的一致性。例如，如果针对同一个实验对 象的操作却出现不同的操作内容，而根据实验原理这个实验对象是不 能进行两种不同的操作，因此，就会产生冲突。类似地，如果在前后 紧邻两个实验时间出现了矛盾的实验结果，那么也会构成冲突校验。

接下来，执行步骤S213，判断所述通讯数据是否存在冲突。本 领域技术人员理解，该步骤基于上述步骤S212的结果完成。若所述 通讯数据不存在冲突，则进入步骤S214，即基于所述通讯数据进行 计算，并将计算结果作为实验处理结果返回给全部实验客户端。若所 述通讯数据存在冲突，则选择所述通讯数据中的一个通讯数据作为有 效通讯数据，然后再进入步骤S214。

图4示出根据本发明的第二实施例的，网络化协同虚拟实验控制 方法的流程图。本实施例在上述图3所示实施例的基础上增加了步骤 S221以及步骤S222，其中，在步骤S221中，首先创建虚拟实验，该 步骤具体如下图5所示，在此不予赘述。然后进入步骤S222，将一 个或多个实验客户端加入所述虚拟实验，该步骤具体如下图6所示， 在此不予赘述。

进一步地，在一个变化例中，本领域技术人员理解，在步骤S211 之后，还包括如下步骤：对全部实验客户端进行时间同步操作。通过 时间同步操作，使得个使用客户端可以在同一时间基准开始虚拟实 验，从而降低产生通讯冲突的概率。

更近一步地，本领域技术人员理解，在上述图3以及图4所示实 施例中，所述通讯数据中包括时间指示信息。进一步地，图4所述步骤 S215′通过如下方式完成，即根据所述时间指示信息，选择操作时间最 早的一个通讯数据作为所述有效通讯数据。

更近一步地，本领域技术人员理解，在上述图3以及图4所示实 施例中，所述通讯数据中至少还包括如下数据中的一种或多种：实验操 作命令，其通过所述实验命令通道被传输；以及实验数据，其通过所 述实验数据通道被传输。

图5示出根据本发明的第一实施例的，在网络化协同虚拟实验控 制方法中创建虚拟实验室的流程图。具体地，本实施例描述了教师利 用客户端建立实验的过程。教师客户端(通过身份验证后具备创建虚 拟实验的权限)发送创建实验的命令给协同实验模块(图1或图2中 的21)。同时传送的通讯数据包括实验名称。具体地，本实施例通过 如下步骤完成：

s233：协同实验模块检验实验名称是否和已经存在的实验的名称 冲突(重名)。如果没有冲突，则分配实验ID(一个全局唯一的标 识)。s234：协同实验模块广播实验ID和实验名称。S235：各个客 户端可以接收到这个广播，获取新的实验ID和实验名称。可以把这 个实验名称加入到客户端本地的“实验列表”中，供学生进行选择。

S236：实验添加成功，教师客户端显示提示信息。

图6示出根据本发明的第一实施例的，在网络化协同虚拟实验控 制方法中将一个实验客户端加入一个虚拟实验室的流程图。具体地，本 实施例描述了学生加入一个虚拟实验的过程，其中，学生客户端显示 所有虚拟实验的列表。具体地，本实施例通过如下步骤实现：

S242：学生选择一个实验，并且加入该实验(优选地，可以点击 客户端上的“加入”按钮)。客户端发送“加入”命令，连同客户端 学生的信息发送到协同实验模块(图1或2的模块21)。

S243：协同实验模块把该学生加入信息发送给教师客户端；

S244：教师批准学生加入，进入到S245，否则，进入到S248。

S245：教师模块发送OK到协同实验模块

协同实验模块把该学生客户端信息以及学生信息加入到“订阅者 列表”(注：pushlet术语)，并且给学生客户端反馈加入成功信息。

S247：学生客户端显示加入实验成功。(可以开始下一步的协同 实验了)。

S248：教师客户端发送NO到协同实验模块；

协同实验模块把该信息反馈给学生客户端；

S250：学生客户端显示“加入实验失败”，不能进行下一步的协 同实验。

图7示出根据本发明的第三实施例的，在网络化协同虚拟实验控 制方法中进行虚拟实验的流程图。具体地，本实施例描述了协同实验 的一个典型进行的过程。学生在成功加入协同实验后(图6的S247)， 可以进行协同实验。其通过如下步骤实现本实施例：

S261：各个客户端(加入到同一个协同实验的客户端)获取服务 器的时间，并且把本地客户端的时间和服务器时间设置为一致。

S262：某客户端进行实验操作

S263：通过命令通道，发送实验操作命令到协同实验模块；通过 数据通道，发送实验操作数据到协同实验模块；

S264：协同实验模块判断是否冲突。

其中，对冲突的定义是两个或多个实验命令是在小于某个时间Δ t内同时发出的，即算冲突。Δt根据网络状态和实验传输特点选取， 典型值选取为1s。

考虑到网络延时，协同实验模块会每隔Δt处理一下接收到的命 令。如果收到多余一条命令，并且这些命令的间隔时间大于Δt，即为 冲突。

如果无冲突，执行s265，否则，执行s268。

s268：从冲突的命令中，选择执行时间戳标记早的命令作为有效命 令，丢弃冲突的其它命令。

S265：发送实验命令(无冲突的命令，或者有效命令)以及该命 令对应的实验数据(如果有的话)到后台计算服务器。

S266：后台计算服务器计算结果，数据经协同实验模块发送到各 个客户端(加入到同一个协同实验的客户端)。

S267：各个实验客户端更新各自的实验场景(显示)，反映实验 的最新状态。

具体地，参考上述各实施例，本领域技术人员理解，优选地，对 冲突的定义是两个或多个实验命令是在小于某个时间Δt内同时发出 的，即算冲突。Δt根据网络状态和实验传输特点选取，典型值选取 为1s。本领域技术人员理解，优选地，本发明可以基于pushlet框架， 该框架采用HTTP的推技术，能够把服务器更新信息及时广播出去， 因此能够保证实验的变化及时更新到各个客户端。

更进一步地，本领域技术人员理解，协同虚拟实验平台需要为参 与协同实验的用户构建一个多用户共享环境。在这个共享环境中，用 户对虚拟实验场景修改的信息，都要及时传播到到其他用户的实验场 景中，这样才能保持共享环境中所有用户实验场景的一致性。当所有 实验者都完成各自负责的实验操作后，如实验场景的搭建、实验参数 的设定等操作，由参与协同操作的任一用户发起对实验的模拟仿真， 实验仿真结果要分发给这个共享环境中的所有用户，让所有参与协同 操作的用户都可以看到最终的实验场景和实验仿真结果。针对以上对 协同式虚拟实验具体分析，本专利选用设计模式中的观察者模式来解 决构建多用户共享环境，分发协同数据等问题。

观察者模式定义了一种一对多的依赖关系，让多个观察者对象同 时监听某一个主题对象。当这个主题对象在状态上发生变化时，会通 知所有观察者对象，让他们能够自动更新自己。根据观察者模式的原 理，本文中协同实验代表一个主题，参与协同实验的用户代表订阅者。 用户参与了某个协同实验，就意味着用户订阅了该协同实验的主题， 当用户修改了自身的实验场景信息，意味着主题状态发生变化，然后 广播主题状态变化的消息至该主题下所有订阅者，引起实验场景的更 新；当最终发起实验仿真时，实验模拟仿真的结果信息就会分发给该 主题下的所有订阅者，这样所有用户都可以看到最终的实验仿真结 果。

更进一步地，本领域技术人员理解，优选地，本发明可以通过 Pushlet框架来实现，在这样的技术框架下，各技术术语如下描述：

1、Comet：基于HTTP长连接的“服务器推”技术，是一种新 的Web应用架构。基于这种架构开发的应用中，服务器端会主动以 异步的方式向客户端程序推送数据，而不需要客户端显式的发出请 求。Comet架构非常适合事件驱动的Web应用，以及对交互性和实 时性要求很强的应用，如股票交易行情分析、聊天室和Web版在线 游戏等。

服务器推送技术(Server Push)是最近Web技术中最热门的一个流 行术语，它的别名叫Comet(彗星)。它是继AJAX之后又一个倍受追 捧的Web技术。服务器推送技术最近的流行与AJAX有着密切的关 系。

2、Pushlet是一个开源的Comet框架，Pushlet使用了观察者模 型：客户端发送请求，订阅感兴趣的事件；服务器端为每个客户端分 配一个会话ID作为标记，事件源会把新产生的事件以多播的方式发 送到订阅者的事件队列里。

服务器端向浏览器客户端发送通知这种通讯模式在J2EE应用中 很常见，通常服务器端采用RMI、CORBA或者自定义TCP/IP信息的 Applet来实现。这些技术往往由于复杂而产生诸多不利之处：技术难 以实现、存在防火墙限制(因为需要打开非HTTP的通讯端口)、需 要额外的服务器端开发和维护。并且除了刷新整个页面或者完全采用 Applet展示内容之外，很难找到别的方法将客户端Applet的状态和浏 览器的页面内容集成在一起。

Pushlet是一种Comet实现：在Servlet机制下，数据从服务器端 的Java对象直接推送(push)到(动态)HTML页面，而无需任何 Java Applet或者插件的帮助。它使服务器端可以周期性地更新客户端 的Web页面，这与传统的Request/Response方式相悖。浏览器客户端 为兼容JavaScript1.4版本以上的浏览器(如Internet Explorer、 FireFox)，并使用JavaScript/Dynamic HTML特性。而底层实现使用 一个servlet通过HTTP连接到JavaScript所在的浏览器，并将数据推 送到后者。有关JavaScript版本的知识请参看Mozilla开发中心提供 的《JavaScript核心参考》和Stephen Chapman编写的《What Version  of Javascript》。

优选地，本领域技术人员理解，在基于HTTP的推技术、基于 Pushlet开源框架实现本发明的实施例的情况下，可以很好滴解决传统 采用Socket组播方式不能穿透防火墙的缺点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明 并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范 围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。