实验实训平台（共12篇）
实验实训平台 篇1
网络作为一种新的远程学习环境, 能够支持更丰富的远程教学模式, 能够弥补传统远程学习环境中的不足, 改善远程教学课程的质量。通过网络实施远程交互学习, 特别是远程师生交互, 受到了教师和学生的高度关注。许多专家学者对远程师生交互教学的规律和方式进行了积极的实践探索和理论研究, 取得了丰富的研究成果。这些成果对提高网络学习中的交互起到了巨大的推动作用。在网络学习中, 学习者的交互水平已经得到国内外学者的普遍关注, 国外从20世纪80年代就开始研究“交互”的问题。Sims在1997年就提出, “对交互式学习过程支持方法是一门正在形成的新技术”。交互在远程学习中的重要作用早已得到广泛的重视, 由于信息技术对交互的有利支持, 交互己经成为远程教学质量保证的重要环节。国内对交互的研究是从1994年开始的, 如引入交互概念、多媒体教学交互特性、交互式多媒体教学系统的设计与开发等。目前, 对于远程交互教学应用模式的研究很多, 但对基于虚拟实验平台的远程交互实验应用模式研究的内容几乎没有, 因此, 本文将以教育部数字化学习支撑技术工程研究中心开发的初中理化生虚拟实验平台为依据, 探讨基于虚拟实验平台的远程交互实验的应用模式。
●理论基础
1. 行为科学理论
行为科学是研究人类行为一般规律的学问, 目的在于激发动机、推动行为、改造行为, 提高人的积极性和创造性。这对网络学习中的交互行为研究具有一定的指导意义:首先, 行为科学强调人的欲望、感情、动机等心理因素的作用, 因而在构建学习环境的时候强调满足人的需要和尊重人的个性, 以及采用激励和诱导的方式来调动人的主动性和创造性, 促进学生更多的交互。其次, 行为科学强调环境对行为的影响。最后, 运用行为科学的研究方法可以研究网络学习行为中的交互。网络学习行为研究的对象是学习者, 学习者的心理活动是看不见、摸不着的, 所以对内化的心理行为的研究需要采用观察、实验和调查等方法。
2.建构主义学习理论
由于多媒体计算机和网络通信技术所具有的多种特性特别适合于实现建构主义学习环境, 能有效地促进学生的认知发展, 所以随着多媒体计算机和网络教学应用的飞速发展, 建构主义学习理论越来越被广泛的应用于教学。它重新定位了教师与学生在教学中的地位, 学生不再是教学内容的被动接受者, 而是知识的主动获取与建构者。
3.交互理论
穆尔 (Moore) 在1972年提出了相互作用距离理论的基本框架。上世纪80年代末, 穆尔再次提出“三类交互作用”理论, 他在先前研究的基础上进一步明确提出“三类相互作用”, 即学生与教学内容的交互作用、学生与教师的交互作用、学生与学生之间的交互作用。这种分类对教学交互理论与远距离教学实践的发展都产生了深远的影响。
●虚拟实验平台的架构与功能
1. 虚拟实验平台的架构
虚拟实验平台指由计算机硬件系统和软件系统构建的一个具有交互功能的计算机网络虚拟实验平台。在平台中, 参与学习的个体之间可以利用文字、符号、图片、声音等多种数字媒介进行信息交互。这个平台可以让个体之间不受时间、空间的限制进行交互。虚拟实验平台架构如图1所示。
2. 虚拟实验平台各个组成部分的功能及特点
虚拟实验平台由辅助工具、素材库、同步实验、仿真工具、构建工具和交互实验组成, 各个组成部分的具体功能及特点如下。
(1) 辅助工具:主要功能是提供给用户所需的辅助工具, 如三角尺、量角器、天平、杠杆等工具, 以备在实验中辅助之用。
(2) 素材库:主要功能是提供给用户所需的各种图片、视频、动画、音频、文本等素材, 用户可以自由控制各种素材, 以备实验之用。
(3) 同步实验:主要功能是设置与课本中同步的实验操作, 全部同步实验是按照书本中的要求做的同步实验, 而且是模拟实验, 模拟操作和实际操作基本相同。目的是给予教师和学生指导的功能。
(4) 仿真工具:主要功能是根据属性设置, 按照实验规律, 自动生成实验工具, 由于是仿真工具, 因此具有和实际操作中使用的实验工具完全一样的功能。
(5) 构建工具:主要功能是用户可以根据需要设计整个实验过程, 这里有设计好的素材库, 用户只需将素材按照知识库的要求组装起来, 就可以构建一套用户需要的实验装置。整个构建过程方便快捷。
(6) 交互实验:用户可以登录该平台, 一同进行远程实验操作, 这是远程交互实验的核心技术。因为只有在网络上连接到该平台, 才能真正实现时间和空间上的交互。
以物理虚拟实验平台为例, 来说一下如何在平台上进行远程交互实验。
下页图2演示的是杠杆实验, 在该实验中, 本地的学生可以同时与异地的学生通过计算机协作进行此项实验, 如本地学生通过操作控制杠杆左端上的勾码的个数, 并且控制勾码悬挂在支架上的位置, 与此同时, 异地的学生通过控制杠杆右端勾码的个数和其在支架上的位置, 这样杠杆在两位学生的操作控制下达到平衡。
图3演示的是天平实验, 在该实验中, 本地的学生可以同时与异地的学生通过计算机协作进行此项实验, 如本地学生通过操作控制天平左盘上的物体, 与此同时, 异地的学生通过控制右盘上砝码的数量及游码的位置, 这样天平在两位学生的操作控制下达到平衡。
●基于虚拟实验平台的远程交互实验应用模式
以上面所介绍的虚拟实验平台为依据, 设计如下三种应用模式。
1.教师-教师交互模式
(1) 交互对象:是教师与教师的交互, 教师与教师可以通过远程进行教研活动, 如名校名师远程指导一般学校的教师, 通过指导学习, 达到共同提高的目的。
(2) 交互功能:教师与教师可以通过远程进行同步实验, 并进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 交换意见, 对有分歧的问题还可以组织一个多人讨论组。
(3) 优点:这种模式缩小了名校与普通一般学校的教学差距。
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
2. 教师-学生交互模式
(1) 交互对象:是教师与学生的交互, 可以是广义的学生, 也可以是狭义的学生, 如成人教育的学生是广义的学生, 在校生是狭义的学生。通过远程交互, 教师可以指导学生实验, 同时学生也可以向教师提问, 相互交流。
(2) 交互功能:教师与学生可以通过远程进行教材同步实验, 也可以是任务驱动式实验。并进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 交换意见。
(3) 优点:这种模式可以调动学生自主学习的积极性, 同时还解决了地域的限制, 教师还可以就学生的个人特点, 随时给予学生指导。而且在传统实验室很难实现的实验操作, 都可以在虚拟实验室实现, 学生可以反复观察实验, 真正理解实验, 掌握知识。还能做到随时有问题随时解决, 学生的学习效果会非常好。例如, 学生在家里就可以登录虚拟实验平台, 同时可以向自己喜欢的教师请教, 这样学生一定会有兴趣, 提高了学习效率
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
3. 学生-学生交互模式
(1) 交互对象:是学生与学生的交互。通过远程交互, 学生之间可以进行交互实验, 并进行交流, 同时也可以对一个问题进行讨论研究。
(2) 交互功能:学生与学生可以通过远程进行教材同步实验, 也可以一同进行任务驱动式实验, 并可以进行实时交流, 对同一个问题进行讨论, 相互交流, 对有分歧的问题还可以组织一个多人讨论组。
(3) 优点:这种模式可以调动学生自主学习的积极性, 同时可以形成团队精神, 增进同学之间的友谊。而且还解决了地域的限制, 学生与学生之间可以随时进行交流讨论。
(4) 缺点:有些需要面对面交流解决的问题, 通过远程交流很难解决。
以上三种模式基本囊括了远程交互实验的各种情况, 在实际操作中, 学校可以根据自身情况设计符合自己学校实情的模式, 做好实验, 提高学生的动手动脑能力, 势必提高学习效率。
以上三种模式是基于网络建立起来的, 因此对网络速度有所要求, 也就是说, 交互的速度应该足够快, 才能做到实时远程交互。也许这将成为远程学习的一种时尚。
实验实训平台 篇2
建立一个全面、系统的计算机实验实训平台将会对学生学习及各方面素质的发展产生积极的作用。
实验实训平台不但是教师教学工作的重要组成部分，也是检验教师是否完成教学任务的重要工具。
机械拆装测绘实验平台的设计 篇3
[关键词]机械产品；拆装；测绘；训练台
[中图分类号] T4122 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）06-0102-02
拆装测绘课程是工科高等学校机械类、机电类等专业必修的一门技术基础实践课程。它是学生深入了解机械整体结构组成、学习机械零部件相关知识和熟练使用机械常用工具的一个综合训练，对于从未深入接触过真实机械产品的在校学生来说，这是其理论与实际结合、提高工程素质、掌握工程技能和提高动手能力的平台。
传统机械拆装测绘课程的主要内容是在一段时间里，要求学生使用拆装测绘工具对典型的机械设备进行工作原理分析、拆卸、安装，并对主要零件进行测量，画出零件图和装配图并标注尺寸，填写明细表和技术要求。以往的拆装测绘过程没有专用的操作平台，工具配置没有全面考虑、缺乏专门夹持装置、设备野蛮拆卸严重、台面破坏剧烈、零部件和工具遗失时有发生，这些影响了课程的效果和质量。
一、机械设备拆装、零件测绘在工程中的应用
正确而快速的设备拆装，零部件测绘以及更换对提高现场生产的工作效率意义重大。生产现场经常出现这样的场景，某一进口大型设备的关键零件出现故障，急需更换，即使厂里有现成的备件，但由于技术人员对设备结构不够了解，零部件拆卸无从下手，不得不聘请国外技术人员或寻找退休的老师傅亲自操刀，这样才能完成这项任务。这种情况一旦发生，在耽误了生产的同时也增加了设备维修的成本。另外，如果拆卸不当，往往会造成零部件的损坏，设备精度降低，有时甚至无法修复。实际上，有不少机械故障就是由于零件的装配不当而造成的。
在零部件的修配过程中，设备拆装是保证零部件修配质量、降低制造成本、提高制造环保效益的重要环节。再制造拆装工艺技术是指对废旧产品的拆卸和再制造产品装配工艺过程中所用到的全部工艺技术与方法的统称。科学的再制造拆装工艺技术能够有效地保证再制造产品的质量，减少再制造生产的时间和费用，提高再制造的环保效益。再制造拆装包括拆解与装配。再制造拆解工艺技术的基本要求是指将废旧产品及其部件有规律地按顺序分解成零部件，并保证其性能不受到进一步损坏的过程；再制造装配就是按再制造产品规定的技术要求和精度，将再制造拆解和加工后性能合格的零件、可直接利用的零件以及其他报废后更换的新零件安装成组件、部件或再制造产品，并达到再制造产品所规定的精度和使用性能的整个工艺过程。
拆装工具除了常用的扳手、螺钉旋具等普通机械拆装工具外，针对不同的再制造产品还需设计或购置部分专用设备。目前再制造拆装作业，在国内外主要还是借助工具及设备进行的手工拆装，是再制造过程中劳动密集型工序，存在拆装效率低、费用高、周期长、零部件质量水平对工人技术要求高等问题，影响了再制造的自动化生产程度。在再制造拆装作业过程中，应根据不同的废旧产品，利用机器人等现代自动化技术，开发高效的再制造自动化拆装设备，并在此基础上继而建立比较完善的废旧产品自动化再制造拆装系统。
二、典型机械产品拆装测绘综合训练台设计要求
典型机械产品拆装测绘综合训练台为机械类专业学生深入学习机械产品功能、了解典型机械产品结构提供了一个良好的平台。学生通过对典型机械装置的结构分析、零部件拆装与典型零件测绘等操作，能加深对所学知识的理解，完成理论-实践-理论认知的飞跃，并将拆装工艺规划、零件图绘制和现场操作规范等专业技术知识加以融会贯通，提升机械装置拆卸、装配、机械零部件测绘的能力。
（一）台面设计
拆装测绘综合训练台要求具有较强的承重、耐冲击能力，要求试验平台桌面的平均荷重为1000kg，冲击载荷为500kg，并且桌面必须耐磨损。试验台尺寸范围为长1000～2000mm，宽500～1500mm，根据实际工作环境及作业区域，初步设计选定试验台的长为1600mm，宽为800mm，高750mm。桌板材料可选用高密度纤维板，其具有材质均匀、纵横强度差小、不易开裂等优点，用途广泛。制造1立方米纤维板约需2.5～3立方米的木材，可代替3立方米锯材或5立方米原木，发展纤维板生产是木材资源综合利用的有效途径。桌面的耐冲击板使用高压成型纤维板，其静屈服强度为不小于，表面粘贴绿色软性压纹特殊合成胶皮，四边以PVC长型胶条封边，加倍保护桌边不易受损，桌面厚度大于50mm。此外为方便学生拆装时零部件的固定，在训练台桌角需装有小型虎钳一台，见图1所示。
（二）支撑的设计
在对支撑腿材料的选择上，主选钢类材料作为支撑腿。常用钢材的种类有型钢、钢板、钢管和钢丝等。选用型钢可减少加工量，经济方便，因此选用Q235槽钢作为支撑腿。考虑到调节桌腿高度的问题，在设计时在桌腿的底部设计了调整脚座。此调整座可调节每个支腿的长短，防止由于地面不平造成平台的晃动。调整脚座的设计如图2所示。
在支撑腿初步设计完成后，为了加强支撑腿的强度，在左右两侧的两个支撑腿之间设计一个加强梁，以达到对平台整体的支撑。见图3所示。
（三）工具挂板的设计
拆装测绘综合训练台备有专门工具放置区域，工具可挂置在有专门挂钩的背板上，这样工具取用方便灵活，便于管理。配用的常用拆装工具组件包括：常用规格螺丝刀、扳手、钢丝钳、尖嘴钳等，还需配有拆装轴承的拉马、拆装弹簧卡圈的内外卡尖钳等。配用的常用零件测绘工具包括：游标卡尺、直尺、千分尺等。见图4所示。
（四）典型拆装设备的选择
训练平台选择具有典型结构的机械设备1-6种，主要涵盖了学生机械基础课程所涉及的常用机械结构，如各种齿轮减速器、行星摆线减速器、叶片泵、注塞泵、齿轮泵等。这些设备选择小型结构，1-2个学生就能进行独立拆装，安全性高。值得注意的是，如果选择实际生产所用的设备，则具有精度高、配件全，对学生详细了解机械产品效果较好的优点，但拆装不易。而选用各种教具厂生产的机械设备模型，则具有拆装容易，但结构精度差，配件少等特点。建议最好两种类型设备都配备，方便不同训练目标的学生选用。
此外实验平台还配有典型机械设备拆装与测绘流程指导，包括设备工作原理、主要零部件结构、正确拆装测绘步骤等，便于学生学习与掌握。
三、结论
机械产品拆装类必修课程是实践性较强的训练环节，对于从未深入接触真实机械产品的在校学生来说，这是其提高工程素质、掌握工程技能和提高动手能力的平台。因此，设计完善典型机械产品拆装测绘综合训练台的功能，对提高实践教学的质量有重要的实际意义。
[ 参 考 文 献 ]
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电能质量设备实验方法及实验平台 篇4
电能质量设备用于改善电能质量,为用户提供优质电力。应用现代大功率电力电子和控制技术实现电能质量控制,为用户提供满足特定要求的电力供应技术,称为定制电力技术(custom power)。因此,电能质量设备考核、实验本质上是对大功率电力电子装置进行实验。国内目前对定制电力设备进行考核、实验的方法及平台的研究属起步阶段,迄今为止国内尚无类似的综合实验系统。“十一五”国家科技支撑计划重点项目之一“电能质量复合控制技术及装置”的重要内容之一就是电能质量实验方法及装置的研究。近年韩国LG Industrial Systems公司建立了定制电力设备实验场(Korea custom power plaza,KCPP)。KCPP由动态电压恢复器(DVR)、配电网静止无功补偿器(D-STATCOM)、固态转换开关(SSTS)、有源电力滤波器、谐波发生器、负载箱等构成。通过电能质量监测系统实现对定制电力设备性能的评估[1]。KCPP属于动模仿真系统,用于评估定制电力设备的性能。KCPP无法模拟被实验设备运行的电网环境,且造价较昂贵。
根据国家相应标准,电能质量设备的考核内容不仅包括测试电能质量设备本身固有的各种电气参数和性能,而且包括电能质量设备在电力系统环境运行时综合衡量设备的运行功能和各项性能指标。目前,无源/有源电力滤波器、静态和动态无功补偿设备、各种电能质量改善设备在工业供电系统和电力系统中广泛使用,但是,对这些设备缺乏有效可行的考核、实验方法。电能质量问题复杂性决定了其实验方法的多样性,如谐波、不平衡度、电压闪变、电压暂升、暂降等,构建如此复杂的实验电源存在困难。因此,有效的办法是将电能质量设备的考核建立在模拟电力系统环境的实时仿真平台上,并提供具有高电压、大电流的实验环境。
建立电能质量设备综合实验平台需要解决如下关键问题:①为被考核测试设备(以下简称被测设备)建立符合实际运行条件的电网环境,将被测设备置于模拟电网环境中,进行各种接近实际工况的运行考核;②将被测设备的各种运行状态反馈到模拟电网中,实时考核和评价被测设备在电网中的运行和控制情况,并根据其结果进行评估;③为实验平台提供高电压、大功率电力电子接口装置;④构建大功率电力电子负载,用于模拟任意负载特性,该负载应能受控于实时数字仿真系统,并可模拟各类负载特性,为实验平台提供负载环境。
大功率电力电子装置实验主要有物理模拟和数字仿真2种方式。物理模拟除了模拟效果的等效性问题外,建立相应的电力系统环境需不菲的投资。数字仿真由软件建立电力电子装置及其所运行的电力系统环境,成本低,易于实现,但其效果与建模精度密切相关,而理想化的模型无法完全真实反映电力电子装置的性能[2,3]。采用数字—物理混合仿真方法,即在数字仿真系统中建立电网环境,由模拟样机或原型装置再现实际装置,将两者结合,是解决大功率电力电子装置仿真难题的有效方法[4,5,6,7,8,9]。
1 理论依据
由物理器件对真实系统的行为进行仿真,两者之间的关系必须满足相似定理。物理仿真系统的过程可以用微分—代数方程组进行描述。数字仿真系统则是从描述实际系统行为的微分—代数方程出发,实时求解微分—代数方程,输出结果即为被仿真系统的行为。因此,物理模拟和实时数字仿真都再现了实际系统的行为,两者统一在描述系统行为的微分—代数方程组上。电力系统的微分—代数方程就是系统运行状态方程:
式中:x为微分方程组的状态向量;μ为输入向量;y为输出向量。
式(1)主要有如下几类微分方程:发电机暂态、次暂态电势变化过程;发电机转子运动、励磁系统暂态过程;原动机及其调速系统暂态过程;负荷或感应电动机暂态过程;网络电感、电容元件;线路暂态过程的偏微分方程;等等。式(2)描述上述微分方程以外的其他内在联系。
2 实验平台方案及实验方法
2.1 基本结构
综合实验平台结构原理示于图1,由实时数字仿真子系统、动态物理模拟子系统、监控单元等组成。实时数字仿真子系统包括数字仿真单元、数字等效受控源、输出端口、监控设备等,数字仿真单元采用目前国际上广泛应用的实时数字仿真仪(RTDS)[9]。动态物理模拟子系统包括大功率接口装置、被测试设备、监控设备等。
实时数字仿真子系统通过输入边界点的电压、电流信号,经A/D转换后变成数字量,形成数字仿真子系统的边界条件,称为软件接口;动态物理模拟子系统在读入信号的控制下,在其网络端口上形成相应的模拟电压和电流信号,称为硬件接口。实时数字仿真子系统的输出端口信号通过软件接口控制大功率电力电子接口装置的运行,即将输出端口信号放大到实际现场水平。被考核设备与接口装置相连,所产生的补偿信号通过硬件接口传给实时数字仿真子系统进行仿真;该补偿信号作为等效受控源反馈到输出端口。动态物理模拟子系统、实时数字仿真子系统、接口、信号传输等所有必需的系统运行信号,通过监控设备传送至监控单元的数据库和全局控制单元,供存储、分析、显示。
实时数字仿真子系统建立被测设备所运行电网的实时仿真模型。在已知端口电流或电压的条件下,实时数字仿真子系统的边界条件由动态刷新的电流源或电压源代替。大功率电力电子接口装置为被测设备提供电源,或作为大功率非线性负荷。被测设备由基本电路和控制单元组成。控制单元分析来自监控系统的运行数据,指导基本电路的运行。全局控制主要由人机界面、数据库和数据分析3部分组成,配合监控设备对平台的运行状态进行监控,消除接口时滞和放大误差。
2.2 体系结构
综合实验平台在功能上采用人工智能机器人体系结构(见图2),即按功能分为感知、规划和执行单元3个部分。感知部分作为机器人的信息来源是基础;规划部分主要包括监控单元中的全局控制单元,通过一定的规则,处理由感知单元得到的信息,指导执行单元的操作;执行部分主要包括接口控制单元,一方面根据感知信息和预先设定的程序动作,另一方面接受来自规划部分的指导。规划部分通过建立独立全局控制单元实现。通过建立平台机器人自学机制,利用实验的可重复性,通过对感知的外界信息进行多次学习、分析和处理,对平台仿真控制参数进行调整,逐渐达到实验所要求的运行状态和参数。
2.3 全局控制机制
全局控制系统由数据总线、人机界面、数据库、数据分析(状态监控、学习控制)组成,如图3所示。来自监控设备的系统运行参数通过数据总线传输到数据库;数据分析单元负责平台运行状态的监控和学习任务;人机界面为用户提供必要的图文信息,方便用户及时了解平台的运行状态。
2.4 实施流程
机器人的自学习能力体现在全局控制单元数据分析子单元内。全局控制的目的是分析数据库中已有的历史数据,通过对历史数据的学习,对平台当前运行参数进行修正,即修正接口装置逆变电路的输出。其流程如图4所示。
实验前对平台进行初始化;第n(n=1,2,…)次运行后,需检测全系统的状态是否符合测试、考核条件和要求;若不符合,进一步判断是否进行过第n次全局控制,以决定是否进行全局控制干预,即调整相应单元的参数,并记录运行情况;n=1时全局控制不介入;若已进行过第n次全局控制,则分析第n次运行状况,得出第n+1次的控制参数,指导第n+1次运行控制,为进入第n+1次循环做准备。重复上述步骤,在检测到运行参数满足实验条件和要求时结束实验。通过对最后一次运行结果进行分析,完成对被测设备的考核评估。
3 时滞和时变性问题及其解决措施
综合实验平台需要解决不同仿真系统之间的配合这一关键问题,其难点在于处理系统之间信号转换和传输引起的延时,以及不同算法之间的协调问题[10,11,12]。由于物理系统存在很大的能量流动,信号转换和传输延时较大;同时,物理仿真系统可以假设为步长无限小的数字仿真系统,即基本上不用考虑数字仿真系统与物理仿真系统之间的步长同步问题,只需重点考虑信号转换和传输延时的影响,接口设备的延时要尽可能小,存在延时的情况下通过全局控制等手段消除延时的影响,即机器人通过监控单元对平台运行进行全局监控,消除大功率电力电子接口装置的延时和放大误差。
实验平台采用连续—离散模型分离(CDMS)法解决高频开关引起的模型时变性、计算复杂程度高及误差大等问题(见图5)。将电路模型中的开关器件用理想电流源替代,然后用开关模型G(VSW)描述开关器件的电压、电流关系,从而将开关器件从整个电路模型中分离出来。由G(VSW)计算出开关电流,作为输入注入电路方程F(VSRC,ISRC,ISW,X)中;由电路方程计算出开关电压,亦作为输入注入开关模型G(VSW)中。因此,在大规模电路模型方程F中不再含开关器件,所以不受开关动作影响;开关动作时只需对G(VSW)进行更新,减少了计算量。
综合实验平台需解决不同模拟系统之间的配合问题。除了接口精度外,还要考虑各环节的传输和控制延时。实验平台延时主要由物理接口延时τf=τf1+τf2和数字接口延时τd=τd1+τd2组成。其中:τf1为数字仿真系统输出数据传输至接口装置控制单元所需的时间,主要取决于A/D、光隔等环节;τf2为接口装置接收数字仿真系统输出数据到形成相应输出所需的时间,包括控制系统采样、计算、下发命令和功率回路的固有延时;τd1为被测设备的返回功率信号经互感器、A/D、光隔等单元后到达数字仿真系统输入端口的延时;τd2为返回信号由数字仿真系统输入端口到写入寄存器所需的时间,主要取决于采样环节。信号采样延时主要由传感器相移造成,τf1≤20 μs,τd1≤20 μs;控制延时包括处理器计算延时和信号传递延时。接口装置采样和通信频率为96 kHz,考虑主控与驱动2部分的光纤通信,τf2为40 μs~60 μs。τd2主要由RTDS的采样和光隔环节决定,为20 μs~40 μs。因此,平台的混合仿真预计总延时为100 μs~140 μs。
采用PSCAD联合MATLAB对实验平台结构进行仿真,分别设置延时100 μs和200 μs进行仿真。测试对象为有源电力滤波器,负载为不可控整流桥,电压380 V,频率50 Hz。图6为接口装置输出的电压波形。结果表明,当总延时控制在100 μs以内时,仿真平台具有良好的性能;而当总延时达到200 μs时,输出电压发生振荡。
4 大功率电力电子接口装置
综合实验平台的大功率电力电子接口装置受控于虚拟数字电力系统,为被测设备所需的电力系统环境提供能量并完成所需能量的输入和回馈。大功率电力电子接口装置应具有响应快速、波形可任意设置等特点。大功率非线性负荷受控于实时数字仿真系统,并可模拟各类负载特性,为实验平台提供负载环境。大功率电力电子接口装置应能实现能量交换和回馈,使整个实验系统所需能耗最小。
大功率电力电子接口装置采用全控器件——绝缘栅双极晶体管(IGBT)和续流二极管等构成三相整流加逆变结构,主要由隔离变压器、整流电路、逆变电路及控制单元组成,如图7所示。
整流电路通过隔离变压器接交流电源,逆变电路接被测设备基本电路。为能提供稳定的直流电源,整流电路采用独立控制方式;考虑直流侧负荷变化的影响,采用脉宽调制整流控制策略减小注入电网的谐波,并实现单位功率因数的控制。逆变单元要求快速跟踪端口信号,采用响应快速无差拍控制技术,并与平台全局控制相结合,实现端口信号的精确跟踪。被测设备接到逆变器的交流输出侧,因而所需的无功能量通过逆变器进行实时交换和分配。由逆变器开关死区时间产生的电压波形校正、控制延时等问题均可通过人工智能机器人解决。
当需要大功率非线性负荷时,将三相整流电路变换成逆变电路,而将逆变电路变换成整流电路。非线性负荷由被测设备驱动,而负荷的性质、参数则由实时数字仿真子系统控制。
在以上研究的基础上,目前已完成100 kVA/380 V综合实验平台样机。样机接口装置输入为三相380 V市电电源,额定输出为三相380 V线电压,最大输出电流150 A,在接口装置的输出端接无源滤波器,对输出波形进行滤波。对电压380 V、补偿电流100 A的有源滤波器进行测试,效果接近有源滤波器实际运行效果。以A相为例,实验结果的电压波形见图8,可见输出电压与控制电压基本重合,实验平台输出电压总谐波畸变率不大于3%。
5 结语
电能质量设备考核测试综合实验平台利用物理仿真方法具有的现象直观、物理概念清晰、可以用原型机(实际装置)进行仿真等优势,利用数字仿真系统能够灵活方便地更改设置参数、通用性强、模拟规模较大等优势,将物理模拟与数字仿真相结合,充分发挥这2种仿真系统的优势,并与大功率电力电子技术结合,在提高接口电气参数的同时,实现大容量功率吞吐,解决数字—物理混合仿真中功率放大器的性能限制及大功率非线性负荷等问题。目前已完成100 kVA/380 V综合实验平台样机,下一步将研制2 MVA/10 kV的实验平台。作为一种尝试,本文的研究目标是解决电能质量设备检测难题,也是对电能质量设备仿真技术的一次探索。
参考文献
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实验实训平台 篇5
第1题:按照账户的用途和结构分类，“固定资产”账户属于（盘存账户）。
用以记录和证明经济业务的发生或完成情况，明确经济责任，并作为记账依据的会计凭证是（A 原始凭证）
第3题:“限额领料单”按其填制方法属于（B累计凭证）。
第4题:当经济业务只涉及货币资金相互间的收付时，一般填制（付款凭证）。
第5题:销售商品一批，部分货款已收回并存入银行，另有部分货款尚未收回，应填制（收款凭证和转账凭证）。
第6题:下列单据中属于自制原始凭证的是（工资计算单）。
第7题:明细账从账簿的外表形式上看一般采用（活页式）账簿。
第8题:在结账以前，如发现账簿记录有文字或数字错误，而记账凭证没错，应采用（划线更正法）进行错账更正。
第9题:记账以后，如发现记账凭证和账簿记录的金额有错误（所记金额小于应记的正确金额），而应借、应贷的会计科目没有错误，应采用（补充登记法）进行错账更正。第10题:对现金清查所采用的基本方法是（实地盘点法）。
第11题:清查银行存款所采用的方法一般是（对帐单法）。
第12题:在实地盘存制下，平时在账簿中对财产物资（只记增加数，不计减少数）。第13题:“未达账项”是指单位与银行之间由于结算凭证传递的时间不同而造成的（一方已经入账，另一方尚未登记入账的账项）。
第14题:结算往来款项的清查一般采用（函证核对法）。
第15题:“待处理财产损溢”是一个（双重性质的账户）。
第16题:对财产清查中发现的财产物资盘亏，若属于定额内的自然损耗，应按规定转作（管理费用）。
第17题:财产物资的盘存制度有（永续盘存制实地盘存制）。
第18题:下列不属于对外会计报表的是（产品生产成本表）。
第19题:下列属于静态报表的是（资产负债表）。
第20题:汇总会计报表与单位会计报表是会计报表按照（编制单位）进行的分类。第21题:个别会计报表与合并会计报表是会计报表按照（会计主体）进行的分类 第22题:下列会计报表中属于月报的有（资产负债表和利润表）。
第23题:其全部指标均依据有关账户余额填列的会计报表是（资产负债表）。第24题:汇总会计报表是根据（单位会计报表）汇总编制的。
第25题:会计按其使用单位分类，一般分为（行政单位会计事业单位会计企业会计）。第26题:会计的基本职能有（反映监督）。
第27题:下列各项中属于会计核算方法的有（设置会计科目和账户复式记账填制和审核会计凭证）。
第28题:下列会计等式正确的有（资产=负债+所有者权益资产=权益资产=负债+所有者权益+净收益资产=负债+所有者权益+（收入-费用））
第29题:期间费用包括（营业费用管理费用财务费用）。
第30题:会计分录的基本内容有（应记账户的名称、方向和金额）。
第31题:按照账户的用途和结构分类，下列账户中属于调整账户的有（累计折旧坏账准备利润分配）。
第32题:会计凭证包括（原始凭证和记账凭证）
第33题:原始凭证按其取得的来源不同可分为（自制原始凭证和外来原始凭证）。
第34题:自制原始凭证按填制手续不同可分为（一次凭证累计凭证汇总凭证）。第35题:下列单据中属于原始凭证的有（收料单 领料单 借款单 发票）。第36题:下列原始凭证中属于一次凭证的有（领料单发货票 收料单）。
第37题:总分类账和明细分类账平行登记的要点有（登记的依据相同 登记的方向一致 登记的金额相同）。
第38题:登账时遇到下列情况应用红色墨水书写（在不设减少金额的多栏式账页中，登记减少数在三栏式账户的余额栏前，如未印明余额方向的，在余额栏内登记负数金额）。第39题:对账包括（各种账薄的记录与有关会计凭证进行核对会计人员与出纳人员进行核对各种财产物资的账面余额与实存数额相核对）
第40题:下列会计报表中属于动态报表的有（利润表 现金流量表 商品产品成表 利润分配表）。
第41题:资产负债表从表内的项目构成及其数据看，其特征有（平衡 分类 比较）。第42题:权责发生制的建立是以（持续经营）为前提的。
第43题:会计核算基本前提中的货币计量前提还包括（币值稳定）前提。
第44题:企业会计核算中常用的“待摊费用”、“预提费用”账户是按照（责权发生制原则）的要求而设置的。
第45题:划分收益性支出与资本性支出的目的是为了（正确核算企业各个会计期间的损益）。
第46题:一贯性原则是由（持续经营）假定决定的。
第47题:只有采用权责发生制的单位，才需要设置（待摊费用）账户。
第48题:下列各项中属于资本性支出的是（购进机器设备）。
第49题:在会计实务中，将劳动手段按一定标准划分为固定资产和低值易耗品，其依据是（重要性原则）。
第50题:企业在进行会计核算时选择一种“不多计资产或收益，少计负债或费用”的会计处理方法，所遵循的是（谨慎性原则）。
第51题:在进行会计核算时，应将企业财产与其他单位及投资者财产区别开来，是会计核算基本前提中关于（会计主体）的要求。
第52题:以记账凭证为依据，按每一贷方科目分别设置，并根据相对应的借方科目定期归类汇总的记账凭证是（汇总转账凭证）。
第53题:科目汇总表核算形式和汇总记账凭证核算形式的主要相同点是（记账凭证都需要汇总并且记账步骤相同）。
第54题:各种会计核算形式的主要区别是（登记总账的依据和方法不同）。
第55题:资产负债表的资产项目，说明了企业所拥有的各种经济资源以及企业（偿还债务的能力）。
第56题:资产负债表的负债项目，显示了企业所负担债务的（数量和偿还期长短）。第57题:资产负债表内各项目分类与排列的依据是（项目内容的经济性质和流动性）。第58题:下列选项中正确反映了资产负债表中资产项目排列顺序的是（流动资产、长期投资、固定资产、无形资产及其他资产）。
第59题:下列资产负债表项目中，需根据总账账户和明细账户余额分析计算填列的项目是（长期借款）。
第60题:会计核算应当按照规定的会计处理方法进行，会计指标应当口径一致，这是会计核算的（可比性原则）。
第61题:权责发生制原则的要求是（已经实现的收入无论款项是否收到，都作为本期收入处理已经发生的费用无论款项是否实际支付，都作为本期费用处理）。
第62题:下列各项中属于收益性支出的是（购进商品购进原材料购进办公用品支付短期借款利息）。
第63题:下列做法中，考虑了谨慎性原则的是（固定资产采用加速折旧法存货计价采用后进先出法对应收账款计提坏账准备）。
第64题:会计核算形式也称会计核算程序或账务处理程序，是指凭证和账簿组织、记账程序和方法相互结合的方式。它是记账和产生会计信息的步骤和方法。（正确）
第65题:记账凭证核算形式是以直接根据各种记账凭证登记总分类账为特点的一种最基本的会计核算形式。（正确）
第66题:科目汇总表核算形式又称记账凭证汇总表核算形式，是以定期将记账凭证按会计科目汇总，然后再根据科目汇总表登记总分类账为主要特点的一种会计核算形式。（正确）第67题:实地盘存制又称“定期盘存制”，是指平时根据会计凭证在有关账簿中只登记存货的增加数，不登记减少数，月末通过实地盘点，将盘点的实存数作为账面结存数，然后倒挤推算出本期发出数的一种存货核算方法。（正确）
第68题:会计的反映职能是指会计通过核算工作，提供会计数据，真实反映企业的经营活动和成果，反映行政和事业单位预算资金的收支和节余情况。（正确）
第69题:会计的监督职能是指会计在其核算过程中队经济活动的合法性和合理性所实施的监督。（正确）
第70题:会计账簿是由具有—定格式、相互联系的账页所组成，用来序时、分类地全面记录一个企业、单位经济业务事项的会计簿籍。（正确）
第71题:备查账簿是对某些在日记账簿和分类账簿中未能记载或记载不全的经济业务进行补充登记的账簿。（正确）
第72题:关于会计主体和法律主体的区别，描述正确的是(只要是一个法律主体，无论其规模多大，也无论其采取什么样的企业组织形式，它都必须要有自己的会计工作，进而成为一个独立的会计主体)。
第73题:关于真实性原则的含义，下列不正确的是(在必要的情况下，真实性原则并非不可违背)。
第74题:会计核算所要反映和提供的会计信息必须有助于会计信息使用者正确地做出经济决策，即会计信息必须满足宏观经济管理的需要，满足各有关方面了解企业财务状况和经营成果的需要，满足加强内部经营管理的需要，这是(相关性原则)的要求。
第75题:在会计核算中，一个会计期间内的各项收入与其相关联的成本费用应当在同一会计期间内进行确认、计量，是(配比性原则)的要求。
第76题:按照历史成本原则，企业对资产、负债等项目的计量应当基于经济业务的(实际交易价格)。
第77题:谨慎性原则要求(谨慎性原则意味着企业可以设置秘密准备)。
第78题:关于重要性原则，理解正确的是(根据重要性原则，企业会计核算可以不用全面反映，充分披露重要的事项即可)。
第79题:下列哪个不属于会计要素(成本)。
第80题:下列对于收入的描述错误的是(营业外收入不包括在收入要素中)。
第81题:企业在一定会计期间发生的所有费用可以分为(制造成本和期间费用)。第82题:(利润)属于会计六要素之一，却不属于个人理财会计五要素之一。
第83题:会计等式的基本平衡式是(资产=负债+所有者权益)。
第84题:关于记账方向的描述正确的是(资产、成本与费用的增加列在借方)。第85题:财务管理的目标是(股东财富最大化)。
第86题:通常用(股市平均收益率国债的利率)表示货币的时间价值。
第87题:关于财务会计的目标，描述正确的是(A 为投资者、债权人等企业外部有关方面了解企业财务状况和经营成果提供会计信息B为国家宏观经济调控和管理提供会计信息
C 为企业加强内部经营管理提供会计信息)。
第88题:会计核算的基本前提是(会计主体持续经营会计分期货币计量)。
第89题:企业会计核算要遵守的基本原则可以划分为几大类，分别是(总体性要求会计信息质量要求会计要素确认、计量的要求会计修订性惯例的要求)。
第90题:关于权责发生制原则，下列正确的是(A权责发生制原则是指凡是当期已经实现的收入和已经发生或应当负担的费用，不论款项是否收付都应作为当期的收入和费用处理C权责发生制原则的核心是根据权责关系的实际发生和影响期间来确认企业的收支和损益)。
第91题:资产应该包括以下哪些特征(A资产的实质是经济资源 B资产是由过去的交易或事项形成的 C资产的目的是在未来为某个会计主体带来经济利益D资产必须是企业拥有或能够加以控制的经济资源E资产是可以用货币来计量的，不能用货币计量的人力资源，还不能作为企业资产入账)。
第92题:关于负债理解正确的是(A负债是过去或目前的会计事项所构成的现时义务 B负债是企业未来经济利益的牺牲 C负债必须能以货币计量，是可以确定或估计的 D负债都有确切的受款人和偿付日期，或者受款人和偿付日期能够合理地估计确定)。
第93题:所有者权益和负债的区别在于(A除非企业发生减资或者清算，否则企业就不需要像偿还负债那样去偿还所有者权益 B所有者不能随意抽走其在企业的投资C当企业清算时，只有在清偿所有的负债以后，所有者权益才得以返还给所有者 D负债需要定期偿还，但所有者的投资则不能随便抽走)。
第94题:财务会计报告包括(会计报表会计报表附注财务情况说明书)。
第95题:企业主要的会计报表包括(资产负债表损益表固定资产登记表)。第96题:业务收支以外币为主的企业，其记账本位币应为(人民币该种外币).第97题:财务管理原则包括(资金合理配置原则收支积极平衡原则成本效益原则收益风险均衡原则利益关系协调原则)。
第98题:记账凭证的基本内容包括（凭证的名称和编号经济业务事项摘要会计科目的名称、方向和金额凭证填制的日期和有关人员的签章所附原始凭张数）。
第99题:登记日记账的方式是按照经济业务发生的时间先后顺序进行（逐日逐笔登记）。
实验实训平台 篇6
一、当个合格的检查员
就像产品出厂前要经过检查员的检验一样，学生的日记当然也需要有人检查。低年级学生往往对写好的日记没有检查的意识和习惯，所以家长在初期应当为学生的日记“把把关”。
学完拼音后，笔者要求学生每天任选语文课上学到的新词写“一句话日记”，遇到会写的字要书写汉字。开始的一段时间，笔者发现有的家长搞错了自己的角色，为了让孩子的“一句话日记”得到老师的表扬，而加入了成人的思考和语言，把富有童真的一句话改得“面目全非”。针对这一现象，笔者专门指导家长，定位好自己的角色。在这一环节中，家长的任务是在学生写完日记之后检查学生写的是否通顺、正确，而不能以成人的眼光审视学生的“一句话日记”。学生的句子在保证所选用词语正确的情况下，只要通顺即可，不要求句中有多少优美的词语，要让学生自由思考，自由表达，家长不能为了获得老师的表扬而越俎代庖。
二、当个细心的记录员
利用多种机会，笔者给家长和学生反复灌输这样一种思想：学生的日记不是为了“写作文”而写，而是为了表达而写。日记是学生表达内心情感的一种方式，所有的喜怒哀乐都可以在日记中表现出来。有时学生在生活中说的话很精彩，充满童趣，但由于学生年龄较小，没有随时记录的意识，此时就需要家长做个细心的记录员，记录学生生活中的喜怒哀乐、所见所闻。
学生王某的老家在农村，他国庆节放假回老家探亲，正值五谷丰收的时候。一路上王某高兴极了，一会儿钻到玉米地里，一会儿跑到葡萄园里。王某的家长细心地记下了他的语言，看看他当时说的这几句话：“玉米地里的玉米直直的像一个个训练有素的战士。”“葡萄架上的葡萄像一颗颗紫色的宝石，美丽极了。”“火红的树叶像抹了一层红油，摸上去滑滑的。”这样的语言完全是从学生内心迸发出来的，比死记硬背作文选要来得真实而深刻。
二年级的学生已经有了一定的识字量，简单的“一句话日记”已经不能满足部分学生表达的需要了。针对这个年龄段学生好奇心和求知欲强的心理特点，笔者又开展了为期一学期的以活动为载体的“亲子日记”。这项活动需要家长付出更多的时间和精力。在家庭条件允许的情况下，可以让学生种花草，养小动物，外出参观游览。最简单的可以让学生在家中“泡豆芽”，观察豆芽的生长过程。在笔者的提议下，家长纷纷行动起来，根据实际情况为自己的孩子搭建表达的平台。学生在活动中用眼观察，用手体验，用脑思考。每次的观察日记，没有字数的规定，目的是让学生在没有任何压力的情况下，把日记当作一种感情倾吐的方式，自由地书写内心真实的感受。如果学生表达的内容比较多，家长可以先用录音机录下来，再和学生一起整理成篇。如学生段某有一次随家长去音乐厅，事后由家长录音整理出一篇近六百字的日记——《音乐下午茶》。家长帮助学生录音并整理正是保护了学生“说”的欲望。这篇文章不久后就公开发表在市级的刊物上，这更激发了该学生习作的兴趣。
三、当个热心的评论员
发表作品对学生来说具有莫大的吸引力。在网络如此发达的时代，何不在网上开辟一个平台，让学生和家长都能参与到班级学生日记的评价中来？于是在学生二年级的时候笔者就以班级的名义开通了一个博客，定期把学生的优秀日记发到博客中。
每周五是我们班分享日记的时间。以“组内异质，组间同质”为原则，笔者把班级中的50位学生分成10组，每组安排组长、记录员、分享员等职务。组长负责组织组员讨论，记录员记录小组合作时每个同学的表现，分享员负责把学习所得向全班同学汇报。每个人的职务定期轮换，这样就能保证让每个学生都参与到学习中来。在分享交流的时候，小组内的学生一起读组员的日记。在交流的过程中，有的学生学会了新的生字，有的学生学会了新的词语，有的学生学会了新的表达方法。再以“学习心得”的形式与全班同学分享，每一位学生在分享日记的活动中都能体验到成长的快乐。
交流后，学生再次修改日记，教师择优发到博客上，家长可以在网上“跟帖”。笔者引导家长：真正对学生日记中的闪光点加以评价，对学生的评价以鼓励为主，只纵向比较，不横向比较。当然还可以婉转地提出自己的建议或意见，以供小作者参考。
同时笔者建议家长用文字记录学生的表现，并写在“跟帖”处。家长们都非常重视这项“作业”。学生读着自己父母的“帖子”，感觉和父母的心又贴近了很多。那一笔一画的汉字记录的是家长深深的爱、真诚的鼓励和殷切的期盼。
家长在这两年的“亲子日记”活动中基本都能当好检查员认真地检查，当好记录员用心地记录，当好评论员热心地评论。班级中大多数学生写日记的兴趣也十分浓厚，他们把写日记作为情感表达和交流的一种渠道。到了三年级，“亲子日记”也会随之变为“亲子作文”，而笔者会带着学生和家长在兴趣指引下，乘着“亲子作文”这艘游轮驶向更广阔的天地。
电力市场全景实验平台设计 篇7
在电力工业引入竞争、提高效率、降低成本是电力市场改革的重要目的,各国政府在市场化改革中依据自身电力工业发展状况、政策体制和能源战略,选择相应的市场模式。不同的市场模式设计[1,2,3]对市场运营效率、市场主体效益,以及对电力系统的可持续安全稳定运行都具有决定性影响,往往是决定电力市场改革成败的关键。由于电力市场建设和运营是一个复杂的系统工程,试错成本巨大,2000年加州电力市场就未能达到电力市场改革的预期目的,反而引发了一系列的电力危机,是未能选择合理市场模式的例证。
为降低市场模式选择及运营的风险,电力交易机构和科研单位研究建立了多种电力市场实验手段[4,5,6,7]。在市场运营和市场模式改进中,电力市场实验手段发挥了重要支撑作用,其中,美国的Argonne国家实验室[8]通过对政策推演、运营模拟等方面的实验支撑,为美国电力市场运营模式与规则制订做出了重要贡献;PLEXOS公司的PLEXOS[9],LCG公司的UPLAN[10],ABB公司的GridView等电力市场仿真软件为电网规划、市场分析提供了决策支持;康奈尔大学的Powerweb[11]、爱荷华州立大学的AMES[12]具有日前电能市场模拟仿真功能,为电力市场研究与用户培训提供了技术支撑。在中国,自1998年启动省级电力市场试点建设以来,西安交通大学、国家电网公司、南方电网公司等也都在电力市场探索中建立了相应的电力市场仿真系统,用于市场模式分析和市场运营培训。2015年3月,中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见(中发〔2015〕9 号文)提出电力市场改革的总体思路,其配套文件进一步阐述了未来可能选择的分散市场模式和集中市场模式。各试点单位如何根据自身特点,选择合适的市场模式[13],也需要进行深入全面的市场推演,降低市场建设风险。
电力市场是电力系统经济运营和物理运行的有机融合,市场走势受能源政策、电网结构、供需关系和市场成员经营决策等多种因素的共同影响。通常,电力市场是指电力商品、交易周期和交易方式的一个组合,比如日前集中电能交易即为一个电力市场,一个国家或地区的电力市场往往是多个电力市场共同组成的集合,市场成员也通常能够参与多个市场,提供相应的商品并获得回报。由于市场成员在各个市场中能够提供的商品相互影响,在市场运营中,市场成员会根据综合成本构成,理性决策在各个市场中的投标行为,从而实现整体收益最大化。
然而,由于现有的许多电力市场实验手段存在各种功能限制,距离推演评估预想电力市场模式优劣的目标,还有很大差距。第一,有的实验系统依托在线运行的电力市场运营系统实现[14,15],只能模拟已有的市场模式,主要服务于交易人员操作层面的培训,无法模拟不同的市场模式。第二,有的实验系统不具备对市场成员决策行为的模拟能力,仅限于对市场成员历史申报数据或者人工模拟数据进行实验,无法反映市场成员的决策行为。第三,有的实验系统虽能够配置市场规则,模拟市场成员智能决策,但仅能模拟单一电力商品、单一交易周期的市场运营[16,17,18,19,20,21],比如AMES主要模拟日前电能市场,无法反映不同电力商品、不同周期市场间的相互影响。第四,有的实验系统仅从经济学角度对电力市场进行推演,未考虑电网安全约束[22,23],无法真实反映电力市场运营的网络特征。第五,有的实验系统仅限于一定供需关系下的静态市场推演,无法模拟电力需求和生产随时间周期变化、设备非正常停运等对市场运营的影响。
由于一个国家或地区的各个电力市场相互影响,市场成员在每个市场中的决策行为都会受到其他市场的影响,孤立模拟某一个市场无法真实反映市场成员的实际行为,需将一个国家或地区的电力市场作为一个整体来分析,建立电力市场全景实验环境,模拟各商品类型、各交易周期和各交易方式电力市场的耦合运营。为此,本文从电力交易运营、市场成员决策行为和电网运行三个维度出发,以年度为经营周期,将市场模式中的所有商品类型、所有交易周期、相关交易方式和定价机制作为一个整体看待,以总体利益最大化作为市场成员的决策目标,通过对市场运营中的需求预测、成员决策、交易出清、调度运行、结算评估等关键环节的完整模拟,量化评估相应市场模式下的经济、安全、节能和可持续性等指标,从而建立一个电力市场全景实验评价平台,为电力市场模式的设计和选择提供有效的实验手段。
1 实验平台设计目标
电力市场全景实验平台主要用于市场运营模拟与评估、运营技术验证、运营人员实务培训和电力市场运营系统功能测试。
1.1 市场运营模拟与评估
应能够支持电能、辅助服务、容量、输电权、发电权、绿色证书等多商品类型,中长期、月度、日前、日内、实时等多交易周期,集中撮合与双边协商等多种交易方式,分区定价和节点定价等多种定价机制的多电力市场耦合运营的市场机理推演,模拟电网安全约束在市场出清、电网调度等各个环节中的作用,在对市场成员自主动态决策模拟基础上,量化评价实验市场模式的运营效率和运营风险,依据对市场推演中的各种指标分析,评估市场规则公正性和交易模式可行性,为市场模式的设计和选择提供决策支持,以更好地引导并优化电力市场规则设计。
1.2 电力市场运营技术验证
应能基于预期市场模式、市场规模和电源电网结构,搭建目标电力市场运营环境,为海量成员接入、市场出清优化算法、定价算法、市场结算、安全约束市场化调度等新技术验证提供数据接入、流程控制和结果校对等支持,同时为大数据、云计算、桌面云等技术在电力市场运营中的应用提供实验验证环境,评估运营技术的适用性,推动电力市场运营技术的创新和持续发展。
1.3 市场运营人员实务培训
应能依据电网模型灵活构建预期市场模式的电力市场运营环境,模拟电网运行和市场成员自主决策,为电力市场运营、市场成员交易、科研机构研究、理论教学、监管评价和系统运维等人员提供实务培训环境,参训人员与投标机器人共同参与各电力市场运营模拟,通过对一定时间范围内不同供需形势、市场成员自主决策和多市场成员联合决策等市场运营场景的模拟,评估人员培训效果,使参训人员深入掌握电力市场运营机理。
1.4 电力市场运营系统功能测试
通过标准接口与电力市场运营系统连接,模拟目标电力市场运营,提供电网运行断面和市场成员申报案例,接收被测电力市场运营系统的出清结果,并对被测系统功能正确性和计算性能进行测试验证,实现电力市场运营系统功能软件的业务级测试。
2 实验平台功能结构
2.1 总体功能架构
电力市场全景实验平台总体结构如图1所示,主要包括电力交易运营模拟器、市场成员行为模拟器和电网运行模拟器三部分。
其中电力交易运营模拟器用于模拟部署于电力交易机构、目标市场模式下的电力市场运营系统,支持市场成员的注册管理、信息发布、成员申报、交易出清、安全分析和结算评估。市场成员行为模拟器用于模拟市场成员参与市场的管理和决策过程,支持成本管理、交易决策、收益分析和策略进化。电网运行模拟器主要用于模拟与市场运营紧密相关的电网运行状态量变化,支持潮流分析、发电计划跟踪、联络线计划跟踪、故障模拟、扰动模拟等。
2.2 电力交易运营模拟器
电力交易运营模拟器的主要功能包括电力市场商品结构生成器、电力市场运营模式配置、电力交易实验平台、实验评估分析、市场运营时序配置,以及实验控制与管理等部分。
1)电力市场商品结构生成器
用于定义待实验市场模式的电力商品构成,可以为电能、辅助服务(可以进一步细分为调频、旋转备用、非旋转备用、无功电压、黑启动等)、容量、输电权、绿色证书、发电权等一种或者多种商品的组合。商品结构生成器预置了可以在市场运营中出现的所有商品细分类型,并预定义了每一种细分电力商品的成本构成和成本模型。根据预置的电力商品成本模型和待实验电力商品类型选择,自动生成交易商品的成本模型,以反映各种电力商品的成本,并将未选择商品的成本自动归入电能或者其他商品之中。在电力商品选择的基础上,定义每种电力商品的交易周期(包括年、月、日前、日内、实时等)、交易方式(集中、双边等)。电力商品、交易周期和交易方式的每个组合称为一种电力市场,所有电力市场的总和形成待实验的目标电力市场结构。
2)电力市场运营模式配置
用于设置每个市场的运营模式,生成对应的市场规则。每个市场的规则配置包括:市场成员准入条件、市场时序、买方报价格式、卖方报价格式、市场定价机制、市场出清机制、市场结算机制,以及需要联合出清的电力市场组合等,如日前电能商品和日前备用商品相互影响,这两种商品需定义为联合出清。
3)电力交易实验平台
电力交易实验平台是模拟市场运营的实体,是一个预制的电力市场运营实例创建和运行容器,能够容纳多种电力商品、多种交易周期和多种交易方式组合的多电力市场实例联合运营。根据市场商品结构生成器生成的市场结构配置信息,自动激活对应电力市场实例;并根据电力市场运营模式配置,初始化相应电力市场实例的算法库和人机界面;根据市场运营时序配置,确定各电力市场实例间的相互激活机制,最终形成容纳多个市场实例的电力市场实例容器,支撑配置市场模式的运营实验。电力交易实验平台结构如图2所示。
4)实验评估分析
实验评估分析主要包括两部分功能。一是市场成员竞争策略有效性和行为竞争性评估。根据市场出清和电网运行信息,自动计算各市场成员的电能费、辅助服务费、容量费等收益,并根据其变动成本和固定成本分摊原则,计算各市场成员在各市场中的净收益和总体净收益,同时计算市场总体平均收益和各类市场成员的平均收益,对比市场成员收益与总体平均收益、所属类市场成员平均收益,评估市场成员竞争策略的有效性;同时通过分析市场成员申报价格与实际成本之间的偏离度,评估各成员市场行为的竞争性。二是市场竞争性和有效性评估。通过对各周期市场中边际机组市场报价与其成本的偏离程度,评估各个市场是否具有竞争性;从各电力商品的平均市场价格与平均供应成本比例、市场总体供给能力与市场需求比例、输电设备利用率变化等指标,评估电力市场的有效性。
5)市场运营时序配置
用于配置各电力市场的启动周期、电力市场启动顺序,配置市场运营中的流转环节组成和各环节之间的流转条件,以及各电力市场之间时序配合条件,比如一次月度电能市场出清后应自动触发至多31次日前电能市场,每次日前电能市场出清后应自动触发24次实时市场等。市场运营时序设置决定了各个市场的运作流程以及之间的相互触发关系。
6)实验控制与管理
实验控制与管理用于配置生成具体的实验案例,模拟预想的市场规模、一次能源价格等市场运营外部环境,形成市场启动和持续运行所需的各种基础信息。其功能结构如图3所示。
市场模型人工配置用于手工注册参与市场的各类成员信息,或者直接选用内嵌的RTS-96标准算例生成电网物理模型和市场经济模型。市场模型自动生成则能够根据基于CIM/E的电网模型或者IEC 62325-301标准的电力市场模型,按照厂站机组间的所属关系、装机容量等信息,自动生成用于实验的电网物理模型和市场经济模型。
市场成员决策模型配置用于设置各市场成员智能代理的策略集、风险承受能力、决策子目标偏好等各种决策参数,用于成员自主决策策略生成。
实验周期及市场启动前状态配置用于设置实验案例的时间范围,并设置各市场成员已签订合同、设备检修计划、机组运行状态等各种市场初始参数,实验周期的设置决定了各类电力市场的运行次数。
学员参与市场的教案配置用于设置各市场成员由智能代理模拟或是由参训学员代理参与市场竞争,以及哪些市场成员可以联合以模拟发电集团决策等,并可以预置部分市场成员的成本、检修计划、辅助服务能力等参数。
教员干预控制可以预设发输电设备检修计划调整、发输电设备故障,用于模拟电网运行对成员收益的影响。
市场成员成本构成及一次能源价格自动生成模块则依据一次能源价格等信息自动生成模拟器内的燃料价格变化及固定成本构成。
2.3 市场成员行为模拟器
市场成员行为模拟器既可以通过智能代理模拟各类成员参与市场竞争,也可以为参训人员提供参与市场竞争的数据申报和信息管理的人机界面。其重要功能包括:竞价策略管理、市场申报决策、数据申报与信息管理。
1)竞价策略管理:用于设置市场成员的竞价策略集合,包括参与的市场种类、决策的主要目标和从属目标,以及对风险的偏好程度,并设置固定成本等长周期成本在短周期市场中的可选分摊策略。
2)市场申报决策:依据成员的各种成本构成,以实验周期内利益最大化为目标,参照竞价策略集合设置和成本分摊策略,考虑实验周期内已经达成的各类交易合同,协调优化市场成员所有发用电资源在各个市场中的竞价策略。在多周期竞争决策中,能够根据市场出清和结算结果,自动调优后续竞争策略。
3)数据申报与信息管理:提供参训人员查询各种市场运行信息和自身注册信息的人机界面,提供参与各类市场的数据申报界面,并从市场、发用电资源、时间等多个维度展示市场成员的量本利信息和评价信息。
2.4 电网运行模拟器
电网运行模拟器根据市场时序设置,能够以设定时间间隔自动模拟电力系统负荷变化,根据各市场出清结果和设备检修状态,自动计算主要设备的潮流,模拟电力系统与电力市场的耦合运行。根据教员的人工干预,还能够自动模拟发电、输电等设备故障,用于评估各类扰动对电网安全和市场成员收益的影响。
3 实验平台关键技术
一个能够支持省级以上规模电力市场实验的工程级实验平台,其技术复杂度远高于现有的电力市场运营系统,需要软件平台、市场出清算法、定价算法、成员决策模拟、电网运行模拟、模型交换标准等一系列关键技术支撑。经过十余年的电力市场运营技术研发和工程积累,研究团队已经具备了支持多用途数据库、消息总线、服务总线、自定义图形、流程引擎、电网模型交换的软件支撑平台;在电力交易运营系统开发中积累了支持多类型电量交易开展的规则库、算法库技术,以及可配置的电量电费结算技术;在节能发电优化调度技术研究中,研发了多时段多目标安全约束机组组合和经济调度算法。然而,为推演建立在大规模电网之上由多种电力商品、多种交易周期、多种交易方式组合的电力市场运营机理,分析市场经济运营和电网安全运行的耦合影响,在有限的实验时间内模拟长时间周期内的电力市场运营,评估预想市场模式的各种影响,在上述技术积累基础上,还需要解决电力市场全景实验平台建设中的如下关键技术。
1)大规模市场出清优化及定价算法技术。在已有安全约束机组组合和经济调度技术基础上,建立电能与辅助服务联合优化模型,研究能够实现适应多种电源类型、发用电双向竞价、电能与辅助服务耦合、多时段耦合,考虑电网安全、机组运行、系统平衡的大规模优化算法,适应年度、月度、日前等多交易周期大规模电力市场的快速出清计算,保障计算性能满足快速实验要求;开发分区定价和节点边际电价等常用定价算法。该技术在国外电力市场中已经得到应用,国内尚未研制出适用于省级以上电力市场的工程化算法和应用,目前已经纳入国家电网公司“十三五”科技规划。
2)市场成员决策行为模拟技术。研究考虑全成本回报、多电力市场收益、整体效益最大化的市场成员决策模型,研发市场成员决策行为智能代理模拟算法,反映各市场成交结果间的相互影响和风险喜好对市场成员决策行为的影响,并在实验进程中,支持市场成员决策行为的动态进化,该技术研究已经纳入国家电网公司“十三五”科技规划。
3)市场模拟的任务调度技术。研究能够根据设定的市场模拟时间范围,依据各电力市场间的运行时序和市场各环节触发条件,自动激活多电力市场并行运行流程的实验任务调度技术,在实验进程中依序调用市场出清等计算服务,实现以较短的实验周期完成对长周期电力市场运营的模拟,该技术正处于研发过程中。
此外,电力商品通用成本模型的建立,基于国际标准的电网模型(IEC 61970)或市场模型文件(IEC62325)的电力市场环境自动生成、电网运行状态模拟、适用多市场模式的结算评估等也都是电力市场全景实验平台建设中必须解决的关键技术,均已纳入国家电网公司“十三五”科技规划。由于国内尚未建立商品类型丰富的成熟电力市场,初期实验环境的生成还主要依靠人工准备,基于国际标准的电网模型或市场模型文件的电力市场环境自动生成技术可以稍后研发。
4 结语
目前国内电力市场化改革正深入推进,由于国情、网情不同,国外市场模式很难照搬,本文提出以电力市场整体运营为研究对象的电力市场全景实验平台,将为选择适应中国特点的电力市场模式、降低电力市场改革试错成本、推演电力市场运营和电网运行耦合机理、培训电力市场专业人员提供实验环境支撑。在国家电网公司多个科技项目资助下,已完成电力市场全景实验平台体系研究和框架设计。
摘要：为分析市场成员在不同电力市场间的决策行为特征及对市场运营的影响,以紧密耦合、相互影响的多电力市场整体运营为研究对象,从电力交易运营模拟、市场成员决策行为模拟和电网运行模拟三个维度提出电力市场全景实验平台设计。其中,以电力交易运营模拟器实现电力调度交易机构的市场组织、出清和结算,以市场成员行为模拟器实现市场成员决策行为演化,以电网运行模拟器实现市场成员互动下的电网稳态运行模拟,通过考虑全成本回报的市场成员自主决策和动态学习,推演设定市场模式下的市场演变过程,用于多电力商品、多交易周期、多交易方式的电力市场运营模拟与评估、运营技术验证、运营人员实务培训和运营系统功能测试。
借助实验平台,提高探究效果 篇8
一、把一些抽象的习题转化为实验
例如, 七年级用天平测物体质量, 会有这样的题目: (1) 物体和砝码左右盘放错, 游码读数已知, 求物体的实际质量; (2) 用生锈的砝码测物体质量, 测量值和真实值相比哪个大, 如果砝码缺损, 又会怎样; (3) 游码未移零就调节天平平衡, 则测得的物体质量将偏。这三个问题学生会想不通, 如果老师光是讲的话, 学生可能今天会做了, 明天又错了, 老师又讲, 这样反反复复, 有些学生到最后还是不太清楚。对于这三个问题我是这样做的, 我一开始就把它放进了实验中:先让学生测出物体的正确质量, 然后完成下列步骤并进行记录: (1) 物体和砝码左右盘放反, 读出游码数值, 进行比较; (2) 砝码粘上橡皮泥后再测物体质量, 和正确值比较; (3) 游码移到一定数值, 再调节天平平衡, 测同一物体质量, 和正确值比较。这些实验我让学生先做, 然后稍作解释, 大部分学生就接受了。同时在碰到类似有关联的题目时, 也可以对其进行解释。
二、给予学生自主探究平台, 加强学生互动交流
科学习题中会有一些估测题, 像某一物体的质量大概为多少, 重力为多大, 容器的体积为多少等。从我们老师方面来讲认为很简单, 往往不重视, 在课堂上讲一下好了, 但实际上对学生而言恰恰是个难点, 因为他们对于有些单位大小没有具体的概念。对于这个问题我常常是把测量仪器分组发给学生后, 让他们自行测量, 把数据记下来, 然后进行全班交流。例如在讲“力的测量”时, 我把弹簧测力计直接按组发给学生, 先让学生自己观察, 然后按组交流观察到了什么。学生能讲出弹簧测力计上一边写着“N”, 一边写着“g”, g是质量的单位, N应该是力的单位。又有学生会讲上面有零刻度线, 还有指针, 所以使用前要先把指针调零。也有学生补充其上有最大刻度值, 使用时不能超过最大刻度值。还有学生争着说读数时要注意最小刻度值 (这些学生应该理解, 因为已有测量的基础) 。然后我让他们测量自己感兴趣的物体, 物体挂在弹簧测力计下时, 记下数值, 最后交流。这样的效果非常好, 连我们班成绩最差的那个女生也能正确读出数据。甚至有一个学生说“老师, 通过这次测量, 我发现我这个人挂到量程足够大的弹簧测力计下, 对它的拉力大概为450N”, 我问他为什么, 他也说出了理由。而且这样做过后, 学生对力的大小有了一定的概念。这样学生对某一个单位大小就有一定的概念了。
三、借助实验平台, 帮助学生提高动手操作能力
目前, 我们使用的浙教版《科学》书本里, 有各种各样的实验, 我们老师正好以此为载体培养学生的动手操作能力。例如, 在使用日常的测量仪器诸如刻度尺、天平、弹簧、电流表、电压表时, 就应该着重培养学生动手操作能力。学生在在第一次使用仪器时, 由于没有实践经验, 操作时会不顺手, 不是缓慢, 就是出错, 这些现象是不可避免的。但第二次使用时, 应要求学生对仪器的基本性能有基本的掌握, 基本上能安装和使用。而第三次使用时, 应要求学生能够正确操作使用仪器。例如, 学生做电学实验时, 初学阶段很容易将电流表和电压表“+”“-”极接反。老师可以在学生实验前, 先做示范操作, 将电源的正极和电表的正接线柱先用红纸做上特殊标记, 然后用红色导线把电源的正极与电表的正接线柱连接起来, 用黑色导线将电表的负接线柱与电源负极相接 (在电路中有小灯泡) 。在学生实验时, 教师巡回指导, 发现有接错的, 再进行示范。
“动”起来是初中科学教学中的一种重要手段, 从实验中体验, 化抽象为形象, 不仅给学生提供了学习的感性材料, 验证科学定律, 而且能够提供科学的思维方法, 加深对基本知识的认识程度, 激发学生的求知欲, 培养学生的探究能力, 以实现教学目标。
摘要：随着科学新课标的实施, 帮助学生通过手脑并用的探究实验活动体验探究过程, 学习科学方法, 发展科学探究所需要的能力并增进其对科学探究的理解, 已经成为一种共识。学生科学素养的培养贯穿于科学教学之中, 这就要求科学老师借助众多的实验, 帮助学生在课堂上“动”起来, 实现掌握知识的目标。
实验实训平台 篇9
物联网被看作是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一个信息产业浪潮。近年来国内外高校纷纷开设了物联网相关专业和课程。物联网课程强调理论技术与实践的紧密结合, 对课程实验有较高的要求, 需要一体化的实验配套设施, 且需要设计具有较强直观性、实用性并能有效验证物联网技术原理的实验平台和系统等。目前在物联网实验方面还没有有效的实验教学解决方案, 因此, 很多高校开始组织研究和设计力量研发适合自身实验教学特点、专业性强的实验教学平台。
目前国内高校开展物联网实验仍以单项技术实验为主, 如以RFID标识读写实验、以单片机或嵌入式平台为主的各类型传感器实验。这些实验主要从物联网基础技术入手, 以掌握物联网基本支撑技术为主导思想。而对于实际物联网系统如智能行车安全应用系统、智能医疗系统、智能家居系统等, 因系统规模大、设计复杂、涉及物联网技术较多等因素, 在教学中以理论讲解为主, 实验平台设计和实现起来有一定困难。针对上述现状和问题, 本文旨在探讨物联网实验教学平台的新方法, 在现有单项物联网基础实验基础上, 设计和实现物联网监测实验平台, 拟采用该平台为学生展示物联网基本系统的组成结构、组网技术和方法, 并通过对实验室环境舒适度物理量进行监测, 旨在帮助学生理解物联网关键技术如传感器技术、传感器网络技术的主要原理和实现过程, 以便学生能够加深理解、学以致用。本文提出的实验平台依托通信与系统工程专业在教育领域的应用成果、院校内部现有的校园网络和硬件资源, 设计、开发一个物联网环境监测实验教学平台用于智能实时监测实验室环境舒适度数据, 提高对理论教学的支持能力, 旨在提供一种面向实际应用的物联网实验教学系统的主流解决方案, 为今后物联网实验教学的发展提供依据和参考。本文设计和实现的物联网实验室监测教学实验平台的主要优势在于:
1.
该实验平台构建在物联网单项实验基础上, 对现有RFID技术、传感器技术、无线通信技术和网络技术进行了融合, 并以实际应用即实验室环境监测为目标, 有效实现了物联网教学实验的直观性、实用性, 通过实验平台能够实现实时数据采集和报警处理等, 有效验证了物联网各支撑技术的原理和方法。相比现有单项实验而言, 增强了实用性, 建立了一个小型的物联网示范实验系统, 便于学生理解物联网原理和技术, 提高实际动手能力。
2.
该实验平台构建在现有实验室网络条件和硬件设备基础上, 充分利用现有网络资源和硬件节点资源, 实验系统中智能监测的RFID设备、传感器节点设备采用分布式组网, 方式灵活、易于扩展;能有效地为学生提供一个分布式自主、协作的实验学习环境, 并有助于后一步随学习进程开展, 增加和扩充实验平台结构, 逐步扩展平台资源和丰富实验平台功能。此外, 本实验平台组网简单、灵活, 也可被移植到其他相似类型的应用场景中去。
二、物联网实验室环境监测实验平台
物联网实验室环境监测教学实验平台系统旨在利用物联网技术如RFID技术、传感器技术、无线通信技术作为有效监测手段, 以实验室环境监测作为典型示范应用, 实现有效的实时实验室典型位置区域的环境数据采集和舒适度决策报警的智能提示功能。实验过程中, 我们将布设若干传感器节点设备, 放置在实验室典型位置区域用于监测环境数据 (这里主要采用温湿度传感器、光照传感器等采集环境基本物理量) , 同时我们还在部分实验室硬件设备资源如手机、笔记本电脑上贴上RFID标签, 以及在人员身上携带RFID标签如实验室门禁卡等, 这些携带RFID标签的设备经人员携带等方式在实验的过程中改变放置位置, 用于跟踪设备所处环境的实时环境数据信息。整个实验环境中的智能终端和节点设备, 通过自组织方式组网, 传感器节点通过多跳方式将采集的数据信息传输到汇聚节点, 汇聚节点通过实验室现有的局域网网络资源接入后台监控服务器, 用户通过B/S方式访问监控服务器实现实时实验室环境数据查询功能, 包括典型实验区域的环境数据和配有RFID标签的特定设备所处环境周边环境数据的查询等等。此外, 监控系统软件设计功能提供了数据决策方案, 根据采集的环境数据和预先设定的阈值实现实验室环境舒适度的报警功能。
从网络架构上考虑, 该实验平台系统网络架构主要包括三大部分:传感器节点、汇聚节点和监控服务器, 其结构如图1所示。传感器节点用于感知环境中的物理量数据, 并以多跳形式传输。从功能上来说, 相邻的几个智能节点可形成簇, 共同协同监测实验室环境状态, 簇内的一部分部分节点作为普通的智能采集节点, 有一个节点除了承担采集功能外, 还需要承担簇内的调度管理, 当然, 也可通过监控服务器的远程配置, 灵活设置各节点功能。汇聚节点负责把传感器采集的数据信息进行汇聚, 收集和融合所有监测数据, 然后通过实验室网络资源包括无线或者有线的方式, 将数据传输到监控服务器上。监控服务器可提供具有权限的用户访问和查询实验室环境数据以及提供相应用户环境舒适度报警信息等。因此监控服务器是信息最终汇集和分析处理的地方, 其核心是数据库, 借助数据库管理功能, 可将数据显示在监测用户的PC机上, 在后一步扩展实验中, 还可以根据需求将数据提供给有权限的手机和PDA用户。监控服务器提供的预警功能可完成紧急情况下的舒适度预警, 为应急处理工作提供依据。
从逻辑功能结构上考虑, 该实验平台系统主要完成的是对实验室环境的温湿度等基本物理量信息的采集、传输和处理, 在此基础上实现对实验室环境的实时舒适度监测和报警维护。图2为实验平台系统的功能结构示意图。
根据图2所示的实验平台系统功能逻辑结构图, 从软件设计的角度, 实验平台功能的具体实现包括以下几个部分: (1) 数据分析和处理。实验平台系统软件借助数据库和PC机的功能完成对采集数据的接收、分析和处理。主要包括将数据存储到数据库中, 根据预先设定的程序对数据进行分析处理。 (2) 系统配置。对数据进行处理分析之后, 系统软件借助数据库来完成服务器配置、传感器节点配置、RFID设备配置、事件和报警信息配置以及管理权限配置。这些功能配置在预先设定之后, 即可实现对实验室舒适度环境的管理和维护。具体包括:在网络连接或网络组织前, 进行正确的数据库配置。包括IP、端口、数据库名称的配置等。监控服务器和数据汇聚节点的通信, 提供串行232接口, 因此需要对端口号、速率、停止、开始、数据位、CRC配置。通信接口的配置可选择使用特定通信方式进行数据的网络接入。在实验室环境监测实验平台系统中, 需要对智能节点和设备进行配置, 人工指定节点的功能和工作状态。并对节点的当前能量状态以及节点所测得的相关环境参量值进行设置, 方便网络进行分析管理。对于舒适度异常报警的设置是指通过设置报警阈值, 当确认监测到实验室环境舒适度数据如温湿度超过设置阈值, 可自动启动报警提示模式。管理权限配置是指用户权限设置, 可通过设置权限, 限定不同类型和级别的用户, 分配不同的权限, 比如一般用户可查看数据和监测信息, 高级用户可进行网络的配置和配置数据库等。 (3) 监测信息显示。系统提供实时监控功能, 借助显示屏、PC机和数据库, 可以将实验室舒适度信息实时显示在显示屏上, 包括图表曲线信息以及相关预警信息。在验证用户权限后提供交互界面, 用户通过输入条件可以查询实验室环境舒适度信息, 包括数据库存储的实时和历史信息, 并且以图表的形式显示。图3是实验平台系统的监测示意界面。
三、物联网实验教学的工作流程和实验案例
物联网实验教学流程结构示意图如图4所示, 在实验教学过程中使用前述实验平台系统分3步进行实验, 帮助学生理解物联网设备基本工作方式、传感器自组织组网、传感器网络信息采集和汇聚以及使用实验平台实现实验室环境数据的查询和数据报警功能。如图4所示, 实验第1步为物联网智能终端的调试和使用, 具体包括传感器节点数据采集实验和RFID读写实验。实验第2步为传感器节点组网和数据汇聚实验, 即传感器节点自组织形成简单拓扑的网络结构, 组网后数据信息由多跳转发最终收集到汇聚节点的过程。实验第3步为实验室环境监测系统观测实验, 即利用平台提供的监控模块, 实验室局域网用户接入监控服务器对监控管理系统进行访问, 提供查询条件得到信息查询结果, 并在客户端以图形化方式展示;同时客户端接入监控管理系统时, 如某实验室某特定点舒适度物理量数据值超过预设阈值, 则客户端可得到报警对话框提示。
传感器节点数据采集:实验中采用Zig Bee来实现传感器的物理层。包括协调器和传感控制节点, 使用温湿度传感器进行数据采集。温度传感器数据采集使用板载的DS18B20传感器采集节点工作温度。
RFID读写:RFID按应用频率的不同分为低频 (LF) 、高频 (HF) 、超高频 (UHF) 、微波 (MW) , 相对应的代表性频率分别为:低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M-960MHz、微波2.4G-5.8G。目前, 实际RFID应用以低频和高频产品为主, 但超高频标签因其具有可识别距离远和成本低的优势, 未来将有望逐渐成为主流。RFID读写器底板支持低频读写器模块、高频读写器模块和超高频读写器模块;支持串口、Wi Fi、以太网口三种通信方式。低频RFID读写实验包括两步:第一步设置串口工作方式并启动低频, 第二步为读卡操作, 打开串口模块低频选项卡, 选择正确的标签类型, 开始读卡操作。
物联网组网通信与数据收集实验:采用无线传感网络技术, 可定时采集实验室环境的相关环境数据, 利用Zig Bee协调器, 通过传感控制节点将环境监测数据传输到服务器, 并以图表方式显示给用户, 当监测数据出现异常时, 可利用软件网络实现对实验室环境的控制。也可通过Internet网络、手机短信远程监测环境信息和设备运行状态等。用户通过访问监控服务器可根据实验室环境监测实验系统界面交互, 实现查询任务, 完成实验室环境的数据采集和控制。
四、总结
本文以构建物联网实验室环境监控实验教学平台为核心, 探索通过实验平台的设计与实现, 以及使用该平台实现实验室舒适度实时监测的解决方案, 提出了面向实际应用的物联网实验平台的一般构建结构和运用该平台实现实验教学系统的实验工作流程。该平台有效地运用了现有实验室软硬件工作资源, 实验平台系统架构易于扩展, 运用该套系统能有步骤、循序渐进地帮助学生理解物联网硬件设备调试和使用方法、物联网组网原理、数据传输和路由方法, 以及面向实际应用的物联网系统架构和信息交互方法。构建在该实验平台上开展教学实验具有较好的实验教学效果, 既有单项实验单元, 又有面向实际应用的典型示范, 有助于学生在理解物联网基础原理的基础上, 提高动手能力和实际解决问题能力。该平台架构具有可扩展性, 随着物联网技术的不断发展和物联网教学课程的深入开展, 我们将进一步扩展和完善整套系统, 使得该实验平台系统能融合其他物联网基础技术实验和应用。
参考文献
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[5]魏晓宁.物联网实验教学初探[J].计算机时代, 2011, (10) :49-53.
浅淡英语自主学习平台实验研究 篇10
1 研究现状
国内外不少学者教师探讨了如何通过建立自主学习中心促进学习者自主。Cotterall[1]讨论了促进学习者自主的一些具体方法,他描写的自主学习中心里提供了听、读、词汇、语法材料,对学习者和导师的职责也有相应的规定。Gardner和Miller[2]在其专著《外语自主学习———理论与实践》中,理论联系实际全面阐述了自主学习中心的建立、维护和发展体系。华维芬[3]探讨了自主语言学习的理论基础,分析了自主学习中心的构建要素、功能、种类及相关问题以及我国建立自主学习中心的必要性和应关注的问题。温志、韩涌波[4]以自主学习理论为基础,强调了自主语言学习的必要性和构成要素,并提出了自主语言学习中心的建设和应用,以实现教学和管理观念的更新。这些研究和实践无疑给供了有益的启迪和借鉴,但这些研究更多侧重于理论探讨或排列出似乎难以实现的理想英语学习中心的诸多要素,实证研究偏少。实践探索我国大学生自主学习环境的建立,为其提供自主学习的空间,从而促进他们独立自主和培养其承担责任及反思学习过程,具有高度的现实意义。
2 自主中心的建设与管理
英语自主学习中心是以“学习者自主,教师指导为辅”为主的一个学习系统,主要构成要素是:规划、资金、位置及其大小、辅导教师、管理人员、设备设施、学习资源、学习者的测评及中心的评估和监督等一系列具体问题,建立时必须给予综合考虑。
2.1 中心建设
首先我们于2008年5月组织参观了广东医学院的英语自主学习中心。该校已使用英语自主学习中心2年有余,积累了不少经验。我校积极吸取了该校建设的优点,将每个自主学习教室规定学生位100座。每个教室采用结构化布线,使得维护和管理非常方便。
我校引进了蓝鸽数字网络语音室系统,该系统基于ATM网络规则,采用专用设备,相对避免了电脑网络不通、网络拥塞、病毒、黑客等问题;通过全数字化的传输方式,彻底保障听说教学及听说考试的专业化要求。“蓝鸽数字网络语音室系统”不仅能实现模拟语音室的所有功能,而且引入了网络教学的功能。它由教学系统、考试系统、阅卷系统三大部分组成。系统采用全数字化的传输方式,损耗小,传输速率快,声音保真度高;采用ATM网络协议,专业用于音频、视频的传输与处理,保证传输的实时性与连续性;采用SMT表面安装工艺,系统稳定,可靠,扩容性强;结构化的布线,使得线路简捷,维护方便;资料来源有三种途径:本地库,外设,网络库。
2.2 中心管理
我们了解到教师与学生对中心应起相互协助的作用、提供的学习资料和设施、时间安排和教师以及管理人员的职责等方面的方法和态度。
1)教师和管理人员。中心配备了专职教师和技术管理人员,老师执行轮流值班制度,帮助学生制订水平相当的学习资料,提供有计划有组织的咨询服务,对学习者的学习进程进行适当的监督与指导,帮助他们提高独立学习的能力及调整策略和情绪,避免学生的挫折感。技术管理人员帮助学生解决学习中遇到的技术问题,以及中心设备的管理和维护。为此工作人员应熟悉中心的目的、作用、运作和日常事务,掌握中心的学习情况。他们应及时将学生的反馈意见向上级汇报,并负责处理偶发事件。
2)学生。我们详细介绍中心已有的自主学习素材,让学生熟悉中心的设施和运转方式,介绍语言学习技巧和策略,帮助学生认识自己学习风格和策略,找到自己最佳的方向和目标,还要求学习者自我确定学习目标、选择学习材料、及时合理地评估自己的学习过程和效果,自我监控,并做必要的调整。学生根据课任教师要求或学年计划,与中心辅导教师讨论,结合自己的目标和兴趣,大都自主选择了不同的学习目标。当学生需要更多的学习资源时,我们会不断及时更新,已跟上学生的学习需求。
3)日常运作。中心统一制定了工作制度和相关规定,否则易演绎成又一个自修室、阅览室。我们保证在开放时间段有至少一位辅导教师(本校教师或外籍教师)在场,他们的签名和情况记录作为与授课一样的工作量计算的重要依据,以调动其积极性。一旦出现技术问题,管理人员是随叫随到,及时解决技术问题。此外管理人员还负责中心的卫生保洁任务,使中心保持清洁舒适的状态,为学习者提供轻松愉快的环境,吸引更多同学前来。中心充分利用了网络资源,将部分学习资源(大纲、教师主页、练习和测试等)完善后上网,开展师生间学生间网上交流,开发和引进操练和测试教学软件,建立个性化和自主式课外英语学习平台,促进自主学习,提高语言学习效果。
我们及时调整了一些安排和做法,如:及时更新了一些最新英语资料、任课老师的讲义也统一规划和整理在固定服务器内,方便学生下载、添置英语活动所必须的音箱话筒等、每天课余晚上全部开放。
3 结束语
2009年2月起,中心继续运转,前来中心的人数虽有了改善,但人数还是不多。经过了解原因依然一是学生有自己的学习方式,认为学习英语不一定非得通过自主中心,还是习惯于传统学习方式。二是大部分学生感觉英语水平低,来自主学习找不到门路,来了只看英文电影。对此要求课任英语教师加强学生的英语底子,设法将课堂英语教学与中心的学习进行合理地衔接,互为补充,逐渐引导学生适应掌握自主学习英语的方式,也要求学校招生部门招生时将英语成绩作为一个重要指标,多招收英语水平好的学生,从源头上解决问题。另外,建议将学生来中心及其表现记录在册,作为学分,或作为评奖学金等的参考依据。这样可提高学生自主学习的积极性。以这种方式激励“迫使”学生参加,逐渐养成他们的自主意识,这样建设自主学习中心的目的就达到了。
本着“以实证研究为主,多一些实践、少一些观望”,我们就高等院校开展英语自主学习中心建设进行了一年多的探索,虽然还有这样那样的问题,但我们将踏踏实实继续探索之路,希冀同学们更快更多更好地习得语言,提高他们的学习自主性。
参考文献
[1]Cotterall S.1995.Developing a Course Strategy for Learner Autonomy[J].ELT Journal1995(3):219-227.
[2]Gardner D,Miller L.Establishing Self-Access:From Theory to Practice[M].Cambridge:CUP,1999.
[3]华维芬.自主学习中心——一种新型的语言学习环境[J].外语界,2001(5):41-45.
实验实训平台 篇11
关键词：实验教学；研究型教学；课程体系；实验改革
南京大学化学实验教学中心（以下简称“中心”）于2006年被授予国家级实验教学示范中心，其前身可追溯至20世纪20年代初在南京高等师范创建的普通化学实验室。“中心”由大学化学、仪器分析、有机化学、物理化学、综合化学、化工原理、中级应用化学和化学信息学八个实验室组建。它依托化学学科，由校、院两级管理。
“中心”的教学一贯以戴安邦教授所倡导的“化学教育既传授知识和技术，更训练科学方法和思维，还培养科学精神和品德”的全面化学教育准则为指导思想。自20世纪80年代起，“中心”在全国高校中首先对原实验课程体系、教学内容和方法进行改革，经过20多年努力，在实践中逐步构建了研究型实验教学平台，形成了“基础—综合—研究”三层次推进教学进程和“提高—扬优—早期介入科研” 三层次开放式实验教学模式，在全国得到推广和应用，形成了教学特色。
一、改革实验教学体系和课程内容，构筑研究型实验教学平台
在实施全面化学教育的指导思想下，“中心”改革了以教研室为单位组织实验教学的框架，在化学一级学科层面上组织基础实验教学，提出按“基础—综合—研究”三层次构建实验教学体系和实验室（如下图）。新实验体系突出了以能力培养为核心，并将知识、能力和素质三要素有机结合起来。
1.骨干实验课程建设
“中心”在实验课程内容改革上，突出重视基础，加强综合、设计和科研训练，着重在“激发学生兴趣、启迪学生探索、训练学生科学思维和方法、引导学生创新”等四个方面建设骨干实验课程，培养学生创新意识与初步创新能力。
（1）国家精品课程“大学化学实验”。“大学化学实验”2004年被评为国家精品课程，2009年获第二轮国家精品课程建设资助。2010年3月，《大学化学实验》（第二版）出版。第二版教材更新了大约30%实验内容，增加了实验趣味性、新颖性和综合性；更新增加十余个实验视频录像。
（2）反映兴趣性、设计性的国家精品课程“仪器分析实验”。2009年3月，由科学出版社出版了《仪器分析实验》（第二版）。在新一版教材中增加了一批如“大棚生长的蔬菜、瓜果和自然环境生长的蔬菜、瓜果营养成分是否存在差别”等贴近生活、贴近实际的设计研究型实验项目以激发学生求知欲和兴趣。
（3）突出用新技术改造经典课程“有机化学实验”。多年来，该课程教学小组在注重基础的同时，着重对学生综合能力和科研能力的培养进行了不断地探索和改革，提出了“将经典实验教学内容进行升级改造，引入现代分析技术，使有机合成、分离纯化、结构表征及质量分析有机结合，加强综合性和研究性训练，促进教与学”的教改思路。具体实施办法是：在保证基本合成操作训练外，将色谱-质谱联用仪、核磁共振谱仪、色谱仪等现代分析技术引入教学内容，让学生对所合成的产品进一步进行定量和结构分析，并将分析结果反过来用于引导学生对反应机理的理解和反应条件的选择。而在传统的教学方法中，学生在完成产品合成后，仅仅通过测定沸点、熔点、折光率等简单技术定性地判断产品纯度。在实际生产中，仅仅定性地给出产品的纯度是远远不够的，更重要的是需要知道产品中有哪些杂质，杂质的结构是什么，确切的含量是多少。通过对经典实验的现代化改造，不仅使我们的教学与当今社会的实际需求更加贴近，而且通过对产品中杂质结构的分析，使学生对反应机理的理解更加深刻，丰富和深化了书本知识，拓宽了学生的知识面，激发了学生学习化学的兴趣。
（4）不断推出新的“物理化学实验”课程。2010年，“中心”在高等教育出版社出版了新版《物理化学实验》教材。我们设计的催化剂活性评价新实验装置，可对多种固体催化剂进行活性评价，可满足正常教学实验和开放性研究型实验的需要。另外，“中心”利用此套装置还开设了“气相色谱法测定无限稀释溶液的活度系数”实验，不仅可测量一系列物质的活度系数，还可进一步获得混合热、汽化热、超额焓变化和超额熵变化等实验数据。近两年来，“中心”开出的物理化学研究型新实验项目达到6项。
（5）注重学生个性发展的国家精品课程“综合化学实验”。该课程按照“必修+选修+开放”教学模式，实施适合学生个性发展的能力和全面素质培养。必修实验为精心设计的典型教学实验，通过对化合物和材料的制备、分离和提纯，并使用IR、UV、NMR、HPLC、CE、TG-MS、BET、XRD、GPC、光散射等大型仪器表征，训练学生学会化学二级学科知识的融会贯通和交叉；选修实验为研究式大综合实验，学生可利用网上选课系统选择自己感兴趣的实验内容；开放实验为科研型课题实验，允许学生利用一定的教学实验时间在科研实验室中研究。
2.以学生能力培养为核心的开放式研究性教学内容和方法
除了实验课程改革外，“中心”利用课余时间，将教学实验室全面对学生开放，对学有余力或需要个性化发展的学生进行因材施教。实验室提供开放实验课题或让学生自带他们所感兴趣的研究课题，在老师指导下进行科学研究训练。近年来，开放实验课题达40余项。另外，结合南京大学理科化学人才培养基地建设，“中心”通过国家自然科学基金人才培养基金创新能力培养项目资助了20个子项目。每个子项目分别由科研经验丰富和教学经验丰富的教师组成指导小组，共同指导学生。
3.教学方法和手段
“中心”除了采用开放式、研究式教学方法外，在基础实验教学中强调启发式、互动式教学方法。例如，在“大学化学实验”教学中，由指定预习内容、思考题代替原理部分，实验步骤由全到简，引导学生通过“查、看、思考”式的预习，理解实验原理，剖析实验过程，把握实验重点。同时，建立多元考核机制，关注学生思考、动手、协调和解决问题等综合能力，统筹考核实验过程和结果，调动学生潜能。
“中心”重视网络、多媒体等现代教学手段的应用，投资120万元重新设计和建设了分辨率达到高清的“双向互动音视频辅助实验教学系统”。该系统可实现教师的实验教学实时传送到各实验室，演播室教师和实验室学生通过音、视频实时互动，实现教师优质资源共享，并能使教学质量得到监督和保证。
二、建设能够胜任研究型教学的实验队伍
南京大学历来重视教学队伍建设，制定了一系列相应的措施。例如，明确提出4个“一视同仁”——教学工作与科研工作、教学带头人和科研带头人、教学成果和科研成果、教学项目和科研项目的一视同仁；设立了实验教学教授岗，增设实验技术岗位；制定了“教学和科研奖励条例”等，引导和激励高水平教师积极投入实验教学。“中心”依托南京大学化学学科的人才优势和政策牵引，组建实验教学团队。团队由实验室主任、骨干教师、兼职教师、实验技术人员组成，骨干力量相对稳定。目前已形成了一支以45岁左右中青年教师为主体的、适应研究型实验教学的高水平教学队伍。这支队伍结构合理，既能从事实验教学，还能从事科学研究。2010年，该团队获得国家级教学团队称号。
“中心”十分注意教学队伍的国内外学术交流和学习，派出30多位教师到欧洲、美国等著名大学进行合作研究和学术交流；派出教师和实验技术人员30多人次参加全国化学教学研讨会、大学化学化工课程论坛等各类教学研讨会；组织教师进行教学研究和开发新实验，资助教师发表教学论文59篇；坚持传、帮、带的传统作风，课程小组实行集体备课制，保证教学质量。学院就新上岗教师及TA指导实验制定了相关政策，如在指导实验前必须试做实验、试讲，并组织3人以上考核小组听课考核，合格后方可上岗。
多年来，实验教学团队的教师活跃在教学科研第一线。他们将科研成果转化为教学内容，编写出版了《综合化学实验》，2009年“综合化学实验”获得国家级精品课程。
三、特色
一是“中心”在全国高校中，率先提出并实施按“基础—综合—研究”三层次构建实验教学体系和调整实验室布局，推进实验教学。实现这项改革的重要措施是：在国内高校中首先建立综合化学实验室，开设“综合化学实验”课程，将设计实验和科研训练纳入实验教学计划中，加强学生科研能力培养和科学精神熏陶。该教学体系突出了以能力培养为核心的教学改革，将知识、能力、素质三要素有机地结合了起来，改变了过去重基础、轻能力的教学培养体系。该教学方案和理念已经在人才培养过程中取得明显成效，得到全国兄弟高校普遍认同并借鉴，获得了国家级教学成果二等奖。
二是“中心”提出并实施了“提高—扬优—早期介入科研”三层次开放式实验教学模式和管理方法。这项教改的重大举措是：在时空上全方位向学生开放各类实验室，包括：教学实验室双休日和寒暑假开放； 科研实验室向教学、向学生全面开放；大型仪器实验室24小时开放。其中，提高层次主要对象是一二年级实验能力较弱的学生。“中心”利用双休日对他们开放实验室，按照实验进度分段列出实验。有的内容比课堂实验要求高，操作要求也高；有些与课堂内容接近，但不是简单重复。以供不同需要的学生选择，给他们增加实践机会，提高实践能力。
扬优层次主要对象是一二年级学有余力的学生。“中心”利用寒暑假、双休日开放实验室，为申请获得国家、省级、校级各类创新计划和开放课题的学生提供研究平台。
早期介入科研层次的主要对象是高年级对研究感兴趣的学生。他们利用课余时间直接进入科研实验室工作，在浓厚的科研气氛中迅速成长。
三层次的开放式实验教学方法是实现“因材施教、个性化培养、主体地位、以人为本”等教学理念的有力举措，获得了国家级教学成果二等奖。
三是“中心”构建了“校级—省级—国家级”三层次全国示范辐射网。“中心”在全国高校中率先牵头组织和制定“化学实验教学示范中心建设标准”的课题研究，并参加了国家“实验教学示范中心评审标准”制定；在全国首先牵头成立了省级高校化学实验教学中心联席会。通过该平台，定期召开“示范中心”建设交流会，组织编写实验课程要教材，组织实验竞赛，举办教师培训班等。这项工作获得国家级教学成果二等奖。
四、推动示范中心建设可持续发展
按照“综合性、研究型、国际化”的创建世界一流大学目标和“学科建设和本科教学融通、通识教育与个性化培养融通、拓宽基础与强化实践融通、学会学习和学会做人融通”的人才培养思路，南京大学于2009年实施了“三三”制本科教学改革。 “三三”制中的第一个“三”指的是对学生实施“大类培养”、“专业培养”和“多元培养”三个培养阶段；第二个“三”指的是在三个培养阶段中，学生可以根据自身的学习基础和学习兴趣，进行“专业学术类”、“学术交叉类”和“就业创业类”三种发展途径的选择。南京大学“三三”制本科教学改革旨在建立个性化、多元化的人才培养新模式，致力于为学生提供更多的课程选择、专业选择和发展路径选择权，帮助学生完成由“学习转型”到“学术转型”，激发学生的创新思维，为全体本科生全面开放南京大学各专业课程和优质教学资源。
在学校“三三”制本科教学改革背景下，“中心”的主要任务是为南京大学培养专业学术类人才、复合交叉类人才发挥重要作用。虽然“中心”对专业学术类人才的培养已具备比较成熟的实验教学体系，教学条件也比较先进，但是对照《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年》精神和南京大学“三三”制本科教学改革的要求，我们的工作还存在欠缺。为此，我们将重点做好以下工作：
一是坚持以学生为本，进一步加强实验教学内容、教学方法的改革和质量建设，如注重学生学习兴趣和研究激情培养，积极引导学生对化学前沿研究领域知识与技术的掌握，丰富培养学生研究能力的手段和方式。以国家、省和学校各类创新性项目和开放式实验为牵引，引导和培养学生创新意识、创新精神和创新能力。
二是针对交叉复合类人才培养基础薄弱问题，着重做好学科交叉课程及其相应教学条件的建设、教学体系及其培养方法的探索。
三是仙林新校区1万多平方米教学实验室科学文化氛围建设，展示南京大学百年高校的科学文化积淀，这是当前“中心”在落实“三三”制本科教学改革、实施本科基础阶段全面的科学、人文素质教育的一项紧迫的文化工程。同时，这也是我国大部分高校在进行新校区建设中普遍所面临的共同问题。
四是在“校级—省级—国家级”三层次示范体系基础上，进一步加强示范辐射的内涵建设。通过申请教育部青年骨干教师培训班，举办若干期“无机及分析化学实验”、“有机化学实验”技术操作培训班。促进实验操作示教规范化，提高青年教师实验教学水平。
网络虚拟化实验平台研究 篇12
关键词：网络虚拟化,PlanetLab,VINI,CABO,GENI,VegaNet
0引言
随着互联网高速发展,关于网络体系结构、网络服务的新型研究层出不穷。由于人们实际使用的网络受网络服务供应商的控制,使得人们能进行的修改十分有限,对研究成果的分析和评价一般只能在实验室环境下进行,而实验室环境与现实网络有着较大的差距,缺乏真实网络中的丰富网络事件、不能随意更改网络拓扑或配置,无法有效地验证研究成果的效能。网络虚拟化概念的提出,使得互联网具有了多样化的属性,通过在同一物理基础设施上部署多个独立的、异质的虚拟网络,提供充足的灵活性,推动多样化并保证安全和可管理性。网络虚拟化实验平台能提供一个如同真实物理网络一样的网络实验环境,能有效地对研究成果进行模拟分析和性能评价。
本文主要介绍构建于现有互联网上的几个比较成熟的网络虚拟化实验平台,对这些虚拟化平台结构和技术进行分析,各平台针对网络虚拟化中的不同的关键问题提出了自己的解决方案,并在最后给出综合比较。
1 PlanetLab
1.1 PlanetLab概述
PlanetLab是一个支持新的网络服务开发和网络研究的全球性网络虚拟化实验平台。它结合分布式系统和网络虚拟化的优势实现节点的虚拟化,用于设计、评价和部署在地域上分布式的网络服务。PlanetLab架构设计的中心思想是分片,每个服务运行在PlanetLab的一个分片中,一个分片包含一定数量的进程、内存、存储单元和跨越多个分布式独立节点的网络资源。分片不仅仅是分布式资源的简单相加,更是虚拟机的网络。分片把物理资源分配到每个虚拟机上。这样,安装在每个节点的虚拟机就只需完成分片运行所需的处理器、链路、存储空间等资源的分配、调度和使用即可实现相应的服务功能。
1.2 PlanetLab技术特点
PlanetLab是最早的网络虚拟化实验项目,主要包含以下几个特点。
分布于全球的计算机群:PlanetLab是一个分布式计算集群,其下辖的1142个结点分布于545个地区。大多数机器由研究机构托管,所有机器都连接到Internet。
统一的软件系统:所有PlanetLab机器运行相同的软件系统,包括一个基于Linux的操作系统,具有引导节点和分发软件更新的机制;具有监控节点健康、审计系统活动并控制系统参数的管理工具集;管理用户账户和分发密钥的工具集。PlanetLab软件系统的主要目标是支持分布式虚拟化,具有将PlanetLab网络范围内硬件资源分配给一个应用的能力。
2 VINI
2.1 VINI概述
VINI(Virtual Network Infrastructure)虚拟化平台是在PlanetLab基础上进一步发展的结果。与PlanetLab相比,VINI在路由层面向研究人员提供了更多的自由,VINI允许研究人员在一个广域范围内对其设计的协议和服务进行评估,允许研究人员在真实路由软件、流量负载、网络事件的基础上部署和评估其提出的新理论。为了给研究人员提供灵活的实验环境,VINI支持在共享网络基础设施上进行任意网络拓扑结构的仿真试验。
2.2 VINI技术特点
VINI具有灵活的网络拓扑、灵活的路由和转发、外围主机的连通性、并发试验的支持性等特性。目前VINI虚拟平台通过14个地区的26个节点接入Internet2和CESNET。
针对研究人员设计、实现、部署网络协议和网络结构过程中的需求,VINI为研究人员提供了两种不同的使用模式。
Control模式是指研究人员向系统中引入外在事件的能力。研究人员和协议设计人员在协议设计、实现过程中,经常需要研究协议在多种网络环境下的行为。为此,VINI专门为研究人员提供了类似于NS2的模拟装置和评估测试床以满足研究人员的需求。
Realism模式是指迫使网络协议模型和网络协议框架遵循网络环境的能力,即尽可能贴近实际情况部署。针对这一特性,VINI提出了其特有的测试原则:在现实条件下测试原型的最好方法是在实际网络环境下部署要测试的原型。
3 GENI
3.1 GENI概述
GENI(The Global Environment for Network Innovations)是一个跨国的开放式项目,它由来自世界各地的高校、跨国企业和团体参与,整体设计理念上鼓励更多的团体加入。它有着广泛的研究范围和课题,其中如何建立分布式网络等是这个项目研究的关键所在。
GENI以创建一个新的、高性能的互联网和分布式系统为目标。它的总体目标可以分为以下4个方面:第一,具备高的安全性和鲁棒性。许多专家认为安全性和鲁棒性是人们考虑重新设计互联网架构的一个重要的原因和动力。目前网络安全性较差,互联网并不能保证较好的安全机制,整体的安全架构没有一个很好的完整实现,因而不能给用户在安全机制上提供全面良好的安全保障。第二,多设备尤其是移动设备上的普适计算。如何实现手机、传感器网络等无线设备的无缝连接是十分重要的。第三,其他基本的重要设施的控制和管理。第四,简单的操作及易用性,并能对新的服务和各种应用提供良好的支持。
3.2系统模型
通过与目前互联网的体系结构分析比较,可以得出GENI的结构模型为沙漏模型(如图1所示)。其中,GMC对应沙漏的腰部,它是GENI的管理中心,对应于IP层、相关的编址路由及服务模式。GE-NI最上面是用户服务层,下面是物理层。物理层对应着相关物理网络的计算设备和网络设备的集合。GMC提供了一系列的抽象、接口和命名空间,使得用户服务层和相关的物理层能够有效连接。通过GMC可以有效地屏蔽底层实现细节,服务层只需通过相关接口访问即可。其中抽象可以对物理层的细节进行有效屏蔽,它是GMC层的关键所在。GMC层抽象主要由组件、切片和聚合三种类型组成。其中物理资源、逻辑资源和同步资源是组件的重要组成模块。GMC通过组件管理器,将资源采用一定的组件协议分配给用户。GENI通过切片(相关GENI组件的微片)来对GENI共享资源实现有效地保护。
4 CABO
4.1 CABO概述
CABO(Concurrent Architectures are Better than One)是指通过虚拟化的方法,在分属不同提供商的硬件基础上,为服务提供商同时运行多重端端服务。CABO在现有Planet Lab、GENI等虚拟化技术基础上进行了扩展。CABO采用兼职策略,主要思想是以灵活、可扩展的系统来支持多重并发的网络体系结构。
4.2 CABO体系结构
CABO将传统的网络服务提供商概念分为两个不同的独立实体:基础设施提供商和服务提供商。基础设施提供商拥有和维护构成基础网络设施的网络设备(路由器、链路等)。服务提供商则与基础设施提供商达成协议,以获得路由器和链路资源的使用权。CABO将物理节点或链路分解为虚拟节点和虚拟链路的方式来减轻物理资源共享的困难。虚拟节点控制潜在节点资源的一部分,保证了与运行在同一主机上的其它虚拟节点的隔离。虚拟链路由一条链路基础网络设施路径以及路径沿线部分资源组成。CABO使用调度对共享资源的仲裁访问可以保证带宽和延迟性能。虚拟网络则由归属于同一服务提供商的虚拟节点和虚拟链路组成。服务提供商可以在其虚拟单元中安装软件或可编程硬件。单一的服务提供商还可以根据特殊服务需求或拓扑需求来调整虚拟网络。
4.3 CABO优势
提高端端网络服务质量:在传统网络中,由于重叠网络的固有特性,单一的网络服务提供商无法控制任意的端端网络链路,因此其只能为主要客户提供较高质量的服务。而在CABO中,服务提供商可以通过增加端端路径控制的方式来增加实际价值。网络基础提供商可以通过运行更为有效和健壮的网络来赢得竞争优势。
测试和部署新的协议:目前,新的网络协议测试和评估所需的测试环境由于配置成本高、网络拓扑单一、数据流量不足等问题而无法向操作人员提供详细准确的真实反映。而在CABO中,新的协议和软件可以在真实网络基础设施之上的虚拟节点和虚拟链路中进行测试和评价,同时,CABO可以很好地满足协议转换的要求,极大地提高工作效率。
5 VegaNet
VegaNet(Virtual Gigabit Network)[5]是由清华大学设计实现的重叠网络结构的虚拟网络,可为研究人员提供真实的实验环境对网络新技术进行有效评价,也可对底层核心网络进行模拟分析。Vega Net以实际运营的网络体系作为底层架构,在网络边缘接入若干虚拟路由器,虚拟路由器之间通过虚拟链路连接,构成一个虚拟网络平台。Vega Net可以模拟真实的用户流量,支持节点及链路故障的注入,同步底层网络故障,虚拟路由器基于真正的商业路由平台实现,支持高带宽的虚拟网络流量,虚拟网络协议族独立于底层网络,虚拟网络相对底层网络透明等。
6结束语
在表1中,总结了本文所介绍的网络虚拟化实验平台的主要技术指标。
从上表中可以看出目前虚拟化技术在网络技术、协议层次和虚拟粒度上出现了3种趋势:粒度越来越细、层次越来越低以及越来越关注网络的异构环境。
从技术角度分析网络虚拟化有着大量优势:节省成本,快速部署,快速扩展。广域网能够大大受益于网络虚拟化技术。它能帮助分配广域网带宽,改善网速,简化广域网管理。当然在看到优越性的同时也不能忽视虚拟化可能带来的一系列问题,比如网络虚拟化可能弱化安全和可管理性。到目前为止,业界通过虚拟机、虚拟I/O设备、虚拟内存等利用网络虚拟化技术实现诸如服务器整合、云存储等功能,然而这都还只是停留在应用层或者端系统的网络虚拟化,真正网络虚拟化的设计理念将涉及从端设备到路由器的各个方面,从物理层到应用层的各个方面,网络虚拟化的核心理念还需要在一定规模的实验平台上继续进行探索,在实际物理基础设施上部署网络虚拟化还面临一些挑战,因此,对网络虚拟化技术的研究任重道远。
参考文献
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