基于Matlab Web Server 的空間環境虛擬監測分析實驗系統①

李世友, 謝 蓉

(湖南信息學院 電子信息學院, 長沙 410151)

虛擬實驗室[1]指的是應用互聯網的強大的信息組織能力來將計算機軟件模擬器、數據資源、儀器設備等通過網絡連接組織起來的網絡實驗室.虛擬實驗室在教育領域是應用信息技術的一種創新.虛擬實驗室基于網絡的開放性, 它允許人們訪問和使用自己沒有的設備資源, 使得處于不同地理位置的研究人員或學習人員可以同時對一個實驗項目進行實驗工作.實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目, 所取得的研究或學習能夠與真實環境中所取得的效果相當, 甚至更優.虛擬實驗室突破科研設備不足、數據資料缺乏、軟件分析手段落后等等缺陷, 極大地促進基礎教學、科學研究的發展, 是目前國內外研究建設的熱點.虛擬實驗室廣泛用于遠程教育和遠程實驗教學領域[2-7], 例如在遠程醫學實驗教學[4]、遠程生物教學[5]、遠程軟件測試[6,7]等領域得廣泛應用, 成為這些領域的研究熱點.相對于硬件系統而言, 虛擬實驗分析系統不僅有實時性、直觀性的特點, 而且大大節約了成本, 提高了科研和實驗教學效率.

將Matlab 強大的數值計算能力和Web 技術結合起來, 設計基于Matlab 和Web 的虛擬實驗室也得到人們的重視, 開發了各自行業的虛擬實驗室或者仿真平臺[8-16], 例如實驗數據處理[8]、遠程計算仿真[9]、在線測量和計算[10]、在線圖像處理[11,12]、通信教學[13]等方面的虛擬教學和虛擬仿真.以及在電力機電[13-15]、材料科學[16,17]、汽車虛擬仿真[18]等行業領域的遠程或在線虛擬實驗室.

在空間科學的研究領域, 本文作者及課題組成員此前也做了一些工作, 建立了空間虛擬實驗室[19-22], 并構建了基于Web 的空間虛擬模擬系統[20]和虛擬數據分析系統[21,22].本文將在此前空間虛擬實驗室的基礎之上構建一個基于Matlab Web Server 的空間環境監測虛擬實驗系統.

空間環境是指影響人類活動的、距地面幾十公里高度以上直至太陽的廣闊空間內的環境, 包括各種成分的帶電粒子、中性粒子、各個波段的電磁輻射、電磁場、微流星體和空間碎片等[23].空間環境監測系統通常為建立在近地空間和行星際空間、能夠實時監測和分析從太陽到地球的能量傳輸和轉換過程以及近地空間環境的響應情況的整個空間儀器系統.分布在地球軌道和行星軌道的各種衛星上的高分辨率設備能夠連續地、實時地監測日地空間不同層次上的物理參數的變化, 通過對日地空間的各種物理模型對可能爆發的空間天氣活動進行預測.

空間環境監測的數據來源主要基于天基觀測系統,即通過安裝在在軌航天器上的探測儀器對空間環境狀態及其擾動進行監測的系統, 包括光學、高能粒子和等離子體相關的探測儀器.空間監測環境有別于以研究為目的的空間探測項目, 監測的長期性、數據的一致性和連續性是它們的主要特點[24].

本文借助Matlab GUI 界面實現了對虛擬監測分析系統的設計, 并通過Web 進行網絡發布, 形成一套基于Matlab 和Web 的虛擬監測空間環境監測虛擬實驗系統.利用該試驗系統, 用戶可以很方便地在查看或監測的衛星參數以顯示數據, 并根據需要進行相關物理參數的計算或者預測等.空間環境參數或者計算的物理量也會直接在界面上顯示出來, 不僅方便快捷, 而且大大提高了監測和分析效率.

1 Matlab Web Server 系統構架與工作原理

Matlab 是美國MathWorks 公司出品的商業數學軟件, 用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境, 主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境.Matlab 是將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中, 為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案, 并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言的編輯模式.Matlab 在許多科學領域中成為計算機輔助設計和分析、算法研究和應用開發的基本工具和首選平臺.

基于網絡和Matlab 的虛擬實驗室的架構, 基本采用B/S 模式.使用者在客戶端只需使用標準的Internet瀏覽器就可以展現實驗的過程.Matlab Web Server 主要由兩部分組成, 即Matlab Web 服務器和Web 代理服務器.Matlab Web 服務器是一個可執行的應用程序matlabserver.exe; Web 代理服務器即可執行程序matweb.exe,它是MatlabWeb 服務器的TCP/IP 客戶端,其作用是將所有對Matlab 的請求重定向到matlabserver.exe 進行處理.此外, 系統要提供WWW 服務, 就必須要有一個HTTP 服務器, 整個系統的工作流程如圖1所示.此外, 在具體實現時還必須對Matlab Web 的服務代理與服務程序進行適當的配置, 這分別通過文件matweb.conf 與 matlabserver.conf 來實現.

2 基于Matlab GUI 的空間環境虛擬監測分析實驗系統的設計

2.1 空間環境虛擬監測分析實驗系統數據簡介

地球空間是一個非常廣闊的區域, 與航空航天活動直接相關的主要有中低軌道和地球同步軌道以及高軌道等.空間環境涉及種類繁多的各類空間探測載荷和儀器設備, 物理參數也非常多.作為一個實驗分析系統, 本系統主要基于低軌道上的DMSP 衛星[25]和地球同步軌道上的GOES 衛星以及在日地空間中監測太陽風的ACE 衛星的探測; 此外地磁場的數據也用于輔助分析地球空間環境對地面系統的影響.以DMSP 衛星為例簡要說明數據.DMSP 衛星上的SSIES 載荷[26]專門用于觀測空間環境, 可以得到等離子體的整體漂移速度、等離子體的密度、等離子體的組分(H+, He+,O+)的數密度百分比、離子和電子的溫度等.這些觀測數據可以對粒子沉降到電離層和在電離層頂部的沿衛星軌道的等離子體參數提供非常有用的信息.

圖1 Matlab Web Server 系統架構與工作原理

2.2 空間環境虛擬監測分析實驗系統的GUI 界面開發

本節利用Matlab GUI 平臺實現了對空間環境監測虛擬實驗系統的設計.該系統界面如圖2 所示.系統分為兩大區域, 其中左邊為操作選擇主界面, 右邊空白處為數據顯示區域.左邊選擇界面分為4 個模塊, 依次為太陽風條件(Solar Condition)、地磁條件(Geomagnetic Condition)、暴時地磁指數(Dst 指數)預測(Dst Prediction)和低高度軌道(DMSP)分析模塊.

圖2 空間環境監測虛擬實驗系統GUI 界面

通過此界面, 用戶可以很方便地在查看或監測的衛星參數以顯示數據, 并根據需要進行相關物理參數的計算或者預測等.空間環境參數或者計算的物理量也會直接在界面上顯示出來, 不僅方便快捷, 而且大大提高了監測和分析效率.

一個模塊通常包括用戶輸入、條件選擇、命令按鈕等部分, 最后的圖形輸出結果顯示于界面右側, 而一些過程性結果則輸出到輸出文本框中.下面以第二個模塊(地磁條件模塊)為例簡要介紹該界面的開發過程.

首先在Matlab GUI 界面開發工具(GUIDE)中按照需要添加各種控件.這里主要使用了4 類控件, 分別為text, editor, checkbox、listbox.打開控件的各個屬性進行設置, 包括控件的背景色、前景色、Tag 值、String 值、Value 值等.其次, 編寫各個控件相應的程序代碼, 以實現各控件的相應功能.代碼的編寫一般包括數據讀寫、數據傳遞、數據處理、數據顯示等.本系統將數據處理結果顯示在右側界面上, 同時保存相應的fig 和pdf 文件以備后續使用.

2.3 Matlab GUI 發布為exe 程序

Matlab GUI 需要運行在Matlab 環境之下, 這對于沒有安裝Matlab 的用戶來說并不方便.

對本文基于Web 訪問的在線虛擬實驗分析系統而言, 為避免對設備和環境的依賴, 需將Matlab GUI 程序發布為在任意系統環境下均可執行的.exe 文件.首先配置Matlab 編譯器, 將Matlab GUI 下開發的項目文件通過mcc 命令編譯為exe 文件.對本例來說,具體命令如下: Mbuild-setup, 按提示選擇Matlab 自帶編譯器LCC; mcc-m LQguiVS.m.編譯的結果是生成一系列文件, 其中LQguiVS.ctf 和LQguiVS.exe 這兩個文件為脫離Matlab 環境運行必需的文件.

2.4 發布為Web 應用界面

1) 安裝運行環境

這里假設需要調用本程序的Web 服務器上沒有安裝Matlab 的運行環境, 因此首先在服務器上安裝Matlab 的運行環境.由于Matlab 不同版本兼容度不高,例如R13 和R15 版本在Web Server 上不兼容.在本實驗分析系統的設計中, 將R2007b oolboxcompilerdeploywin32 中的MCRinstaller.exe 安裝到該計算機上, 將生成可執行程序脫離Matlab 運行所需的函數庫.

其次是要將MCRinstaller.exe 安裝目錄 untimewin32 這個路徑添加到該計算機的環境變量中, 通常是自動加載; 若沒有, 也可手動安裝.需注意, 安裝過程中會彈出安裝Microsoft.NET Framework 提示, 可忽略.

最后就是將編譯生成的相關文件拷貝到同一目錄下.例如在本系統中, 將生成的LQguiVS.ctf, LQguiVS.exe 拷貝到該計算機同一路徑.運行LQguiVS.exe 將生成gui_mcr 文件夾, 包含程序運行所需的庫.至此完成,雙擊即可運行LQguiVS.exe 程序.

2) 準備相關數據

數據可以從多種途徑獲得.一是使用自己的衛星的監測數據, 二是從具備數據發布資格的合作者獲取,三是從網上下載相關衛星發布者公開的數據.基于實驗目的, 本系統主要是通過第三種途徑獲取相關數據,包括行星際磁場數據IMF、磁暴環電流指數Dst、亞暴地磁指數AE、DMSP 衛星的SSIES 數據等.所有數據均按類別存儲于LQguiVS.exe 所在目錄之下.數據組織在同一個目錄下面的子目錄中, 其結構如圖3 所示.

圖3 空間環境監測虛擬實驗系統數據文件結構

3) 建立網站并發布Web 界面

在服務器端建立獨立的空間環境監測虛擬實驗系統網站, 或者在原有網站中加入該分析實驗系統的相關網頁.在網頁中使用Runtime.getRuntime.exec 調用由Matlab GUI 生成的可執行程序LQguiVS.exe, 具體實現方法從略.用戶即可在客戶端瀏覽器中輸入網址即可實現對該實驗分析系統的訪問.

3 基于Web 的虛擬監測分析實驗系統的應用

本節介紹該實驗系統的具體應用.系統的每個功能都由Web 頁面實現.用戶只需在客戶端輸入相應的控制參數, 就可以通過Web 頁面的提交來調用服務器端的Matlab 進程, 進行相應的計算和仿真.最后, 用戶可以從返回的頁面上查看運行的結果.為了便于用戶的使用, 在每個頁面上都給出相應的操作提示.這樣,無需額外的幫助文件, 可使用戶很容易地使用該系統.

3.1 實驗1.磁暴事件統計分析

本實驗主要用Dst 指數進行磁暴事件的統計分析.根據Dst 指數判定2000 年到2005 年期間的磁暴事件,并做初步統計分析.具體實驗步驟如下:

第1 步.打開系統軟件界面后, 在左欄第二個面板“Date”輸入日期, 只勾選“Dst (Month)”選項, 點擊“Plot”按鈕, 在右側顯示出當月的Dst 指數, 見圖4(a).

第2 步.如果在Dst 出現有超過-100 nT 的現象,代表有中等以上的磁暴發生.這時候, 在“Date”中輸入某一磁暴時間內Dst 指數負值最大的日期, 勾選“Dst5D”選項, 點擊“Plot”按鈕, 可以查看Dst 指數的變化細節, 記錄其特性, 比如: 是否有急始, Dst 指數最強值, 增長相和恢復相的持續時間等.見圖4(b).

圖4 磁暴條件分析模塊及Dst 數據代表的分析結果示例圖

第3 步.重復第1 和第2 步, 列表記錄從2000 年到2005 年期間的所有中等以上磁暴事件的基本特征.

第4 步.統計分析以下內容: 1) 2000～2005 年期間中等、大、特大磁暴的數量和占比; 2)急始型和非急始型磁暴的占比; 3)增長相和恢復相的時長.

3.2 實驗2.磁暴與非磁暴期間太陽風和行星際磁場的研究

本實驗主要結合Dst 指數和太陽風及行星際數據研究磁暴期間(增長相和恢復相初期)和非磁暴期間(磁暴前一天)太陽風和行星際磁場的變化.根據實驗1 得到的磁暴列表, 選擇一個中等磁暴和一個特大磁暴, 分別研究磁暴期間(增長相和恢復相初期)和非磁暴期間太陽風和行星際磁場的變化.具體步驟如下.

第1 步.在第一個模塊的“Date”中輸入磁暴前一天的日期, 然后勾選“IMF”和“Dynamic Pressure”選項, 以及其他希望查看的物理量的選項, 點擊“Plot”查看行星際磁場和太陽風動壓情況.結果見圖5 所示.

第2 步.如果出現變化很劇烈的情況, 則記錄變化劇烈的時間, 然后在“Time”中輸入變化比較平緩的記錄最大時間段, 點擊“Condition Value”按鈕求均值.均值顯示在結果方框內, 見圖6 顯示并記錄之.

圖5 太陽風及行星際磁場分析模塊及OMNI 數據代表的分析結果示例圖

圖6 磁暴時間期間太陽風動壓的結果的顯示

第3 步.輸入該磁暴期間的不同的時間, 重復第一和第二步, 記錄相應的結果.

第4 步.分別分析中等磁暴和特大磁暴期間的行星際磁場和太陽風動壓的變化過程, 并比較兩種磁暴期間對應的行星際磁場和太陽風動壓的變化程度.

3.3 實驗3.磁暴與非磁暴期間中低軌道上的粒子變化和離子上行

根據實驗1 所得磁暴列表, 選擇中等磁暴和特大磁暴各一個, 分別研究磁暴期間(增長相和恢復相初期)和非磁暴期間(磁暴前一天)中低軌道上DMSP 衛星觀測的粒子變化和離子上行率情況.具體步驟如下:

第1 步.在第4 個模塊的“Date”中輸入磁暴前一天的日期, 然后回車(這一步很重要).回車之后看到原本為“SC”的列表框列出了該日期內有觀測的DMSP 衛星的列表.這里演示當日期輸入為“20031030”的時候,顯示出的衛星列表為: F13, F14, F15, F16.選擇F13, 則在“data”列表框中將該衛星對應于“Date”輸入日期內的所有數據列表顯示出來, 見圖7.

第2 步.選擇某一個數據文件, 然后按“Get Data”按鈕, 則讀取數據.倘若沒有數據, 或者讀不成功, 則在后面的顯示框中顯示“No Data”; 反之更新數據, 顯示“Updated!”以及一個隨機數.如果數據得到了更新, 則點擊“Overview”按鈕, 可以查看DSMP 衛星觀測到的粒子的速度、密度、溫度等數據, 見圖8 所示.該圖給出DMSP F13 衛星在2003 年10 月30 日的觀測例子.從上到下依次為粒子的速度Vx, Vy, Vz, 離子(H+ 和總離子)密度, 電子和離子的溫度.

圖7 LEO 分析模塊

圖8 LEO 分析模塊示例: DMSP F13 衛星在2003 年10 月30 日的觀測

第3 步.根據Overview 的數據顯示, 我們可以大致看到哪個時間段有粒子上行.如果有, 則在“Time”輸入框中輸入時間段, 格式為“HHMM-HHMM”, 然后點擊“Upflow ion”按鈕, 計算上行離子.結果顯示在右邊,并且, 其上行離子的最大速率和平均速率以及最大上行速率時候的磁當地時(MLT)顯示在“結果”方框, 見圖9.記錄相關結果, 例如, Upflow_max=759.56;Upflow_mean=130.1977; MLTmax=17.97.

圖9 LEO 分析模塊示例: 離子上行結果顯示

第4 步.根據Dst 指數指示的磁暴時間, 改變輸入日期和時間, 重復上述3 步, 得到實驗結果.

4 總結與討論

本文借助Matlab GUI 界面實現了對空間環境虛擬監測分析實驗系統的設計, 并通過Web 進行網絡發布, 形成一套基于Matlab 和Web 的空間環境虛擬監測分析實驗系統.系統主要分析磁暴、太陽風和行星際磁場、極區離子上行等空間環境參數.利用該試驗系統, 用戶可以很方便地在查看或監測的衛星參數以顯示數據, 并根據需要進行相關物理參數的計算或者預測等.空間環境參數或者計算的物理量也會直接在界面上顯示出來, 不僅方便快捷, 而且大大提高了監測和分析效率.本文最后通過3 個實驗應用演示來說明該實驗系統的實際應用.

本文設計的空間環境虛擬監測分析實驗系統具有很好的實用性和可擴展性.著眼于空間應用的實際需求, 我們將空間環境數據進行系統化搜集并在本虛擬監測系統的基礎之上構建更完備的空間環境監測系統.此外, 受到線程、計算量等的限制, 目前虛擬監測系統的程序的運行速度還只能滿足較低的實驗要求.今后將探討在服務器性能和網絡帶寬受到限制的情況之下如何提高虛擬監測系統的實用化的技術解決方案, 使系統功能更加完善、更具有實用價值.