專利名稱：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步演示系統(tǒng)及演示方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于教學(xué)儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步演示系統(tǒng)及演示方法。
背景技術(shù)：
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是自然與社會的存在形式，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的同步現(xiàn)象是重要的科學(xué)知識，許多學(xué)校開設(shè)了這方面的課程，與此相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容包括同步現(xiàn)象解釋、同步行為穩(wěn)定性、同步過渡過程分析、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對同步性能的影響等等。目前對該知識的教學(xué)主要通過數(shù)學(xué)公式表達、圖片展示、曲線說明和少量的軟件模擬進行實施，這些僅有的教學(xué)手段使得本來精彩紛呈的網(wǎng)絡(luò)同步現(xiàn)象變得抽象且難以理解。閃光同步是一類常見的網(wǎng)絡(luò)同步現(xiàn)象，最早發(fā)現(xiàn)于成群螢火蟲之間尾部閃光的一致性行為。閃光同步視覺效果明顯，如果用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步現(xiàn)象的教學(xué)演示將會收到顯著的效果。美國一所大學(xué)的實驗室使用多臺微機器人對閃光同步現(xiàn)象進行演示，但是他們的方法不能展示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也就是微機器人之間的耦合關(guān)系，因此無法展示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)對同步性能的影響。所以需要一種可以同時展示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和閃光同步過渡過程的實物演示系統(tǒng)及演示方法，這樣的發(fā)明將會使同步行為變得形象直觀，也會使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對同步穩(wěn)定性和過渡過程的影響變得歷歷在目，為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步知識的教學(xué)提供有力的輔助手段，有助于學(xué)生理解和加深記憶，極大改進教學(xué)效果。

發(fā)明內(nèi)容
為了直觀生動地演示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步現(xiàn)象，同時展示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和閃光同步的過渡過程，并演示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對同步性能的影響，本發(fā)明提供了一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步演示系統(tǒng)及演示方法。本發(fā)明實現(xiàn)該目的的技術(shù)方案是，由控制計算機系統(tǒng)(I)、投影儀(2)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)和若干個節(jié)點燈(4)構(gòu)成演示系統(tǒng)的基本部分。每個節(jié)點燈(4)表示一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，節(jié)點的閃光行為由燈的明滅變化動態(tài)演示。所有的節(jié)點燈(4)圍成一圈安裝在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)上，節(jié)點燈所圍繞的區(qū)域用于顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由投影儀⑵投射顯示，投影儀⑵與控制計算機系統(tǒng)⑴相連，把控制計算機系統(tǒng)(I)傳來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖像投射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)上節(jié)點燈(4)所圍成的區(qū)域。當(dāng)兩個節(jié)點之間有邊相連時，對應(yīng)的兩個節(jié)點燈之間會投射出一條連線(11)，所投射的連線
(11)可以區(qū)分節(jié)點之間的有向或無向連接關(guān)系。節(jié)點燈之間的所有連線(11)就顯示了整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所有的節(jié)點燈(4)與控制計算機系統(tǒng)(I)內(nèi)部的節(jié)點燈驅(qū)動電路模塊相連，由該模塊驅(qū)動并控制燈的點亮或者熄滅。節(jié)點燈(4)的點亮或者熄滅由控制計算機系統(tǒng)(I)內(nèi)部安裝的控制軟件(6)決定，該軟件包含有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)、閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)、網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊(9)和節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)。
本發(fā)明演示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步現(xiàn)象的方法是，通過多個步驟的操作和演示系統(tǒng)軟硬件的執(zhí)行，實現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)下閃光同步過渡過程的同時顯示。這些步驟包括
SI.通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；S2.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)通過投影儀(2)將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)上，所投射的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反映以節(jié)點燈(4)為代表的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的連接關(guān)系；S3.通過閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)設(shè)定節(jié)點動力學(xué)特性、各節(jié)點初始狀態(tài)、節(jié)點耦合方法和網(wǎng)絡(luò)耦合強度；S4.網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊(9)根據(jù)所設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點動力學(xué)特性、各節(jié)點初始狀態(tài)、節(jié)點耦合方法和網(wǎng)絡(luò)耦合強度不斷地計算每個時刻各節(jié)點燈應(yīng)有的明滅狀態(tài)；S5.節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)根據(jù)所計算的各節(jié)點燈應(yīng)有的明滅狀態(tài)不斷地通過節(jié)點燈驅(qū)動電路模塊(5)將各節(jié)點燈(4)點亮或者熄滅。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、耦合強度、節(jié)點動態(tài)特性、節(jié)點耦合方法及節(jié)點初始狀態(tài)對同步過程有著顯著的影響，同步過渡過程應(yīng)當(dāng)利用這些因素進行計算才能得到，在一次同步現(xiàn)象演示之前，要先對這些方面進行設(shè)定。在步驟Si中，利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所設(shè)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在步驟S2中通過投影儀(2)投射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)上，操作人員從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)上可以清晰地看到節(jié)點之間的連接關(guān)系。在步驟S3中，利用閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)對網(wǎng)絡(luò)耦合強度、節(jié)點動力學(xué)特性、節(jié)點耦合方法及各節(jié)點的初始狀態(tài)進行設(shè)定。至此，一次同步現(xiàn)象演示之前的所有設(shè)定工作全部完畢，操作人員可以啟動同步演示過程。網(wǎng)絡(luò)同步過程由節(jié)點動力學(xué)特性通過耦合關(guān)系運算得到，每一時刻每一節(jié)點的明滅狀態(tài)都在變化，當(dāng)所有節(jié)點燈(4)按相同節(jié)奏同時點亮和熄滅時網(wǎng)絡(luò)取得同步。過渡過程中節(jié)點燈(4)的明滅狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊(9)根據(jù)步驟SI和步驟S3所做的設(shè)定計算得到，計算得到的結(jié)果由節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)通過節(jié)點燈驅(qū)動電路模塊(5)向各個節(jié)點燈(4)輸出。由于同步過渡過程中各節(jié)點的狀態(tài)不斷變化，所以步驟S4中網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊(9)需要不斷運算，步驟S5中節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)需要不斷輸出運算結(jié)果，改變各節(jié)點燈⑷的明滅狀態(tài)。由于同步行為需要持續(xù)一定的時間才能實現(xiàn)，所以步驟S4和步驟S5需要持續(xù)一定的時間。在整個過渡過程期間，投影儀始終在投射網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，操作人員就同時觀察到了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)同步過程。當(dāng)在步驟SI和步驟S3對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)重新設(shè)定時，由于步驟S2的投影顯示和步驟S4的重新計算，操作人員觀察到的是新設(shè)定情況下的同步過程。因此本發(fā)明可以演示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對同步性能(如同步速度和同步穩(wěn)定性)的影響。當(dāng)然本系統(tǒng)也可以演示分區(qū)同步、聚類同步等現(xiàn)象。本發(fā)明的有益效果是提供了一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步演示系統(tǒng)及演示方法，演示系統(tǒng)可以同時顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的閃光同步過程，演示方法可以使操作人員觀察網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)對同步穩(wěn)定性和過渡過程的影響。本發(fā)明利用實物系統(tǒng)把復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步現(xiàn)象變得形象直觀、令人印象深刻，使同步知識變得妙趣橫生、易于接受。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖I是本發(fā)明實施例一演示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例一控制軟件功能模塊圖；圖3是本發(fā)明實施例演不方法流程圖。以上各圖中，I :控制計算機系統(tǒng)；2 :投影儀；3 :網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板；4 :節(jié)點燈；5 :節(jié)點燈驅(qū)動電路模塊；6 :控制軟件；7 :網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊；8 :閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊；9 :網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊；10 :節(jié)點燈控制信號輸出子模塊； 11 :投射的連線。
具體實施例方式實施例一控制計算機系統(tǒng)(I)為工業(yè)控制計算機，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)為圓形板，16個節(jié)點燈(4)圍成圓圈安裝在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)的邊沿，投影儀(2)與工業(yè)控制計算機相連，安裝在天花板上，投影儀(2)的畫面投射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)中央的圓形區(qū)域，工業(yè)控制計算機內(nèi)部安裝一塊數(shù)字輸出接口板卡作為節(jié)點燈驅(qū)動電路模塊(5)，見圖
I。控制軟件(6)利用LabView編寫，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)、閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)、網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊(9)和節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)，見圖2。節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)對數(shù)字輸出接口板卡進行驅(qū)動，控制16個節(jié)點燈的點亮與熄滅。一次演示操作中，操作人員先通過LabView提供的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)選定網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)(不多于16)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，投影儀(2)將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板⑶上，顯示出所選節(jié)點之間的連接關(guān)系。有連邊的節(jié)點之間，會投射出一條虛線(11)，線條的兩端與對應(yīng)的節(jié)點燈(4)重合。然后操作人員通過閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)設(shè)定節(jié)點動力學(xué)特性、節(jié)點耦合方法、各節(jié)點初始狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)耦合強度，初始狀態(tài)為亮的節(jié)點燈(4)隨即點亮，初始狀態(tài)為滅的節(jié)點燈(4)保持熄滅狀態(tài)。之后操作人員啟動同步過程，網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊(9)不斷計算每一時刻各節(jié)點燈應(yīng)有的明滅狀態(tài)，節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)根據(jù)計算結(jié)果不斷地通過數(shù)字輸出接口板卡調(diào)整節(jié)點燈(4)的明滅狀態(tài)。整個計算與輸出過程持續(xù)到設(shè)定的時間結(jié)束，一次同步現(xiàn)象演示過程完成，演示方法步驟見圖3。為了演示耦合強度(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)之一)對同步過程的影響，操作人員通過閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)重新設(shè)定網(wǎng)絡(luò)耦合強度，并保持其他參數(shù)不變。再次啟動同步過程后，節(jié)點燈(4)根據(jù)新的計算結(jié)果輸出明滅狀態(tài)。如果新的耦合強度使得網(wǎng)絡(luò)同步速度變慢，16個節(jié)點燈(4)明滅狀態(tài)趨于一致的過程所耗時間將變長。如果新的耦合強度使得網(wǎng)絡(luò)同步不穩(wěn)定，16個節(jié)點燈(4)的明滅狀態(tài)將無法最終趨于一致。如果新的耦合強度使網(wǎng)絡(luò)同步速度變快，與重新設(shè)定前相比，16個節(jié)點燈(4)的明滅狀態(tài)將在較短時間內(nèi)趨于一致。實施例二控制計算機系統(tǒng)(I)為嵌入式計算機，控制軟件(6)利用C語言編寫，投影儀(2)與嵌入式計算機一同安裝在支架上。節(jié)點燈有100個，圍成方框安裝在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板上，節(jié)點燈上帶有編號，節(jié)點燈之間投射的連線為帶箭頭的實線。閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)中，節(jié)點動力學(xué)特性通過多選一方式選擇設(shè)定。演示方法步驟同圖3。 ·
權(quán)利要求
1.一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步演示系統(tǒng)，其特征在于 Al.包括控制計算機系統(tǒng)(I)、投影儀(2)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)和若干個節(jié)點燈(4)； A2.投影儀(2)連接到控制計算機系統(tǒng)(1)，投影儀(2)的畫面投射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板⑶上； A3.所有的節(jié)點燈⑷圍成一圈安裝在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)上，節(jié)點燈所圍繞的區(qū)域為投影儀(2)的投射區(qū)域； A4.控制計算機系統(tǒng)(2)內(nèi)部有節(jié)點燈驅(qū)動電路模塊(5)，所有的節(jié)點燈(4)連接到節(jié)點燈驅(qū)動電路模塊(5)； A5.控制計算機系統(tǒng)(I)安裝有控制軟件(6)，控制軟件(6)包含網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)、閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)、網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊(9)和節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)。
2.一種基于權(quán)利要求I所述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步演示系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步現(xiàn)象演示方法，其特征在于包括以下步驟·51.通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； ·52.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定與顯示子模塊(7)通過投影儀(2)將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投射到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)投影板(3)上，所投射的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反映以節(jié)點燈(4)為代表的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的連接關(guān)系； ·53.通過閃光同步參數(shù)設(shè)定子模塊(8)設(shè)定節(jié)點動力學(xué)特性、各節(jié)點初始狀態(tài)、節(jié)點耦合方法和網(wǎng)絡(luò)耦合強度； ·54.網(wǎng)絡(luò)閃光同步動態(tài)過程運算子模塊(9)根據(jù)所設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點動力學(xué)特性、各節(jié)點初始狀態(tài)、節(jié)點耦合方法和網(wǎng)絡(luò)耦合強度不斷地計算每個時刻各節(jié)點燈應(yīng)有的明滅狀態(tài)； · 55.節(jié)點燈控制信號輸出子模塊(10)根據(jù)所計算的各節(jié)點燈應(yīng)有的明滅狀態(tài)不斷地通過節(jié)點燈驅(qū)動電路模塊(5)將各節(jié)點燈(4)點亮或者熄滅。
全文摘要
本發(fā)明公開一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)閃光同步演示系統(tǒng)及演示方法。該系統(tǒng)利用圍成一圈的多個燈表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，利用投影儀在燈之間投射出的線條表示網(wǎng)絡(luò)連邊，利用計算機控制燈的明滅表示節(jié)點的狀態(tài)。該方法通過計算機軟件對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、節(jié)點動力學(xué)特性和初始狀態(tài)進行設(shè)定，通過軟件的實時計算得到同步過渡過程中每個時刻各節(jié)點的狀態(tài)，再通過驅(qū)動電路模塊控制節(jié)點燈的明滅，以此演示復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的閃光同步過程。本發(fā)明的優(yōu)點是可同時顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的閃光同步過程，便于學(xué)生觀察網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)對同步穩(wěn)定性和過渡過程的影響。作為一種教學(xué)儀器，本發(fā)明把復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步現(xiàn)象變得形象直觀，使該知識妙趣橫生、易于接受。
文檔編號G09B19/00GK102930761SQ20121044215
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者劉歌群, 郭東逸, 辛辰, 李文惠, 任冠琦, 朱春香, 馬小美, 江琨, 郝陳祥 申請人:上海理工大學(xué)