关键词：云计算；虚拟实验室；虚拟机
中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1673-8454（2016）03-0053-04
一、引言
近年来，在互联网及云计算技术迅速发展的环境下，高等学校信息化建设出现了新局面。高校在计算机实验室建设方面加快了建设和更新速度。但师生在教学中还是遇到了很多问题。本文就高校如何在云计算环境下建设虚拟实验室进行了研究。分析现有的云计算服务，提出虚拟实验室的系统框架和具体实现方法。
二、现有研究分析
目前，高校的计算机实验室方便了教学活动，提高了教学质量。但通过分析我校计算机专业师生在实验室的课堂教学活动，发现了一些问题。
（1）学生学习延续性受阻。学生在实验室进行了课堂学习，执行了部分实践操作，如果课后希望继续学习，需要复制实验环境。当实验环境比较复杂时，学生就无法实施课后学习。
（2）教学资源利用率低。课堂结束后，实验室的机器空闲。硬件、软件资源利用率不高。实验室设备更新速率比较快，被淘汰的设备闲置造成了浪费。
（3）实验室管理员任务繁重。管理员需要管理每台计算机，包括软件更新、系统更新、安装硬件等。
建立虚拟实验室是实验室信息化建设的一个发展方向。在现有研究中，基于云计算的虚拟实验室是其中的研究热点。
基于云计算的虚拟计算机实验室[1]-[4]提出基于IaaS服务的虚拟实验室。分析了构建思想和系统框架。但对每个层次的具体实现方法和实现细则没有研究。
基于微软Hyper-V虚拟化技术建设虚拟实验室[5]-[6]提供了一种具体的搭建方案。使用微软提供的WMI接口进行编程，实现用户对虚拟机的操作。虚拟计算机实验室[7]基于VMware和Citrix的IaaS服务主要设计了资源预约流程。实验资源管理系统[8]为每个实验室划分了虚拟机群。
基于云计算的虚拟实验教学系统[9]利用云计算平台，将本地或异地的不同实验用户与虚拟实验室联结起来，共享一个虚拟的实验空间。基于云计算的虚拟科研环境[10]利用国家网格中可共享的虚拟机资源，通过网格技术来访问和使用资源，实现国家网格资源共享，为不同学科的科研提供在线云服务。其本质是PaaS，PaaS需要为不同的应用开发不同的平台，应用场景有局限性。比如计算机系和化学系的实验不尽相同，所需的虚拟实验室功能就不一样。
本文将研究提供IaaS服务的虚拟实验室，对每个层次、模块的功能和实现方法进行深入分析。提出详细的实现方案，为具体部署提供参考。
三、虚拟实验室系统架构
基于云计算的虚拟实验室把虚拟机开放给用户，用户能通过创建虚拟机、删除虚拟机、修改虚拟机等操作来搭建自己的实验网络。虚拟实验室系统架构如图1所示。
数据中心实现云计算功能。基于数据中心，把基础的计算和存储资源开放给用户，提供虚拟机，实现基础设施即服务IaaS。
虚拟实验室控制系统向上接收用户命令，向下控制虚拟机的创建、删除和修改。管理与维护用户、课程、虚拟机的关系。
虚拟实验室用户平台包括前端界面和后端系统两部分。前端界面根据课程特点，包含创建虚拟机、删除虚拟机、修改虚拟机等栏目。后端系统支持用户根据需要自主搭建实验网络。
下面将对数据中心、虚拟实验室控制系统和虚拟实验室用户平台的实现进行分析。
四、数据中心实现研究
数据中心提供IaaS服务，采用虚拟化管理解决方案，实现对数据中心的集中管理和控制。通过对VMware和H3C的解决方案研究发现，IaaS服务一般通过管理界面，统一管理数据中心内所有的主机和虚拟机。此方法能提高管理员的管控效率、简化日常例行工作，更可降低IT环境的复杂度和管理成本。下面就VMware和H3C的解决方案进行详细分析。
1.VMwareIaaS解决方案研究
VMwarevSphere是VMware公司推出的虚拟化平台。vSphere将应用程序和操作系统从底层硬件分离出来，从而简化了IT操作，其系统架构如图2所示。
ESXi提供虚拟化功能，用于将主机硬件作为一组标准化资源进行聚合并将其提供给虚拟机。虚拟机就表现得如同物理机，拥有自己的一套虚拟硬件。包括其上载入的操作系统和应用。使用虚拟化，不管下面主机服务器运行什么操作系统，每台虚拟机都拥有一致的虚拟硬件。
vCenterServer可用于将多个主机的资源加入池中并管理这些资源，而且可以有效监控和管理物理及虚拟基础架构。管理员可以管理虚拟机的资源、置备虚拟机、调度任务、收集统计信息日志、创建模板等。
vSphereClient是vCenterServer、ESXi主机和虚拟机的界面。通过vSphereClient，可以远程连接到vCenterServer。也可以从任何Windows系统直接连接到ESXi。vSphereClient是用于管理vSphere各个方面的主界面。
2.H3CIaaS解决方案研究
关键词：虚拟现实建筑设计思维
虚拟现实（VirtualReality，简称VR），又称为虚拟环境（VirtualEnvironments）、人造空间（Cyberspace）、人工现实（ArtificialReality）、仿真技术（SimulatorTechnology）等。它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络、并行处理等技术的最新发展成果。它以模拟方式为使用者，创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界。在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，使设计者可以深入探索、参与者可以直接参与虚拟对象在所处环境中的作用和变化，仿佛置身于一个虚拟的世界中，产生融合性……997年，Bridges与Charitos提出建筑设计与VR之间，存在着一双向关系，建筑设计可引用VR来评估与验证设计意图，而虚拟现实的环境可引用建筑设计知识来建构。
1.虚拟现实的建筑演示系统
在建筑和规划学科领域，使用虚拟现实演示单体建筑、居住小区乃至城市空间，可以让人以不同的俯仰角度去审视或欣赏其外部空间的动感形象及其平面布局特点。它所产生的融合性，要比模型或效果图更形象、完整和生动。
使用虚拟现实语言，可实现实时场景及单体编辑，动画、解说等多媒体信息和虚拟现实无缝连接。它让人易于交流，加强大众与专业团体对城市及开发区规划的理解与认识，勾画未来城市的形象等。
台湾交通大学建筑与文化研究院刘育东教授在台湾新竹市东门城广场规划中，第一次对。公共工程进行公开讨论，以拟定后续的发展准则。居民们希望从任意角度了解工程项目的。情况，所以将虚拟现实引入用户参与设计系统是十分必要的。虚拟现实能适应因特网上传播的需要，并能满足房地产信息的需求。对房地产开发商、建筑设计和规划行业来说，虚拟现实的展示方式是大势所趋。
（1）在商品房交易中，消费者除了关注商品房的价格、位置之外，越来越关注房屋的环境、结构、设计、装潢。用户在查询某商品房时，可以定位指定观察室内户型以及小区环境。可以亲身体验小区建成后的三维虚拟环境，了解室内空间、周边环境、固定设施的配套情况，因而仿佛身临其境。虚拟现实可以辅助户型室内装修设计及建材选择。场景中每个物体，可进行独立的移动、隐藏等编辑操作。动感十足的虚拟现实可刺激用户的购买欲，有助于销售，缩短售房周期。
（2）设计院可将自己的设计方案动态形象地展示，以充分表达自己的方案，提高中标率。
（3）中标后对甲方、乙方而言，可通过VR方式审视。双方可逼真快捷地进行设计数据的修改，使设计臻于完善，直至满意。
2虚拟巡游系统的形成过程
以动画及虚拟系统的形成过程为例，介绍如何将虚拟现实辅助于建筑设计方案中。
2.1数据采集
包括平、立、剖面与透视图。包括能充分反映建筑物的特点、立面效果，以及重要建筑物的空间关系的规划区域实景图像，诸如多角度、多距离观察的录像与摄影图片。还包括空间参照物，如周围建筑物，相关的图纸和文本。
2.2用三维建模软件建模
依据方案设计图在三维图形系统中构造建筑物，常用建模软件有AutoCAD和3DSMAX.使用3DSMAX制作动画。将其以VRML（VirtualRealityModelingLanguage）文件格式输出。
2.3优化虚拟系统
（1）使用LOD（Levelofdetail）算法替代模型的不同版本，以减轻VRML浏览器的负担。通过这种算法，对于远处的或者是不重要的物体，用较少的多边形表示。对于近处的或较重要的物体用较多的多边形来表示，从而在保证图像质量的基础上减少多边形的数目。
（2）在场景中放置足够多的摄影机，以供用户选择。
（3）使用USE，对原始节点进行重用，以减少文件长度。
（4）使用超链接节点Anchor，Inline等，链接其它虚拟空间。Anchor使场景中的对象与另一空间造型链接，或与场景中另一相机连接。InlineObject可合并另一虚拟现实文件。
（5）通过AudioClip，Sound算法提供虚拟的声音效果。
2.4使用javascript语言扩展虚拟世界的动态行为
Javascript语言是用于VRML各个节点的一种描述语言。它使*.WRL文件所模拟的世界，具有较强的真实度。
拙政园名冠江南，是中国的四大名园之一，亦是世界文化遗产之一。其空间蜿蜒曲折，藏露掩映，欲放先收，达到小中见大的效果。我们为拙政园最精彩部分（中部水院的小飞虹、小沧浪、得真亭、松风亭等），建立了虚拟巡游系统。
3对建筑设计思维的影响
传统建筑设计以纸和笔进行草图设计。据此，建筑师按自己对实际尺寸的把握进行设计。因此，设计者无法融入所设计的空间中，其观察与想象均受到限制。
虚拟现实，提供了其它传统表现方式所无法比拟的、崭新的信息交流界面。建筑师可从任意角度，观看虚拟物体的三维效果（空间的形状、大小，物体的色彩、材质等）.可通过实时三维场景调整、信息查询以及多媒体信息集成等技术，为方案的比较推敲，为设计风格、造型特点，以及相关信息的展示，提供了强有力的支持。在虚拟现实环境中，虚拟环境开拓建筑师的想象力，提高创造力，有助于建筑师产生多样化设计方案，提高设计质量。美国Iowa大学开发出新型设计工具VRDet〔2〕。设计者可直接在该系统中设计，整个设计过程可被录制并回放。设计者还可观察他的思维过程，对于了解建筑师的设计方法具有重要意义。
VADet采用23D语言系统提供固定声音，有4个C2环绕屏幕显示系统，可使用LCD立体眼镜。C2输入设备基于CAVE系统（Cruz2Neira，Sandin&DeFanti，.993），能直接处理对象，对用户反应有快速的立体的显示。VADet系统也可应用于配备有C2的跟踪及输入设施的头盔浸入装置。
VADet使用一个面向对象的方法设计。它强调交互性能，可扩充性及独立的显示界面。系统的核心是一组C++类。3个主要的类为环境类、控制类与形类。VADet使得设计者在任一设计阶段可探索整体尺寸的虚拟物体。系统有精确的风格，可修改尺寸。虚拟设计尺寸比C2系统的物理尺寸大。物体能在实际尺寸内产生、复制、删除、移动、缩放或再生。该系统可被视为一个三维草图工具。
虚拟现实发展前景十分诱人。从某种意义上说，它改变了人们的思维方式，改变人们对世界、对自己、对空间和时间的看法。
关键词：BIM实时模型施工应用
1、案例
1.1香港港岛中心工程项目：
1.1.1案例背景
香港港岛东中心工程项目是一栋70层商务办公楼，坐落在香港中央商务区。大楼平面呈方形，建筑物的正立面呈菱形，正立面两侧成片状形，凸显中央弧线形结构。建筑的结构形式是钢框架-钢筋混凝土核心筒，核心筒四周设八个大型立柱，通过伸臂桁架将核心筒和立柱连在一起。在这个项目中，虚拟施工的内容包括规划标准层的施工内容，并解决在伸臂桁架安装期间的可施工性问题。
1.1.2虚拟施工如下：
a.建筑构件建模
b.施工现场建模
c.施工设备建模
d.临时设施建模
e.施工方法可视化
f.项目参与者之间有效的交流工具
g.工作空间可视化
1.2上海环球金融中心项目
案例1、案例2都是BIM技术应用成功的典型案例，读者可查阅参考相关文献。
1.3广东湛江市酒店
1.3.1项目背景：酒店定位为超白金五星酒店，地下二层，地上二十六层，双塔，建筑面积十多万平方米，楼顶有直升机坪，360旋转厅等等。
1.3.2经验教训：该酒店建筑设计由英国某知名公司设计，结构、水电、设备等等由国内的设计院设计，建筑外型别具一格，由于投资商采用传统的项目管理模式，没有采用BIM技术，设计阶段各专业、各设计单位协调量非常大，施工阶段无虚拟施工，实际施工阶段遇到的问题更是层出不穷，该项目历时六年多，至今仍没完工。
2、BIM技术施工阶段的应用
2.1虚拟施工
简单地说，虚拟施工就是“先试后建”，在工程开始施工前，对建筑项目的设计方案进行检测分析，对项目施工方案进行模拟、分析与优化，从而发现施工中可能出现的问题，在施工前就采取预防措施，直到获得最佳的施工方案，从而指导真实的施工。虚拟施工是施工领域的新方法，它将三维模型用于模拟建造一个建筑工程项目，不仅考虑时间维，还考虑其他维数，如材料、机械、人力、空间、安全等，可以扩展到“N维”。
当前，建筑领域的可视化研究与应用有：三维（3D）建模技术或BIM技术，BIM技术主要集成了建筑项目本身的相关信息，属于静态信息，主要用于项目设计分析；四维技术是基于三维模型，引入时间因素，进行施工进度的可视化展示；五维技术是基于三维模型引入时间因素和资源（如成本、人员、材料）因素。
2.2虚拟施工的作用
虚拟施工本身不消耗施工资源，却又能事先看到并了解施工的过程和结果，可以大大降低管理成本和返工成本，减少风险，增强管理者对施工过程的控制能力。虚拟施工的作用主要是：
2.2.1分析与优化
虚拟施工技术可以在建筑工程的设计阶段，对建筑设计进行分析与优化，确保设计的可施工性。完善的设计方案是建筑项目顺利实施的前提和保证，建筑项目设计由建筑设计、结构设计、建筑设备设计等组成。通常，这三方面设计由各专业设计师完成。在施工过程中，这些设计将转变为集成在一起的建筑构件，结果是碰撞或冲突时常出现，如建筑设备与结构之间的冲突。这不仅会增加设计、施工返工成本，浪费资源，还会影响施工的进度。这也是建筑工程经常出现工期延迟的主要原因之一。
设计的不可施工性是项目设计的另一个主要问题。特别是对于复杂的建筑项目，经常出现设计的可施工性不强或不可行等问题，这将增加返工量，影响施工进度。造成不可施工性的主要原因，就是缺乏一个有效的协同工作及检测平台，即设计方、施工方在设计阶段不能有效地沟通与协作，同时在现有图纸上不能对设计方案进行有效的检测与分析。虚拟施工技术为此提供了一个有效的平台，可以用于设计冲突、可施工性的检测，以及多方沟通、分析。
采用虚拟施工技术也可以优化设计。首先，要建立相关建筑项目的3D设计模型，包括建筑、结构及建筑设备等；其次，基于建立的3D设计模型，可进行设计检测、协同修改。设计检测可根据需要设定相关参数，确定检测范围，从而检测设计冲突问题、可施工性问题。基于上述3D设计模型进行检测时，如果发现问题，例如设计冲突，即设备管线之间的碰撞，相关人员可以基于虚拟平台和3D设计模型及时进行分析与沟通，从而及时、有效地解决问题。设计检测可以在设计之初就开始，它是一个“设计-检测-设计”的循环过程，直到在施工前解决所有设计问题，进而消除设计错误和设计忽略，减少施工中的返工成本。
2.2.2先试后建
施工过程的顺利实施是在有效的施工方案指导下进行的。当前，施工方案的编制主要基于项目经理及项目组的经验。然而，面对越来越庞大且复杂的建筑工程项目，仅凭项目经理的经验来编制施工方案已显得力不从心。施工方案的可行性一直受到业界的关注，同时由于建筑项目的单一性和不可重复性，施工方案同样具有不可重复性，即不可能如制造业那样，同一生产方案可用于某产品的批量生产。通常是，当某个工程即将结束时，一套完善的施工方案才展现于面前，结果为时已晚。施工进度拖延、安全问题频频出现、返工率高、建造成本超支等已成为现有建筑工程项目的通病。因此，在施工开始前，制定完善的施工方案是十分必要的、重要的。在虚拟施工技术出现前，这些问题几乎找不到有效的解决方案。虚拟施工技术不仅可以测试和比较不同的施工方案，还可以优化施工方案。
2.2.3优化施工管理
为了解决施工过程中的相关问题，特别是复杂的项目工程，需要配备大量的管理人员，这大大增加了管理成本。通过上述施工过程再现，除了在施工开始之前可以建立一个完善的施工方案外，虚拟施工技术还可以清晰地展示整个施工过程。此模拟过程利用计算机硬件、软件以及各种传感器创造出一个融合视觉、听觉、触觉甚至嗅觉，让人身临其境的虚拟环境。操作者沉浸其中并与之交互作用，通过多种媒体对感官的刺激，获得对所需解决问题的清晰和直观的认识，虚拟建造提供了一个栩栩如生的“施工操作说明书”，可为分包商或工人进行开工前的培训，或为工人实际操作提供参考，从而减少实际操作失误。由于减少了实际施工中的问题，管理活动也得到简化，项目对管理人员的需求自然减少，或合并相关职位，或减少相关职位，进而管理成本将大大降低。
3、结论与展望
通过虚拟施工，承包商可以达到以下目的：创建、分析和优化施工进度；针对具体项目，分析将要使用的施工方法的可行性；通过模拟可视化的施工过程，提早发现施工问题，消除施工隐患；形象化的交流工具，使项目参与者能更好地理解项目范围，提供形象的工作操作说明；可以更加有效地管理设计变更；全新的试错、纠错概念和方法。
参考文献：
[1]陈晓燕.工程量清单计价模式下的建设项目全过程造价管理[J].基建优化，2007（4）