CN102930761B - 复杂网络闪光同步演示系统及演示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复杂网络闪光同步演示系统及演示方法。该系统利用围成一圈的多个灯表示网络节点，利用投影仪在灯之间投射出的线条表示网络连边，利用计算机控制灯的明灭表示节点的状态。该方法通过计算机软件对网络结构、网络参数、节点动力学特性和初始状态进行设定，通过软件的实时计算得到同步过渡过程中每个时刻各节点的状态，再通过驱动电路模块控制节点灯的明灭，以此演示复杂网络的闪光同步过程。本发明的优点是可同时显示网络拓扑结构和该拓扑结构下的闪光同步过程，便于学生观察网络结构及参数对同步稳定性和过渡过程的影响。作为一种教学仪器，本发明把复杂网络的同步现象变得形象直观，使该知识妙趣横生、易于接受。

Description

复杂网络闪光同步演示系统及演示方法

技术领域

本发明属于教学仪器领域，尤其涉及一种复杂网络闪光同步演示系统及演示方法。

背景技术

复杂网络是自然与社会的存在形式，复杂网络上的同步现象是重要的科学知识，许多学校开设了这方面的课程，与此相关的教学内容包括同步现象解释、同步行为稳定性、同步过渡过程分析、网络结构和参数对同步性能的影响等等。目前对该知识的教学主要通过数学公式表达、图片展示、曲线说明和少量的软件模拟进行实施，这些仅有的教学手段使得本来精彩纷呈的网络同步现象变得抽象且难以理解。闪光同步是一类常见的网络同步现象，最早发现于成群萤火虫之间尾部闪光的一致性行为。闪光同步视觉效果明显，如果用于复杂网络同步现象的教学演示将会收到显著的效果。美国一所大学的实验室使用多台微机器人对闪光同步现象进行演示，但是他们的方法不能展示网络拓扑结构，也就是微机器人之间的耦合关系，因此无法展示网络结构及参数对同步性能的影响。所以需要一种可以同时展示网络拓扑结构和闪光同步过渡过程的实物演示系统及演示方法，这样的发明将会使同步行为变得形象直观，也会使网络结构和参数对同步稳定性和过渡过程的影响变得历历在目，为复杂网络同步知识的教学提供有力的辅助手段，有助于学生理解和加深记忆，极大改进教学效果。

发明内容

为了直观生动地演示复杂网络的同步现象，同时展示网络拓扑结构和闪光同步的过渡过程，并演示网络结构和参数对同步性能的影响，本发明提供了一种复杂网络闪光同步演示系统及演示方法。

本发明实现该目的的技术方案是，由控制计算机系统(1)、投影仪(2)、网络拓扑结构投影板(3)和若干个节点灯(4)构成演示系统的基本部分。每个节点灯(4)表示一个网络节点，节点的闪光行为由灯的明灭变化动态演示。所有的节点灯(4)围成一圈安装在网络拓扑结构投影板(3)上，节点灯所围绕的区域用于显示网络拓扑结构。网络拓扑结构由投影仪(2)投射显示，投影仪(2)与控制计算机系统(1)相连，把控制计算机系统(1)传来的网络拓扑结构图像投射到网络拓扑结构投影板(3)上节点灯(4)所围成的区域。当两个节点之间有边相连时，对应的两个节点灯之间会投射出一条连线(11)，所投射的连线(11)可以区分节点之间的有向或无向连接关系。节点灯之间的所有连线(11)就显示了整个网络的拓扑结构。所有的节点灯(4)与控制计算机系统(1)内部的节点灯驱动电路模块(5)相连，由该模块驱动并控制灯的点亮或者熄灭。节点灯(4)的点亮或者熄灭由控制计算机系统(1)内部安装的控制软件(6)决定，该软件包含有网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、闪光同步参数设定子模块(8)、网络闪光同步动态过程运算子模块(9)和节点灯控制信号输出子模块(10)。

本发明演示复杂网络闪光同步现象的方法是，通过多个步骤的操作和演示系统软硬件的执行，实现复杂网络拓扑结构和该结构下闪光同步过渡过程的同时显示。这些步骤包括：

S1.通过网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构；

S2.网络拓扑结构设定与显示子模块(7)通过投影仪(2)将网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上，所投射的拓扑结构反映以节点灯(4)为代表的网络节点之间的连接关系；

S3.通过闪光同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性、各节点初始状态、节点耦合方法和网络耦合强度；

S4.网络闪光同步动态过程运算子模块(9)根据所设定的网络拓扑结构、节点动力学特性、各节点初始状态、节点耦合方法和网络耦合强度不断地计算每个时刻各节点灯应有的明灭状态；

S5.节点灯控制信号输出子模块(10)根据所计算的各节点灯应有的明灭状态不断地通过节点灯驱动电路模块(5)将各节点灯(4)点亮或者熄灭。

复杂网络的拓扑结构、耦合强度、节点动态特性、节点耦合方法及节点初始状态对同步过程有着显著的影响，同步过渡过程应当利用这些因素进行计算才能得到，在一次同步现象演示之前，要先对这些方面进行设定。在步骤S1中，利用网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构，所设定的拓扑结构在步骤S2中通过投影仪(2)投射到网络拓扑结构投影板(3)上，操作人员从网络拓扑结构投影板(3)上可以清晰地看到节点之间的连接关系。在步骤S3中，利用闪光同步参数设定子模块(8)对网络耦合强度、节点动力学特性、节点耦合方法及各节点的初始状态进行设定。至此，一次同步现象演示之前的所有设定工作全部完毕，操作人员可以启动同步演示过程。网络同步过程由节点动力学特性通过耦合关系运算得到，每一时刻每一节点的明灭状态都在变化，当所有节点灯(4)按相同节奏同时点亮和熄灭时网络取得同步。过渡过程中节点灯(4)的明灭状态由网络闪光同步动态过程运算子模块(9)根据步骤S1和步骤S3所做的设定计算得到，计算得到的结果由节点灯控制信号输出子模块(10)通过节点灯驱动电路模块(5)向各个节点灯(4)输出。由于同步过渡过程中各节点的状态不断变化，所以步骤S4中网络闪光同步动态过程运算子模块(9)需要不断运算，步骤S5中节点灯控制信号输出子模块(10)需要不断输出运算结果，改变各节点灯(4)的明灭状态。由于同步行为需要持续一定的时间才能实现，所以步骤S4和步骤S5需要持续一定的时间。在整个过渡过程期间，投影仪始终在投射网络的拓扑结构，操作人员就同时观察到了拓扑结构和该拓扑结构下的网络同步过程。当在步骤S1和步骤S3对网络参数重新设定时，由于步骤S2的投影显示和步骤S4的重新计算，操作人员观察到的是新设定情况下的同步过程。因此本发明可以演示网络结构和参数对同步性能（如同步速度和同步稳定性）的影响。当然本系统也可以演示分区同步、聚类同步等现象。

本发明的有益效果是提供了一种复杂网络闪光同步演示系统及演示方法，演示系统可以同时显示网络拓扑结构和该拓扑结构下的闪光同步过程，演示方法可以使操作人员观察网络结构及参数对同步稳定性和过渡过程的影响。本发明利用实物系统把复杂网络的同步现象变得形象直观、令人印象深刻，使同步知识变得妙趣横生、易于接受。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一演示系统结构示意图；

图2是本发明实施例一控制软件功能模块图；

图3是本发明实施例演示方法流程图。

以上各图中，1：控制计算机系统；2：投影仪；3：网络拓扑结构投影板；4：节点灯；5：节点灯驱动电路模块；6：控制软件；7：网络拓扑结构设定与显示子模块；8：闪光同步参数设定子模块；9：网络闪光同步动态过程运算子模块；10：节点灯控制信号输出子模块；11：投射的连线。

具体实施方式

实施例一

控制计算机系统(1)为工业控制计算机，网络拓扑结构投影板(3)为圆形板，16个节点灯(4)围成圆圈安装在网络拓扑结构投影板(3)的边沿，投影仪(2)与工业控制计算机相连，安装在天花板上，投影仪(2)的画面投射到网络拓扑结构投影板(3)中央的圆形区域，工业控制计算机内部安装一块数字输出接口板卡作为节点灯驱动电路模块(5)，见图1。控制软件(6)利用LabView编写，包括网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、闪光同步参数设定子模块(8)、网络闪光同步动态过程运算子模块(9)和节点灯控制信号输出子模块(10)，见图2。节点灯控制信号输出子模块(10)对数字输出接口板卡进行驱动，控制16个节点灯的点亮与熄灭。一次演示操作中，操作人员先通过LabView提供的网络拓扑结构设定与显示子模块(7)选定网络的节点数（不多于16）和拓扑结构，投影仪(2)将网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上，显示出所选节点之间的连接关系。有连边的节点之间，会投射出一条虚线(11)，线条的两端与对应的节点灯(4)重合。然后操作人员通过闪光同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性、节点耦合方法、各节点初始状态和网络耦合强度，初始状态为亮的节点灯(4)随即点亮，初始状态为灭的节点灯(4)保持熄灭状态。之后操作人员启动同步过程，网络闪光同步动态过程运算子模块(9)不断计算每一时刻各节点灯应有的明灭状态，节点灯控制信号输出子模块(10)根据计算结果不断地通过数字输出接口板卡调整节点灯(4)的明灭状态。整个计算与输出过程持续到设定的时间结束，一次同步现象演示过程完成，演示方法步骤见图3。为了演示耦合强度（网络结构参数之一）对同步过程的影响，操作人员通过闪光同步参数设定子模块(8)重新设定网络耦合强度，并保持其他参数不变。再次启动同步过程后，节点灯(4)根据新的计算结果输出明灭状态。如果新的耦合强度使得网络同步速度变慢，16个节点灯(4)明灭状态趋于一致的过程所耗时间将变长。如果新的耦合强度使得网络同步不稳定，16个节点灯(4)的明灭状态将无法最终趋于一致。如果新的耦合强度使网络同步速度变快，与重新设定前相比，16个节点灯(4)的明灭状态将在较短时间内趋于一致。

实施例二

控制计算机系统(1)为嵌入式计算机，控制软件(6)利用C语言编写，投影仪(2)与嵌入式计算机一同安装在支架上。节点灯有100个，围成方框安装在网络拓扑结构投影板上，节点灯上带有编号，节点灯之间投射的连线为带箭头的实线。闪光同步参数设定子模块(8)中，节点动力学特性通过多选一方式选择设定。演示方法步骤同图3。

Claims (2)

1.一种复杂网络闪光同步演示系统，其特征在于：

包括控制计算机系统(1)、投影仪(2)、网络拓扑结构投影板(3)和若干个节点灯(4)；

投影仪(2)连接到控制计算机系统(1)，投影仪(2)的画面投射到网络拓扑结构投影板(3)上；

所有的节点灯(4)围成一圈安装在网络拓扑结构投影板(3)上，节点灯所围绕的区域为投影仪(2)的投射区域；

控制计算机系统(1)内部有节点灯驱动电路模块(5)，所有的节点灯(4)连接到节点灯驱动电路模块(5)；

控制计算机系统(1)安装有控制软件(6)，控制软件(6)包含：

网络拓扑结构设定与显示子模块(7)，通过投影仪(2)将反映以节点灯(4)为代表的网络节点之间的连接关系的网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上；

闪光同步参数设定子模块(8)，设定节点动力学特性、各节点初始状态、节点耦合方法和网络耦合强度；

网络闪光同步动态过程运算子模块(9)，根据闪光同步参数设定子模块(8)所设定的网络拓扑结构、节点动力学特性、各节点初始状态、节点耦合方法和网络耦合强度不断地计算每个时刻各节点灯应有的明灭状态；以及

节点灯控制信号输出子模块(10)，根据计算出的各节点灯应有的明灭状态不断地通过节点灯驱动电路模块(5)将各节点灯(4)点亮或者熄灭。

2.一种基于权利要求1所述复杂网络闪光同步演示系统的复杂网络闪光同步现象演示方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.通过网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构；

S2.网络拓扑结构设定与显示子模块(7)通过投影仪(2)将网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上，所投射的拓扑结构反映以节点灯(4)为代表的网络节点之间的连接关系；

S3.通过闪光同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性、各节点初始状态、节点耦合方法和网络耦合强度；

S4.网络闪光同步动态过程运算子模块(9)根据所设定的网络拓扑结构、节点动力学特性、各节点初始状态、节点耦合方法和网络耦合强度不断地计算每个时刻各节点灯应有的明灭状态；

S5.节点灯控制信号输出子模块(10)根据所计算的各节点灯应有的明灭状态不断地通过节点灯驱动电路模块(5)将各节点灯(4)点亮或者熄灭。