Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Информационные системы в социально-образовательной сфере 14
1.1. Анализ информационных систем в социально-образовательной сфере и инструментальных программных средств для их разработки 14
1.2. Особенности задач предоставления услуг в социально-образовательной сфере 28
1.3. Анализ информационных моделей при решении задач в социально-образовательной сфере и требования к проектируемой СИС 34
Выводы главы 1 41
Глава 2. Разработка специализированной информационной аналитической модели предоставления услуг в социально-образовательной сфере 43
2.1. Структура информационно-аналитической модели СИС и разработка средств для её создания 43
2.2. Разработка модели графического слоя СИС 54
2.3. Графо-аналитическая модель тематического слоя СИС 61
2.4. Выводы главы 2 68
Глава 3. Анализ и разработка алгоритмов решении в СИС оптимизационных задач социально-образовательной сферы 69
3.1. Структурная организация специализированной информационной системы 69
3.2. Синтез структур программного обеспечения и анализ сложности их построения для решения оптимизационных задач в СИС 77
3.3. Анализ и исследование возможностей использования алгоритмов определения кратчайшего пути в СИС 83
3.4. Разработка алгоритма автоматической трассировки кратчайшего пути и подсистемы решения оптимизационных задач социально-образовательной сферы 93
3.5. Выводы главы 3 100
Глава 4. Разработка программного обеспечения для решения оптимизационных задач и исследования его эффективности 101
4.1. Архитектура СИС 101
4.2. Программная реализация задачи поиска кратчайшего пути 109
4.3. Оценка сложности автоматизации извлечения графической информации при решении задач в социально-образовательной сфере 115
4.4. Структура данных и их преобразование 118
4.5. Выводы главы 4 126
Заключение 127
Список литературы 130
Приложения 140
- Особенности задач предоставления услуг в социально-образовательной сфере
- Графо-аналитическая модель тематического слоя СИС
- Анализ и исследование возможностей использования алгоритмов определения кратчайшего пути в СИС
- Оценка сложности автоматизации извлечения графической информации при решении задач в социально-образовательной сфере
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время для принятия оптимальных управленческих решений в системе образования необходимо в короткий срок обрабатывать большое количество интегрированной информации о различных параметрах деятельности учебных заведений, муниципальных и региональных образовательных структур, об инновационном педагогическом опыте и т.д. Этому вопросу уделяется большое внимание в вузах. Научный и кадровый потенциал высших учебных заведений позволяет создать системы автоматизации различного назначения. Однако средние общеобразовательные учреждения остаются в стороне от своевременного обеспечения информационными данными. Что приводит к информационной необеспеченности принятия решений, принимаемые решения подвергаются частой и радикальной коррекции, а также повышают уровень конфликтности между органами управления средним образованием и объектами управления [1- 5].
Устранение последствий информационной недостаточности возможно за счёт мониторинга принятия решений, создания и реализации федеральных программ в области среднего образования, создания баз данных реальных потребностей населения в социально-образовательных услугах и возможностей их представления органами управления средним образованием, создания единого информационного рынка образовательных услуг и прогнозирования рынка педагогических кадров.
К настоящему времени сложился класс программно реализованных систем, в
которых за счёт развитых средств взаимодействия пользователей с системой,
особенно графических, при постоянно увеличивающейся сложности решаемых
задач общение пользователей с системой происходит в реальном масштабе
времени. Примерами такого рода систем являются системы автоматизированного
проектирования (САПР), информационно-аналитические системы,
5 геоинформационные системы (ГИС) и т.п. Для устранения информационной
недостаточности известно использование этих систем, но самые
распространённые - ГИС используют ' r* ;v-. также сложно
структурированную графическую информацию. Достоинствами таких систем
являются: оптимальное управление географически привязанных объектов
управления социально-образовательной сферы, анализ данных мониторинга для
задач пространственного анализа статистических данных по показателям
образовательной системы, планирование развития и административного
управления образовательными учреждениями, возможность быстрого
рассмотрения многих вариантов и выбора наиболее приемлемого решения [6-8].
Однако проблемам проектирования информационных систем, использующих сложно структурированные графические данные, уделяется еще недостаточное внимание, что приводит к порождению большого числа систем, построенных по разной идеологии при одинаковых классах решаемых задач. Эти системы трудно стыкуются между собой, обладают большим, иногда не обоснованным, разбросом объёмов используемой памяти, имеют разное быстродействие. Для создания таких систем привлекаются большие людские ресурсы, увеличивается время разработки и, соответственно, стоимость, ухудшается их качество. Для их проектирования становятся актуальными проблемы исследования принципов структурной организации, разработки методов синтеза их архитектур, используемых структур данных, способов согласования с внешними устройствами и разработки средств графического взаимодействия пользователей с системами.
Необходимо разработать методы проектирования специализированных информационных систем (СИС) на основе ГИС, включающих выбор алгоритмов функционирования, математических моделей управления социально-образовательной сферой, рациональную организацию архитектуры систем и используемых структур данных.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка моделей, методов структурной организации, алгоритмов и программного обеспечения специализированных информационных систем со сложно структурированными графическими данными (СИС) для эффективного управления в социально-образовательной сфере г. Москвы.
Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:
Разработать алгоритмы функционирования СИС, структуру алгоритмов, структуры данных.
Разработать методы синтеза структур программного обеспечения отдельных подсистем и на их основе обосновать и выбрать их структуру.
Разработать математические модели информационного обеспечения СИС.
Разработать языковые и интерактивные средства взаимодействия пользователей с СИС. Определить их эргономические и психофизиологические характеристики.
Создать программное обеспечение подсистем СИС.
Исследовать эффективность внедрения разработанных систем.
Для решения этих задач и разработки системы был произведён анализ трудов российских и зарубежных учёных в следующих областях:
информационное обеспечение органов управления среднего образования -О.А. Башкиров, A.M. Бершадский, А.С. Бождай, Ю.Г. Васин, В.Н. Васильев, Э.Д. Днепров, А.В. Духанов, А.Ю. Скопин, Л.В. Жилина и др.
создания баз данных - К.Д. Дейт, Т. Кроув, В.Ш. Рубашкин, Ж. Шомье, Д. Эйвисон и др.;
-картографии - Н.М. Биктимирова, О.В. Бирюкова, Л.М. Бугаевский, А.С. Васмут, Л.А. Вахрамеева, О.Ю. Жукова, Н.Н. Лосяков, Н.И. Мельниченко, Т.П. Нырцова, К.А. Салищев, И.И. Стрижкин и др.;
- принципов построения ГИС и САПР - Е.И. Артамонов, A.M. Берлянт, Л. М.
Бугаевский, М. Зейлер, О.К.Кадетов, Е.Г. Капралов, Н.В. Коновалова, А.В. Кошкарёв, А.И. Мартыненко, Л.Ф. Ноженкова, М.П. Сидоренко, B.C. Тикунов, A.M. Трофимов, В.Ё. Хаксхольд, В.Я. Цветков, СВ. Шайтура, Е.Е. Ширяев, D.F. Marble, D.J. Peuquet, Н. Samet, S. Tanimoto и др; - дискретной математики - О.Е. Акимов, М.О. Асанов, В.А. Баранский, И.А. Башмаков, К. Берж, А.А. Грешилов, В.А. Евстигнеев, А.А. Зыков, Н. Кристофидес, О.П. Кузнецов, О. Оре, Д.В. Тюкавкин, Р. Уилсон, Л.Р. Форд, Д.Р. Фалкерсон и др.). Методы исследования базируются на математической логике, теории множеств, теории графов, оптимизационных алгоритмах решения задач на графовых моделях.
Научная новизна работы заключается в разработке и создании:
алгоритмов функционирования и архитектуры СИС для управления социально-образовательной сферой;
структуры информационно-аналитической модели СИС для управления социально-образовательной сферой;
структуры и состава баз данных СИС для управления социально-образовательной сферой;
универсального алгоритма определения кратчайшего пути на моделях графического слоя СИС с использованием многокритериальных оценок;
метода синтеза архитектуры подсистемы определения кратчайшего пути на модели графического слоя СИС;
аналитических оценок сложности автоматизированного извлечения информации в СИС при решении задач в социально-образовательной сфере;
способа тестирования цветового зрения пользователя СИС для управления социально-образовательной сферой и настройки пользовательского интерфейса по результатам тестирования.
8 Основные научные результаты:
определена требуемая функциональность и критерии оценки специализированных информационных систем обеспечения социально-образовательных услуг;
разработана графовая математическая модель обеспечения социально-образовательных услуг в территориально-административных единицах;
разработаны структуры, алгоритмы и программное обеспечение следующих подсистем: обработки сложно структурированной графической информации, справочно-аналитической, оптимизации маршрутов и оптимального размещения объектов для оказания услуг в социально-образовательной сфере;
проведено исследование и разработаны меры по улучшению психофизиологического воздействия графики системы на человека, в частности, предложен способ тестирования цветового зрения потребителя (заказчика) СИС.
Практическая ценность работы. На основе полученных в диссертационной
работе результатов по выбору алгоритмов функционирования и структур
программной реализации систем, разработке средств взаимодействия
пользователя с - системой разработаны специализированные информационные системы для окружных управлений образованием в Юго-Западном и Северном окружных управлениях образованием г. Москвы, которые позволяют эффективно решать важные задачи, стоящие перед администрацией управления образованием, такие, как выбор оптимального размещения объекта на территории районов, нахождение оптимальных маршрутов обслуживания объектов, накопление и анализ статистической информации и т.п.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается корректностью постановок задач, выбором алгоритмов функционирования с использованием методов математического моделирования,
9 получением структур систем по заранее заданным критериям, разработкой
языковых средств взаимодействия пользователя с системой и определением
семантики языка, а также результатами практического использования
предложенных в диссертации методов, моделей и средств.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты и программное обеспечение внедрены в Юго-Западном и Северном окружных управлениях образованием г. Москвы. Акты внедрения и использования научных результатов приведены в приложении диссертационной работы.
На защиту выносятся:
алгоритмы функционирования и архитектура СИС для решения оптимизационных задач в социально-образовательной сфере;
структура информационно-аналитической модели СИС для управления социально-образовательной сферой;
структура и состав баз данных СИС для решения оптимизационных задач в социально-образовательной сфере;
универсальный алгоритм определения кратчайшего пути на моделях графического слоя СИС с использованием многокритериальных оценок;
метод синтеза структуры подсистем: обработки сложно структурированной графической информации, информационной, справочно-аналитической, оптимизационных маршрутов и оптимального размещения объектов для решения оптимизационных задач на модели графического слоя СИС;
аналитические оценки сложности автоматизированного извлечения графической информации в СИС при решении оптимизационных задач в социально-образовательной сфере;
способ тестирования цветового зрения пользователя СИС для управления социально-образовательной сферой и настройки пользовательского интерфейса по результатам тестирования.
10 Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на Ш-й
и IV-й международных конференциях «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. CAD/CAM/PDM» (Москва: ИПУ РАН, 2003, 2004 гг.), V-й молодёжной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии и интеллектуальные системы» (Москва: МГТУ, 2003), Ш-й международной научно-практической конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Приднестровье, Тирасполь: ПГУ, 2003), международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва: МЭИ (ТУ), 2003), Региональной дистанционной научно-практической конференции «Методы и устройства психофизиологических исследований человека» (Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных трудов (5 статей и 7 тезисов докладов).
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет - 171 стр., основного текста - 139 стр., включая - 23 рис., - таб., списка литературы из - 105 наименований. Имеются 8 приложений на 32 стр.
Содержание работы включает в себя следующие положения:
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цели и содержание поставленных задач, сформулирован объект и предмет исследования, указана теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, а также сообщены положения, выносящиеся на защиту.
В главе 1 «Информационные системы в социально-образовательной сфере» проведён анализ различных классов информационных систем. Рассмотрены работы, в которых представлены особенности алгоритмического обеспечения, общие вопросы теории построения информационных систем, в частности,
геоинформационных (ГИС), используемых структур данных, средств взаимодействия с пользователем. Приведены примеры применения информационных систем для решения задач в социально-образовательной сфере регионов. Показано, что такие системы работают со сложно структурированными графическими данными, позволяющими существенно расширить их возможности. Особое внимание уделено анализу методов построения информационных систем в социально-образовательной сфере. Исследованы и обобщены задачи в социально-образовательной сфере, стоящие перед административным аппаратом окружных управлений образованием. Сформулированы основные типы задач, представленные для решения с помощью модели специализированной информационной системы (СИС). Исследованы и обобщены задачи, связанные с информационным и алгоритмическим обеспечением СИС. Выделяются общие для СИС алгоритмы решения оптимизационных задач: размещения объектов социально-образовательной сферы, прокладывания трасс коммуникаций между объектами, определения последовательности обслуживания объектов и т.п.
В главе 2 «Разработка специализированной информационной аналитической модели предоставления услуг в социально-образовательной сфере» разработана общая структура СИС для управления социально-образовательной сферой, включающая средства взаимодействия пользователя с системой, геометрический процессор, информационную и прикладные подсистемы, а также средства управления. Разработана структура информационно-аналитической модели СИС применительно к объектам социально-образовательной сферы территориально-административных округов г. Москвы. Предложена основная идея организации информационно-аналитической модели СИС, которой является выделение отдельных слоев, представляющих однородную семантическую информацию, важную для решения задач социально-образовательной сферы. Разработана унифицированная структура данных графических слоев информационно-аналитической модели СИС. Рассмотрены критерии выбора условных знаков с
12 позиции семиотики, включающей в себя следующие аспекты: синтаксический,
семантический и прагматический. Определяются критерии выбора условных
знаков разрабатываемой системы с позиции каждого аспекта. В частности,
рассматривается картографическая прагматика, которая помогает определить
отношения знаков к изготовителям и потребителям карт на
психофизиологическом уровне восприятия цвета и конструкций объектов.
Предложена система тестирования цвета для пользователя с целью недопущения
цветовой дисгармонии. Созданы средства взаимодействия пользователя с СИС.
Предложен способ представления графических данных в СИС на основе
квадратомического дерева, в вершинах которого находятся параметры знаков,
которые определяют признаки общности и различия характеристик объекта.
В главе 3 «Анализ и разработка алгоритмов решения в СИС оптимизационных
задач социально-образовательной сферы» проведён анализ методов структурной
организации систем, разработан метод синтеза структур СИС, рассмотрены
варианты построения подсистем обработки сложно структурированной
графической информации (ПОГИ) и решения оптимизационных задач (ПРОЗ) в
СИС. Для проектирования СИС со сложно структурированными графическими
данными предлагается ввести элементы формализации процесса синтеза их
структуры, поскольку известны основные структуры данных внешних устройств и
геометрических процессоров, алгоритмы преобразования структур и обработки
геометрических моделей, алгоритмы и средства визуализации и вывода на
внешние устройства. Разработан метод синтеза структур СИС, в котором
учитываются перечисленные факторы и особенности сложно структурированных
графических данных. Исследован алгоритм функционирования подсистемы
обработки графической информации (ПОГИ), проведены операции с алгоритмом,
определены возможные варианты построения структур подсистемы. Проведён
анализ алгоритмов решения оптимизационных задач в СИС таких, как
автоматизированное размещение объектов социально-образовательной сферы и
13 определение оптимальных путей их обслуживания. Разработан универсальный
алгоритм и программное обеспечение ПРОЗ многокритериального определения
кратчайшего пути на растровой модели, определены возможные варианты
построения совмещенных структур подсистем обработки графической
информации (ПОГИ) и решения оптимизационных задач (ПРОЗ) в СИС.
В главе 4 «Разработка программного обеспечения для решения
оптимизационных задач и исследования его эффективности» представлена общая
структура разработанного программного обеспечения СИС для решения задач в
социально-образовательной сфере, которая выбрана на основе созданного метода
синтеза. Приведена и детально описана возможная схема доступа пользователя к
данным специализированной информационной системы в Internet. Приведены
примеры создания типовых графических объектов и геометрических моделей
электронных карт на их основе. Показана возможность решения оптимизационных
задач в социально-образовательной сфере с использованием геометрических
моделей. Описана программная реализация поиска кратчайшего пути. Описана
оценка сложности автоматизации извлечения графической информации при
решении задач в социально-образовательной сфере. Выявлены и обоснованы
характерные особенности и сложности представления данных в СИС при
разработке и эксплуатации. Указываются пути по преодолению сложностей
представления данных.
Особенности задач предоставления услуг в социально-образовательной сфере
Обеспечение устойчивого развития системы образования во многих странах мира рассматривается как основной вопрос государственной политики. Образование, относится к сложноорганизованным социальным системам, анализ которых может быть осуществлен с позиций системного подхода. Управление с позиции системного подхода есть процесс взаимодействия управляющей и управляемой подсистем. В теории управления принято характеризовать эту взаимосвязь как совокупность конкретных функций управления, обеспечивающих управленческое воздействие на всё многообразие элементов и сторон управляемого объекта.
Одним из серьезных недостатков современной системы управления образованием является то, что это управление осуществляется фактически в информационном вакууме. [4] Для этой системы характерны две основные проблемы. Первая проблема заключается в том, что современная система управления образованием создавалась в период централизованного планирования, когда у министерств были четкие обязанности: финансирование, административное управление и статистика. Информация по-прежнему разделена по министерствам и доступна только для федеральных органов власти. Второй проблемой является недостаточный информационный охват. Имеются описания материально-технических ресурсов (книги, карты, число учащихся и т.д.), но данные не упорядочены и по существу отсутствуют. Невозможно получить результаты анализов эффективности учащихся или равенства в доступе к образованию населения [4].
Усложнилось получение качественной информации для аналитических органов, профессионального сообщества, ученых-экспертов. По-прежнему остается очень плохой информируемость о функционировании системы образования широких кругов общественности. Исследование состояния системы образования показывает, что в настоящее время на неё оказывают влияние факторы нестабильности, такие как высокая динамика изменений в обществе, неоднородность и ограничение ресурсов образовательных организаций.
Одна из главных особенностей управления муниципальной системой образования на современном этапе заключается в том, что оно реализуется в условиях перехода от одних форм организации и жизнедеятельности образовательных учреждений к другим, что вытекает из сущности нового социально-экономического строя. Интенсивный процесс перехода школ в современный режим развития потребовал перестройки управления муниципальной системой образования.
Однако стремительная децентрализация и регионализация управления, экономики, образования на фоне всегда достаточно слабых коммуникаций привела сегодня к недостатку сотрудничества и информированности по вертикали и, особенно, по горизонтали на всех уровнях системы, к неясностям в вопросах разделения труда. Следствием этого является информационная необеспеченность принятия решений, что может быть серьезным фактором нестабильности отрасли, так как принимаемые решения подвергаются частой и радикальной коррекции.
Анализ ситуации в системе управления образованием ряда округов города Москвы позволил выделить проблемы управления образованием на муниципальном уровне и главные из них следующие: - отсутствует единая система информационного обеспечения; - отсутствуют независимые службы контроля, экспертизы и прогнозирования на местах (в окружных управлениях); - небольшой опыт формирования социального заказа на образование. Отсутствие устойчивых каналов распространения информации делает информацию малодоступной для субъектов системы и препятствует сравнительному анализу положения дел, что само по себе не является фактором для удержания единого образовательного пространства. Анализ современного состояния информатизации управления средним образованием показывает, что лишь в некоторых школах осуществляются попытки создания локальных сетей, в которых налаживается документооборот, и создаются базы данных по направлениям: педагогические кадры, учащиеся школы, повышение квалификации и аттестация и др. При этом отсутствует какая-либо спецификация при создании информационно-аналитических систем (ИАС) управления образованием. Срочное налаживание вертикальных и горизонтальных коммуникаций является актуальнейшей задачей еще и потому, что в настоящий момент потребность в информации является одним из центростремительных, факторов, так как отсутствие достоверной информации сегодня фактически парализует работу центральных управленческих органов образования. Для решения этой задачи необходимо создание информационных систем. При внедрении средств телекоммуникаций и создании системы управления необходимо учитывать проблемы различия функционирования городских (государственные и частные) школ, а также территориальную разобщённость учебных заведений. Важным моментом реорганизации начального и среднего образования является формирование эффективных механизмов для трансляции социального заказа системы образования. В этом аспекте одной из основных задач является определение прогноза потребности в подготовке квалифицированных педагогических работников. Основные задачи, стоящие перед административным аппаратом окружных управлений образованием довольно многочисленны, но постараемся сформулировать основные: - обеспечение внедрения системы информационного обеспечения образовательного процесса в регионе; - осуществление мониторинга качества образования в городской образовательной системе; - создание механизма прогнозирования потребности в педагогических кадрах для образовательных учреждений всех типов и видов и системы образования в целом; - оптимизация сети начальных образовательных учреждений; - планирование размещения учащихся в учебных учреждениях; - анализ развития единого образовательного пространства, обеспечивающего возможность получения одинаково качественного образования в любой его точке.
Графо-аналитическая модель тематического слоя СИС
Дешифрирование подразделяется на 2 вида: топографическое и специальное. Топографическое служит для опознания элементов местности, подлежащих нанесению на карту, а специальное служит для решения научных задач геологии, землеустройства, лесного хозяйства и т.д.
Для обработки аэрофотоснимков, которые будут использоваться для разработки СИС, будет применено топографическое дешифрирование. После того как были получены снимки местности (снимки Москвы, в частности, Юго-Западного и Северного административных округов) и проведена их обработка (дешифрирование) происходит введение (блок ввода) снимков в компьютер для создания карты. Блок ввода является программным и отвечает за получение данных, источниками которых могут быть аэрофотоснимки, карты, и т.д. Блок ввода состоит из следующих устройств: сканер, который осуществляет считывание и ввод изображения в виде растровой картинки, внешние системы компьютера, осуществляющие ввод в компьютер снимков, к примеру, через Internet со специализированных «рабочих станций». Подходящим вариантом ввода аэрофотоснимков округов Москвы в компьютер будет являться сканер, и вот по каким критериям: -сканер в отличие от дигитайзера, более приспособлен для ввода аэрофотоснимков в компьютер; -сканер в зависимости от модели обладает различным диапазоном разрешающей способности (колеблется в пределах 300-2400 dpi). Лучше вводить снимок через сканер, а не через другие системы, потому что в противном случае разрешающая способность, то есть качество снимка, может быть хуже. По конструкционным типам сканеры бывают следующих видов: протяжные, планшетные, ручные.
Приемлемым из вышеперечисленных конструкций является планшетный сканер. К основным преимуществам этого типа можно добавить то, что многие, модели из этой группы комплектуются «слайд модулем». «Слайд-модуль» является приспособлением, предназначенным для сканирования фотографий, негативов и слайдов. После того как аэрофотоснимки будут введены в память компьютера, они поступают в блок обработки отсканированной информации. 3). Блок обработки отвечает непосредственно за создание электронной карты СИС, которая состоит из следующих компонентов: компьютер, система управления, программное обеспечение.
Не рассматривая процесс выбора компьютера надо отметить, что персональный компьютер, на котором происходила разработка СИС, отвечал необходимым требованиям и имел CPU, необходимый для работы. Технические характеристики пк следующие: процессор Intel Celeron 733 Hz, оперативная память (RAM) 64 Мб, объём памяти на жёстком (HDD) диске 20 Гб. После того как был выбран необходимый компьютер, производится рассмотрение программного обеспечения, используемого для работы. В качестве инструментального программного средства, позволяющего создавать инструментальные средства для построения СИС выбрано Maplnfo, а также языки программирования Open Gl, C++, Fortran. Инструментальный пакет программного обеспечения Maplnfo позволяет настраивать систему с учётом особенностей работы, вида информации, методов её обработки, хранения и представления. Для того чтобы после ввода аэрофотоснимка в компьютер создать электронную карту, необходимо осуществить географическую привязку аэрофотоснимка, зарегистрировав его по координатам 3-4 контрольных точек. Координатные данные служат для упорядочения положения пространственных объектов и для сопоставления объектов системе координат земной поверхности. Координаты определённых точек узнаются из аэрофотоснимка после его обработки перед стадией ввода. После ввода координат контрольных точек выбирается необходимая проекция. Это будет цилиндрическая проекция типа план-схема в единицах измерения метр. Полученное в результате описанных преобразований изображение снимка представлено в растровом виде. Так как растровая модель является дискретной, то есть не выводит информацию о том, что расположено в той или иной точке территории, то необходимо перевести информацию в другое представление данных. Другим представлением данных будет векторная (объектная) модель СИС, которая строится на векторах, занимающих часть пространства, в то время как растровая занимает всё пространство [13]. Векторное представление данных располагает возможностью получения информации о том, где расположен объект (данные объекта), в то время как в растровых этого нет. Построение векторной модели СИС происходит путём создания целостных объектов. Это происходит следующим образом: на аэрофотоснимке обводятся (оцифровываются) контура объектов (жилые и нежилые кварталы, пруды, реки, дороги, парки, лесные массивы). Оцифровка карты происходит путём соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Цифрование карты произведено, так называемым способом «по подложке». После перевода растровой модели в векторную можно не использовать аэрофотоснимок, так как в результате оцифровки (векторизации) снимка получено покрытие (слой), которое имеет тематическую определённость и координатную принадлежность. Это покрытие (слой) теперь является самостоятельной картой и может использоваться без аэрофотоснимка, как полноценная векторная карта. Рассмотрим теперь основные части векторной модели для более детального изучения полученного результата: геометрические, атрибуты, связи между геометрическими моделями и атрибутами. Геометрическими объектами являются, прежде всего, точки, линии и полигоны. Физически данные геометрических объектов записываются как последовательность пар координат. Объекты данной группы являются картообразующими, так как именно совокупность линий, точек и площадей образует цифровое пространство карты. Геометрические объекты способствуют логической организации карты с помощью слоев информации, что значительно облегчает работу с картой. Информационный слой графической информации составляют объекты, объединённые одной темой; к примеру, жилые и нежилые кварталы. Объединение всех геометрических объектов в один информационный слой приведёт к уменьшению быстродействия визуализации графических данных, а разбиение на логические группы приводит к обратному результату.
Анализ и исследование возможностей использования алгоритмов определения кратчайшего пути в СИС
Методы структурной организации существенным образом определяют эксплуатационные характеристики создаваемых систем такие, как быстродействие, объёмы занимаемой памяти, сложность разработки и тестирования, надёжность. К настоящему времени разработаны CASE (Computer-Aided Software/System Engineering) технологии, методология структурного анализа SADT (Structured Analysis and Design Technique) и ее подмножество IDEFO. Большая часть известных методов позволяет дисциплинировать и документировать процесс описания алгоритмов функционирования, провести «визуальный» анализ алгоритмов и неформальный синтез структуры системы. Эти методы синтеза структурной организации преимущественно основаны на опыте и интуиции конкретных разработчиков.
Для проектирования СИС со сложно структурированными графическими данными предлагается ввести элементы формализации процесса синтеза их структуры, поскольку известны основные структуры данных внешних устройств и геометрических процессоров, алгоритмы преобразования структур и обработки геометрических моделей, известны алгоритмы и средства визуализации и вывода на внешние устройства. Имеется целый ряд международных стандартов на структуры данных и базовые средства программирования графики и геометрических преобразований.
Структурная организация СИС зависит от операций в алгоритме функционирования. Общую структуру СИС можно представить следующим набором блоков (см. рис.3.1): блок ввода исходных данных (БВВ), вычислительный блок (ВБ), информационный блок (ИБ), блок вывода (БВ), блок управления (БУ) (на рисунке не показан).
Блок ввода осуществляет операции по преобразованию типов и форматов данных, производит предварительную обработку данных, связанную с семантическим и синтаксическим анализом, преобразованием способов кодирования информации с устройств ввода (УВВ) во внутрисистемное представление.
Вычислительный блок решает проектные задачи в соответствии с заданными алгоритмами функционирования систем. Вычислительный блок состоит из нескольких частей, выполняющих соответствующие процедуры. Связь этих частей с другими блоками определяется назначением системы. В процессе функционирования систем достаточно часто решаются различные рутинные задачи, требующие при сравнительно простых алгоритмах большого объема памяти и длительного времени при последовательном выполнении операций. Большинство геоинформационных систем производят операции над графическими данными по созданию геометрических моделей объектов управления или проектирования, расчету процессов визуализации моделей объектов и соответствующих параметров.
Информационный блок производит операции по записи на внешних носителях информации об объекте проектирования или управления. Этот блок позволяет организовать сложные структуры данных и производить их выборку с учетом различных условий и форм представления информации. Необходимость работы в интерактивном режиме требует от ИБ достаточно высокого быстродействия обработки сравнительно больших объемов данных, которые не всегда могут обеспечить стандартные системы управления базами данных.
Блок вывода выполняет предварительные операции по преобразованию способов внутреннего кодирования информации в коды различных устройств вывода (УВ), а также операции по преобразованию типов и форматов выходных данных. Блок управления в соответствии с терминами языка взаимодействия пользователя управляет последовательностью подключения блоков системы Основные операции в специализированной информационной системе. Сложность проблемы выбора структурной организации СИС продемонстрируем на рис.3.2, где показан фрагмент некоторых возможных реализаций последовательно выполняемых операций. Все реализации для двух способов кодирования ai и аг представлены в виде пространственного графа, разделенного на части, выполняющие набор последовательных операций. Части пространственного графа далее будем называть локальными структурами (JIG), а набор операций, которые они выполняют - локальными алгоритмами (ЛА). Каждая ЛС представляется двумя плоскими графами (в виде вертикальных поперечных плоскостей на рисунке) и дугами, соединяющими вершины левых и правых плоских графов. Вершины графа соответствуют форматам и типам данных. Дуги графа ориентированы по направлению обработки информации, отображают возможные реализации и имеют весовые коэффициенты, соответствующие сложности реализации. Левая сторона пространственного графа является входом, правая - выходом. В дальнейшем такое представление структуры будем называть обобщенной моделью структуры. Множества локальных структур ЛСі -ЛСз1 и ЛСі2-ЛСз2 реализуют локальные алгоритмы для способов кодирования щ и а2 соответственно. Из рисунка видно, что преобразования данных в обобщенной модели занимают значительное место. Так ЛСі212, ЛСі221, ЛС2312, ЛС2з21 реализуют ЛА преобразований способов кодирования, вертикальные поперечные плоскости в пространственных графах представляют преобразования форматов файлов и отображают связи между вершинами предыдущих и последующих графов (значения их дуг равны 0). Качество проектируемой системы в существенной мере зависит от количества преобразователей, используемых не только внутри комплекса, но и для согласования с другими, внешними по отношению к проектируемой СИС. Сокращение общего количества преобразователей возможно за счет использования стандартных структур данных.
Реализация каждой операции на множестве локальных структур заранее подготавливается в виде конкретных реализаций, соответственно, подсчйтываются значения качественных показателей каждой реализации. Эти значения могут быть получены теоретически, за счет оценок алгоритмов работы блоков, и практически путем анализа разработанных ранее систем.
Различные варианты структурной организации проектируемой СИС будут соответствовать различным путям прохождения информации от входа к выходу на обобщённой модели структуры. Если представить, что вершин графа, отображающих разнообразие возможных форматов и типов данных (принадлежащих вертикальным поперечным плоскостям на рис.3.2) будет несколько, то, как видно из рисунка, общее число возможных путей даже для двух способов кодирования информации может быть достаточно большим. Лучшая структурная организация системы соответствует кратчайшему пути на обобщенной модели структуры СИС
Оценка сложности автоматизации извлечения графической информации при решении задач в социально-образовательной сфере
Рассмотрим разработку и программную реализацию поиска кратчайшего пути. С использованием предложенного в подразделе 3.4 метода проектирования была разработана структура подсистемы «ГРАФИКА-01-ТР», комплекса инструментальных средств «ГРАФИКА-01-Т».
Рассмотрим более подробно особенности и основные характеристики комплекса инструментальных программных средств «Графика-01-Т», разработанного в Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской Академии наук. Комплекс имеет следующие отличительные особенности: - модульное построение, возможность использования отдельного набора программных модулей для решения конкретных задач пользователя; - рациональная структурная организация программных средств комплекса [101], что представляет возможность эффективно работать на простых по технических средствах (минимальный объем требуемой оперативной памяти 600 Кбайт, операционная система MS DOS) или экономить память и повысить быстродействие на других технических средствах; - информационная совместимость с другими системами по форматам DXF и IGES; - наличие встроенных средств для создания гипертекстовых систем, с использованием которых написаны инструкции пользователю и разделы HELP; - возможность переноса программного обеспечения на различные платформы и создание интерфейсов по требованию пользователя. Комплекс предназначен для автоматизации проектных и конструкторских работ, выпуска чертёжной документации, создание объёмных геометрических моделей изделий, в том числе кинематических. Комплекс представляет возможность решать задачи трассировки, например, трубопроводов, электрических соединений, на географических картах и т.п.. В свой состав комплекс включает систему геометрического моделирования и выпуска конструкторско-технологической документации «ГРАФИКА-81-2D», систему трассировки соединений на принципиальных схемах и печатных платах «ГРАФИКА-81 -ТР» и систему для создания гипертекста «ГРАФИКА-81-ГТ». Комплекс программных средств организован таким образом, что все системы связаны между собой по информации, но в то же время каждая система может быть использована автономно. Общая структура комплекса «ГРАФИКА-01-Т» представлена на рис.4.5. Структура включает в себя систему 2D конструирования, проблемно-ориентированные системы (в частности, систему автоматической трассировки соединений между элементами на схемах и печатных платах), специальные интерактивные средства взаимодействия пользователя с системой (ИНС), интерпретатор входного графического языка (ИГЯ), постпроцессоры для вывода информации на графический дисплей (ГД), графопостроитель (Г), печатающее устройство (ПУ) и т.д. - создание сложных графических объектов из примитивов: точек, линий, дуг и т.д.; - редактирование построенных объектов (удаление, копирование, смещение, изменение масштаба и т.д.); - создание и ведение библиотек различного типа (пользователю могут быть предоставлены разработанные библиотеки данных для различных сфер применения); - автоматическое получение спецификации на чертежах; - получение чертежей на плоттерах и принтерах различных типов. Система ГРАФИКА-81-ТР работает совместно с системой rPAOHKA-81-2D, которая выполняет все подготовительные функции по вводу исходных данных, созданию базы данных, выводу информации на графопостроители и фотоплоттеры. Система позволяет трассировать соединения между элементами с пересечением трасс или без пересечений. Система использует комбинированный алгоритм трассировки, позволяющий варьировать качество и скорость проведения трасс. Путём задания соответствующих коэффициентов можно изменять время продвижения к концу трассы, минимизировать возможное число пересечений трасс, их длину. При трассировке с пересечениями в последующем можно произвести автоматическое разделение трасс по слоям. Возможно редактирование результатов автоматической трассировки вручную при помощи средств системы rPA t HKA-2D и возврат при необходимости в автоматическую трассировку. Система ГРАФИКА-81-ГТ позволяет структурировать текстовую информацию по ключевым словам или фразам, вывести информацию на дисплей или печатающее устройство, ввести другие ключевые слова или фразы. Средства этой системы использованы в комплексе ГРАФИКА-01-Т для создания пользовательских описаний и HELP. Рассмотрим программную реализации поиска кратчайшего пути при помощи подсистемы «ГРАФИКА-01-Т». Решение выглядит таким образом: 113 После того как было произведено преобразование файлов «Школы» и «Дороги» из формата Tab в формат DXF приступаем к работе с прикладной программой «Графика-01-Т». В прикладной программе открываем вышеуказанные файлы и производим необходимые нам вычисления: поиск кратчайшего пути между объектами. 1) рядом со школой, от которой ищем путь, на линии дорожной сети проставляется точка (например, школа №17); 2) другая точка проставляется также на линии дороги рядом со школой (№20) до которой необходимо найти кратчайший путь; 3) после того как была проставлена последняя точка возле объекта (школа №20) автоматически производится трассировка пути с указанием оптимального маршрута, помеченного чёрным цветом; 4) если необходимо найти расстояние между несколькими объектами, то проводится аналогичная операция с проставлением нескольких точек, но последовательно, т.е. после проведения пути между двумя точками ставится третья, затем автоматически проводится путь и т.д.
После того как все операции по определению кратчайшего пути завершены, производится операция по сохранению полученного результата трассировки пути в файле «Дороги» формата DXF и конвертации (при помощи формата Tab) его в прикладную программу, построенную при помощи инструментария Maplnfo. Файл «Школы» формата DXF обратно в прикладную программу преобразовывать не нужно, так как данное покрытие в течение операции поиска оставалось без изменения и служило лишь в качестве ориентира.
