Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время в целом ряде высокотехнологичных отраслей
промышленности, научных исследованиях и образовательных
процессах используются многокомпьютерные комплексы (МКК),
значительно повышающие эффективность обработки информации.
Несмотря на безусловно положительный эффект использования
сложных МКК, приходится констатировать их недостаточную
эффективность, вызванную рядом технико-экономических
обстоятельств.
В частности достаточно остро стоит проблема повышения отказоустойчивости и надежности элементов многокомпьютерных комплексов, срок службы которых зачастую превышает нормативный. В связи с вышесказанным одним из важнейших требований, предъявляемых к многокомпьютерным комплексам, является их высокая отказоустойчивость и возможность эффективного выявления отказов.
Теоретическими и практическими аспектами технической диагностики, проблемами повышения отказоустойчивости сложных вьиислительных систем занимались такие известные ученые, как Пархоменко П.П., Карибский В.В., Согомонян Е.С., Каравай М.Ф., Лобанов А.В., Schlichting R., Rennels D.A., Dolev D. и мн. др. Проведенный анализ показал, что современные многокомпьютерные комплексы, используемые в распределенных системах обработки информации, требуют новых подходов к обеспечению их надежности и созданию эффективных методов технической диагностики.
В МКК, включающих компоненты, срок службы которых превышает нормативный, ухудшается качество выпускаемой продукции, возрастает вероятность аварийных ситуаций и техногенных катастроф.
Подобная негативная ситуация, связанная с недостаточной надежностью устройств МКК, может быть нивелирована повышением квалификации обслуживающего персонала, способного в кратчайшие сроки принимать обоснованные решения в случае возникновения нештатных ситуаций.
В настоящее время большое внимание уделяется построению тренажерных систем для подготовки операторов сложных многокомпьютерных комплексов в различных областях человеческой деятельности.
Качество и эффективность практической подготовки операторов МКК в значительной степени зависит от возможностей, используемых в образовательном процессе тренажерных средств.
Наилучшим выходом в данном случае является создание интеллектуальной обучающей системы, предназначенной для повышения квалификации обслуживающего персонала без отрыва от производства и представляющей собой систему когнитивной поддержки процессов обучения и переподготовки инженерно-технического персонала.
Вопросы создания интеллектуальных обучающих систем отражены в работах Савельева А.Я., Тихомирова В.П., Солдаткина В.И., Гусевой А.И., Игнатовой И.Г., Дэ-Джун Кванга, Мьюнг-Сук Дженни Панга и др.
Вместе с тем, проведенный анализ существующих обучающих систем показал, что среди множества программных продуктов не существует ни одной системы, которая осуществляла бы полную подготовку обучаемого по технической диагностике многокомпьютерных комплексов, обеспечивая при этом адаптивность процесса обучения.
Таким образом, актуальными являются диссертационные исследования, направленные на создание моделей и алгоритмов эффективной обработки информации при проведении технической диагностики и разработки когнитивной системы обучения (КСО).
Целью диссертации является повышение эффективности функционирования многокомпьютерных комплексов за счет создания новых моделей, методик, алгоритмов и реализации на их основе когнитивных обучающих систем, обеспечивающих повышение квалификации персонала в области технической диагностики сложных приборов и систем.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.
Анализ современных средств и методов технической диагностики многокомпьютерных комплексов и исследование проблемы создания когнитивной системы обучения методам технической диагностики.
Разработка методик и алгоритмов повышения эффективности выявления отказов и поиска неисправностей при технической диагностике многокомпьютерных комплексов.
Разработка моделей области знаний, принципов построения, обобщенных схем и алгоритмов работы когнитивной обучающей
системы для подготовки специалистов в области технической диагностики.
Программная реализация и внедрение в учебный процесс когнитивной системы обучения основам технической диагностики многокомпьютерных комплексов.
Исследование эффективности использования когнитивной системы обучения в учебном процессе вуза.
Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили элементы общей теории систем, методы системного и кластерного анализа, элементы теории графов, методы и алгоритмы технической диагностики, теория массового обслуживания, теория построения систем обучения и др.
Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой совокупность научно обоснованных технических разработок, направленных на создание методик и алгоритмов повышения эффективности выявления отказов и поиска неисправностей при технической диагностике сложных систем и реализацию на их основе когнитивных обучающих систем, обеспечивающих улучшенное функционирование многокомпьютерных комплексов.
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты.
На основе концепции редеющих импульсных потоков совместно с теорией регрессионного анализа предложена методика определения предполагаемого количества отказов, позволяющая оценить эффективность процесса технической диагностики многокомпьютерных комплексов.
Предложена методика обнаружения одиночных отказов при проведении технической диагностики, направленная на выбор некоторой группы тестов, достаточной для отыскания отказавшего элемента, и определения условного порядка последовательного применения тестов по критерию минимизации среднего значения суммарной стоимости проведения поиска.
Предложен алгоритм полного тестирования элементов МКК по критерию минимального времени поиска отказавшего элемента; в ходе проведенного имитационного моделирования показано, что обеспечивается уменьшение времени полного тестирования много компьютерного комплекса от 12 до 20 %.
Предложена методика поиска неисправностей в многокомпьютерных комплексах на основе «И-ИЛИ» графов,
позволяющая на основе входной информации о правильности решения задач идентифицировать неисправный компьютер.
Предложены модель области знаний, обобщенная схема и алгоритмы работы когнитивной системы обучения основам технической диагностики, обеспечивают: настройки на компетентностные возможности обучаемого; автоматизацию генерации заданий по квазислучайному принципу; автоматизацию решения задач в пошаговом режиме; использование трех технологий обучения (индуктивный, дедуктивный и абдуктивный).
Достоверность полученных результатов определяется корректным применением строго математического аппарата и подтверждается результатами внедрения созданной системы обучения в учебный процесс, доказавшими преимущества предложенных в работе решений, выразившимися в повышении средней успеваемости, снижении среднего времени аудиторной работы студентов и среднего времени, затрачиваемого преподавателем на контрольные мероприятия, на 9-13% по сравнению с традиционной технологией.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение когнитивной системы обучения при обучении методам технической диагностики в приборостроении. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методов, моделей и программной реализации.
Предложенная в работе когнитивная система обучения обеспечивает достижение следующих преимуществ:
наличие блока автоматической генерации заданий, позволяющего генерировать обучающие и контрольные задания в автоматическом режиме;
наличие механизма автоматической проверки сгенерированных заданий - автоматического «решателя»;
реализация трех подходов к представлению теоретической части по каждой теме - индуктивный, дедуктивный и абдуктивный, -ориентированных на индивидуальные психологические особенности обучаемого и уровень его подготовки.
Разработанная структура когнитивной системы обучения позволяет повысить уровень квалификации специалистов в области технической диагностики, что является одним из условий эффективности функционирования МКК. Предложенная в работе когнитивная система
обучения дает возможность осваивать методы технической диагностики как в сфере производства изделий приборостроения, так и при подготовке специалистов в вузовской и профессиональной сферах.
Автором разработана, программно реализована и внедрена в учебный процесс когнитивная система обучения по основам технической диагностики, включающая 8 учебных модулей.
Результаты использования разработанной когнитивной системы обучения в учебном процессе Национального исследовательского университета МИЭТ показали, что для аудитории студентов в 60 человек, в зависимости от используемой технологии обучения, обеспечивается повышение средней успеваемости на 3-13 %, снижение среднего времени аудиторной работы студентов на 22- 33 % и среднего времени, затрачиваемого преподавателем на контрольные мероприятия, на 9-13% по сравнению с традиционной технологией.
Обоснована возможность применения системы для подготовки кадров в различных областях науки и техники, повышения знаний специалистов в области естественных наук, усиления умения вычислительного программирования для решения практических задач и дистанционного обучения в Республике Союза Мьянма.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются перечисленные ниже.
Создание модели области знаний применительно к задаче обучения основам технической диагностики.
Разработка методики определения предполагаемого количества отказов, позволяющая оценить эффективность процесса технической диагностики многокомпьютерных комплексов.
Создание методики обнаружения одиночных отказов при проведении технической диагностики многокомпьютерных комплексов.
Разработка алгоритма полного тестирования элементов МКК по критерию минимального времени поиска отказавшего элемента.
Создание методики поиска неисправностей в много компьютерных комплексах на основе «И-ИЛИ» графов.
Создание методики реализации процесса обучения с использованием индивидуальных и групповых образовательных траекторий.
Разработка принципов построения, архитектуры и алгоритмов работы когнитивной обучающей системы.
Программная реализация и внедрение в учебный процесс когнитивной обучающей системы по основам технической диагностики.
Реализация полученных результатов. Результаты
диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем" Национального исследовательского университета "МИЭТ" в лекционных и практических занятиях по дисциплине «Теория систем и системный анализ».
В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты.
Результаты анализа современных средств и методов технической диагностики многокомпьютерных комплексов, а также систем обучения методам технической диагностики.
Методика определения предполагаемого количества отказов при технической диагностике многокомпьютерных комплексов.
Методика обнаружения одиночных отказов при проведении технической диагностики.
Алгоритм полного тестирования элементов МКК по критерию минимального времени поиска отказавшего элемента.
Методика поиска неисправностей в много компьютерных комплексах на основе «И-ИЛИ» графов.
Обобщенная схема, модель области знаний и алгоритм функционирования когнитивной системы обучения основам технической диагностики.
7. Анализ эффективности использования предложенной КСО.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации
обсуждались на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2008-2011 г.г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2008 г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике"(Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2009-2011 г. г.), Международной научно-методической конференции "Современные проблемы высшего профессионального образования" (Курск, КГТУ , 2010 г.), Международной научной школе «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2010
г.) , Международной научно-технической конференции" Современные информационные технологии" (Пенза, ПГТА, 2011 г.), Международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА» (Москва, МИФИ, 2010-2011 г.г.)
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 22 опубликованных работах, в том числе 3 статьях в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 13 работ.
Подана заявка на регистрацию программы для ЭВМ "Программный комплекс для обучения основам технической диагностики на основе И-ИЛИ графов"
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 117 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 178 страницах (141 страница основного текста), содержит 4 таблицы и 65 рисунков. В приложениях приведены документы о внедрении результатов диссертационной работы, а также о научных достижениях автора и фрагменты листинга программного обеспечения.
