Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Модели, методы и автоматизированные системы управления образовательным учреждением 22
1.1 Классификация и принципы разработки управленческих решений 22
1.2 Методы прогнозирования экономических показателей на основе 28
анализа временных рядов 28
1.2.1 Анализ временных рядов 32
1.2.2 Проверка адекватности модели прогноза 36
1.2.3 Адаптивные модели прогнозирования 38
1.3 Использование онтологии при анализе предметных областей 40
и проектировании автоматизированных систем 40
1.3.1 Классификация и методы представления онтологических моделей 41
1.3.2 Инструменты для создания онтологии 46
1.3.3 Области применения онтологии 48
1.4 Использование современных информационных технологий 51
при принятии управленческих решений 51
1.5 Выводы по главе 1. Обоснование цели и задач исследования 60
ГЛАВА 2. Постановка задачи поддержки принятия решений.модели, методы оценки числа слушателей ИДПО 63
2.1 Описание объекта исследования 63
2.2 Прогноз количества слушателей ИДПО
2.2.1 Анализ временных рядов 64
2.2.2 Представление временного ряда в виде математической модели 70
2.2.3 Расчет значений сезонной компоненты 72
2.2.4 Прогноз числа слушателей ИДПО на летний период времени 79
с помощью регрессионных моделей 79
2.2.5 Прогноз числа слушателей ИДПО на летний период времени 88
по адаптивной модели Брауна 88
2.2.6 Расчет целевой функции чистой прибыли 95
2.2.7 Получение платежной матрицы чистой прибыли «игры с природой» 98
2.2.8 Выбор оптимального режима работы ИДПО летом 101
2.2.9 Автоматизированная система поддержки принятия УР 105
2.3 Результаты и выводы по главе 112
Глава 3 Создание онтологической модели предметной области с помощью редактора Protege
3.1 Причина создания онтологии ПрО 114
3.2 Выбор языка описания онтологической модели знаний УЗ ДПО 115
3.2.1 Интеграция разнородных источников данных 118
3.3 Формирование базовых элементов OWL-онтологии в Protege 4.2 120
3.3.1 Описание классов 121
3.3.2 Описание свойств классов и типов данных 122
3.3.3 Наполнение классов индивидами 131
3.3.4 Описание перечислимых классов 1 3.4 Выполнение SPARQL-запросов в редакторе Protege 4.2 134
3.5 Формирование онтологического графа 137
3.6 Функциональная схема этапов разработки АСМКОУ 139
3.7 Результаты и выводы по главе 141
Глава 4 Автоматизированная система менеджмента качества образовательного учреждения 142
4.1 Цели мониторинга качества образовательного процесса 142
4.2 Методика оценки эффективности обучения 144
и удовлетворенности заказчиков 144
4.2.1 Определение показателя начального уровня знаний слушателей 146
4.2.2 Определение показателя конечного уровня знаний слушателей 147
4.2.3 Расчет коэффициента эффективности обучения 149
4.2.4 Выставление оценок слушателям по результатам анкетирования 149
4.2.5 Вьшисление среднего балла успеваемости в группе слушателей 151
4.2.6 Результаты контроля качества и эффективности обучения 151
4.2.7 Вьшисление показателей удовлетворенности заказчиков
4.3 Структура и функции АСМКОУ 153
4.4 Управление БД «Структура образовательного учреждения и сопровождение УП» 156
4.4.1 Работа с БД на основе визуального редактора IBExpert
4.4.2 Работа с данными в АСМКОУ 165
4.5 Оценка уровня знаний слушателей на основе комплекса автоматизированных тестовых программ 181
4.6 Оценка оперативности обработки информации в АСМКОУ 185
4.7 Результаты и выводы по главе 186
Заключение 188
Список основных публикаций 190
- Проверка адекватности модели прогноза
- Представление временного ряда в виде математической модели
- Интеграция разнородных источников данных
- Вьшисление показателей удовлетворенности заказчиков
Проверка адекватности модели прогноза
Образование играет значительную роль в модернизации общества и экономики. Без конкурентоспособного образования переход к инновационной экономике невозможен [31]. От уровня образования напрямую зависит качество трудовых ресурсов, что вызывает большой интерес исследователей к проблеме повышения качества и конкурентоспособности образования. Необходимость в принятии решений обусловлена влиянием внешней среды, под действием которого образовательное учреждение вынуждено приспосабливаться к ним с помощью обратных связей, содержащих информацию о состоянии объекта управления (ситуации) в виде отклонений параметров управления от целей.
На принятие решений может оказывать влияние совокупность стратегических, тактических и оперативных целей [81].
Под целью {критерием оптимальности, целевой функцией) будем понимать тот конечный результат, который необходимо получить путем выбора и реализации тех или иных управляющих воздействий на исследуемую систему [20]. Другими словами, целевая функция - это количественная мера оценки качества принимаемого решения [22].
В производственно-коммерческой сфере цель, как правило, заключается в том, чтобы максимизировать прибыль либо минимизировать расходы ресурсов или отходы производства [78]. В сфере некоммерческих услуг, например, в здравоохранении, стремятся к достижению высокого уровня обслуживания. Однако эта цель не может рассматриваться вне связи с соответствующими эксплуатационными расходами [16]. Помимо выявления индивидуальных целей необходимо правильно выбрать общую цель, приемлемую подавляющему большинству заинтересованных лиц. Так, например, рассмотрим отделы промышленной фирмы: производственный и сбыта [54]. Имея одну общую цель (увеличения прибыли), отдел сбыта стремится к увеличению уровня складских запасов, чтобы в любое время можно было удовлетворить спрос. В тоже время, производственный отдел стремится к снижению текущего уровня складских запасов, так как из-за полной загруженности складских помещений выпускаемую продукцию придется хранить в производственных помещениях. Удовлетворить противоречивым требованиям этих отделов невозможно, поэтому встает вопрос о компромиссном варианте, который, прежде всего, должен соответствовать интересам фирмы в целом. Многие задачи вообще не удается охарактеризовать единственной целевой функцией. Тогда в оптимизационной задаче появляется несколько разнородных критериев (многокритериальные задачи) [20].
Задача управления состоит в ликвидации противоречия, которое возникает между фактическим и желаемым (описываемым целью) состояниями объекта управления. Управление описывается взаимосвязью цель - решение, которая может быть неоднозначной из-за многообразия путей, ведущих к одной и той же цели [123].
Управленческое решение (УР) - оценка в реальном времени разных возможностей достижения цели. В современной экономической литературе понятие «решение» трактуется неоднозначно как [123]: процесс (интервал времени разработки и применения решения); акт выбора (учет определенных правил при принятии решения); результат выбора (выбранная альтернатива с учетом цели и предпочтений лица, принимающего решение (ЛПР)); детерминанта деятельности (форма решения, представленная либо целями, либо нормами, либо оценками) [9].
Для анализа комплексных взаимосвязей между различными УР в иерархической системе организации, которая включает большое число ЛПР, используется типология УР [135]: объектовое решение - предварительное решение об объектных альтернативах при составлении глобальных планов на будущее или решение предпринимателя об объеме выпуска, цене продукции; организационное решение - выбор мероприятий по управлению внедре ниєм УР; коммуникационное решение - решение о передаче определенной информации члену организации, который не связан по иерархической лестнице с носителем информации. Подробная классификация УР по различным признакам представлена на рисунке 1.1.
Классификация УР Запрограммированные успешные УР анализируются, копируются и тиражируются менеджерами, превращаясь в привычные шаблоны организационного поведения и общепринятые нормы управления, которые затем переходят в категорию обязательных правил, играющих роль оценочных критериев. Под влиянием стереотипов исключается творческий подход и управление не только теряет аддитивные свойства, но и результативность, так как чужие модели управления уникальны и не обладают свойством универсальности [129]. О.П. Уманец выделил следующие причины снижения эффективности управления: 1) заграничное происхождение шаблонов без адаптации к российской практике управления; 2) упрощенное применение шаблонов, заключающееся в простом копировании моделей управления, без анализа и модификации; 3) сложность использования не универсальных готовых моделей, не имеющих статус закономерности. Универсальность модели управления достигается при: изучении существенных свойств объекта управления, учете внешних возмущающих факторов, использовании общих принципов построения, что обеспечивает инвариантность действия алгоритмов управления [133].
Представление временного ряда в виде математической модели
Как было отмечено в первой главе, существует большое количество способов классифицировать онтологии. Предполагаемая область применения и цель создания могут влиять на её объём и содержимое [5]. Немаловажным является ответ на вопрос, какую пользу может принести разработка и дальнейшее использование онтологии при решении поставленной задачи.
Во-первых, для того чтобы разработать сложную многоуровневую автоматизированную систему менеджмента качества образовательного учреждения (АСМКОУ) необходимо четко определить: структуру рассматриваемой ПрО [98, 133], взаимосвязь между компонентами системы, а также полноту информационной базы [80, 141].
Во-вторых, онтология нужна в экономическом плане: для сокращения затрат на разработку программного обеспечения (ПО) и интеграцию данных.
Для достижения перечисленных задач на основе редактора Protege 4.2 была разработана онтология ПрО, которая позволила структурировать и описать знания предметной области - ИДПО ИрГУПС и УЦ «Профиль». Protege 4.2 - это локальная, свободно распространяемая Java-программа, основанная на фреймовой модели представления данных (Open Knowledge Base Connectivity). С помощью Protege можно создавать, редактировать, просматривать, а также адаптировать онто логии под разные форматы данных: стандартный текстовый; языков XML, RDF(S), OWL и др. В Protege 4.2 описание понятий, конкретных объектов ПрО изначально происходит на языке OWL. Данный редактор онтологии имеет бога тый набор операторов - например, пересечение, объединение и отрицание; осно ван на логической модели данных, позволяющей создавать определения, которые соответствуют неформальному описанию [5, 6]. Следовательно, определения сложных понятий могут быть построены на определениях более простых понятий. Кроме того логическая модель позволяет использовать рассуждения, способные проверять взаимную согласованность утверждений и определений в онтологии, а также соответствие концепций заданным определениям [30]. В данной диссертационной работе онтология описывает понятия ПрО и отношения, которые существуют между ними, на основе языка OWL.
Выбор языка описания онтологической модели знаний УЗ ДПО Языки, о которых пойдет речь, являются основными языками СС, суть которой была отмечена в обзорной главе в разделе 1.3.1.
Созданная в диссертационной работе онтология кодируется на языке OWL, который фактически является надстройкой над RDF/RDFS и поддерживает эффективное представление онтологии в терминах классов и свойств, обеспечение простых логических проверок целостности онтологии, а также объединение онтологии. RDF - это простой, но мощный язык описания ресурсов (сети Internet) и связанных с ними метаданных, которые имеют форму имени и набора параметров: ресурс (объект) - атрибут (свойство) - значение (некоторое значение из диапазона значений атрибута данного объекта) [52].
Специфика RDF опирается на более ранние стандарты, лежащие в основе Web: Unicode; URI (Uniform Resource Identifier); XML и XML Shema - для структурирования, обмена информацией и хранения RDF (XML синтаксис RDF).
Базовой структурной единицей RDF является триплет «Субъект - Предикат - Объект», который называется RDF-графом. В качестве вершин выступают субъекты и объекты, а в качестве дуг - предикаты (см. рисунок 3.1) [109].
Такие описания на каждом иерархическом уровне в онтологии ПрО поддерживают отношение типа иерархии: ISA (быть элементом класса); POW (part of while - часть - целое);
АКО (a kind of- вид - род) и др., обеспечивающее его разбиение на попарно непересекающиеся классы. Этот случай соответствует специальному подклассу онтологии, называемых простыми таксономиями [104].
RDFS (RDF Schema) является семантическим расширением RDF - механизмом для описания групп связанных ресурсов (классов) и отношений между ними. Система классов и свойств языка описания RDF-словарей похожа на систему типов объектно-ориентированного программирования (ООП), например языка Java. Свойства в RDF определяются как пары (домен, диапазон), где домен - некоторое множество классов, а диапазон определяет допустимое множество ресурсов - значений свойства [52]. Если сравнивать с языком Java, то в нем определение класса имеет законченную форму (его свойства выражаются в полях и методах класса), а в RDF, наоборот, описание класса всегда остается открытым (набор свойств класса определяется вне самого класса). Так, например, RDF - тройка представленная на рисунке 3.2 может быть описана на языке Java (см. таблицу 3.1). семантику. Основное преимущество такого подхода - легкая расширяемость: в RDF изменение свойств интуитивно проще, чем управление множеством классов, обладающих каждым своим индивидуальным набором свойств как Java (в объектно-ориентированном программировании).
Интеграция разнородных источников данных
С целью снижения временных затрат при мониторинге и сопровождении УП, повышения эффективности и оптимизации процессов, протекающих в ИДПО и УЦ «Профиль» авторами разработана АСМКОУ. На рисунке 4.7 представлена структурная схема АСМКОУ, на которую получено свидетельство государственной регистрации № 2012613589 [99].
Функциональные возможности АСМКОУ:
1. Хранение, структуризация необходимой информации в единой БД, спроектированной на основе IBExpert. Управление БД с помощью FirebirdSQL 2.1 (реляционной свободно распространяемой СУБД).
2. Формализация данных по категориям информационных потоков УЗ на основе онтологической модели ПрО, разработанной в редакторе Protege 4.2, а также трансляцию с одного языка описания онтологии в другой.
3. Оформление заявок на обучение от организаций-заказчиков, формирование шаблонов, таблиц и справочников (документооборот). Сортировка и поиск данных.
4. Автоматический расчет среднего балла успеваемости слушателей, коэффициента эффективности обучения, показателей удовлетворенности заказчиков.
5. Экспорт таблиц, справочников и отчетов, с которыми работает пользователь в Microsoft Office Word (MS Word), а также импорт шаблонов заявлений и заявок на обучение из MS Word.
6. Автоматизированный контроль за соблюдением сроков аттестации слушателей, рассылку на электронную почту заказчиков уведомления и шаблона заявки на обучение по истечению срока аттестации слушателя.
7. Промежуточный контроль знаний слушателей на основе автоматизированного комплекса тестовых заданий, разработанного в редакторе «MyTestX», а также обработку и хранение результатов тестирования слушателей.
8. Работа обучающего программного модуля по специальности «Стропальщик» для определения грузоподъемности крана стрелового типа.
Функциональные возможности АСМКОУ соответствуют предъявленным требованиям руководства и сотрудников УЗ ДПО.
Информационная система работает в клиент/серверной архитектуре, главное достоинство которой - распределенная обработка данных. Физически клиент и сервер - это ПО, которые взаимодействуют через компьютерную сеть на основе сетевых протоколов и находятся на разных вычислительных машинах (или на од 154 ной) [119]. Серверная часть приложения обеспечивает хранение данных и их обработку, а клиентская часть передает серверу соответствующие запросы.
Поскольку организационная структура этих УЗ ДПО схожа, было решено с целью минимизации затрат, времени на разработку и внедрение АСМКОУ, обеспечивающей пользователям удобный интерфейс работы с данными, сформировать БД идентичные по структуре, но различные по информационному наполнению, описывающему область знаний соответствующих УЗ ДПО.
Глядя на модель данных, видно, что вся информация логически систематизирована, структурирована и хранится в виде логических таблиц с уникальными записями, что характерно для реляционных БД [96, 117]. Наличие реляционной алгебры позволяет реализовать декларативное программирование и описание ограничений целостности в дополнение к процедурному программированию и проверке условий, а хорошо структурированная область знаний обеспечивает воз 156 можность эффективного поиска и обработки необходимых данных в вычисли тельной системе.
Управлять данными БД, наполняющими таблицы и справочники, возможно как с помощью АСМКОУ, так и средствами СУБД FirebirdSQL 2.1 совместно с графическим пользовательским интерфейсом IBExpert.
IBExpert обладает компонентами, облегчающими работу: визуальный редактор для всех объектов БД, редактор SQL и исполнитель скриптов, отладчик для хранимых процедур и триггеров, построитель области, инструмент для импорта данных из различных источников, а также дизайнер баз данных. Основными достоинствами IBExpert являются: возможность одновременной работы с несколькими БД; мощный SQL редактор с историей запросов и автозавершением кода; поиск в метаданных, а также полное и частичное извлечение данных и метаданных, формирование отчетов по метаданным; анализатор зависимостей объектов БД; экспорт данных в различные форматы [145].
Для управления БД использовалась кроссплатформенная, реляционная СУБД FirebirdSQL 2.1, которая является полностью свободной от лицензионных отчислений даже для коммерческого использования. В качестве преимуществ Firebird можно отметить многоверсионную архитектуру, обеспечивающую параллельную обработку оперативных и аналитических запросов; соответствие требованиям атомарности, целостности, изоляции и надёжности транзакций; компактность; высокую эффективность и мощную языковую поддержку для хранимых процедур и триггеров J_l51].
Чтобы начать работу с данными, необходимо установить связь с сервером БД. После того, как соединение будет установлено, в окне редактора раскроется дерево объектов, отображающее таблиц и справочники, наполняющие БД (см. рисунки 4.11-4.25).
Дерево объектов БД «Структура образовательного учреждения и сопровождение учебного процесса» представлено на рисунке 4.10.
Заявки на обучение в УЦ «Профиль» могут поступать от: физических лиц или сторонних организаций (см. рисунок 4.11) с целью повышения квалификации или переподготовки по рабочим профессиям, а также для подготовки специалистов по направлению обучения «Общие требования промышленной безопасности». Список возможных причин, по которым физическое лицо или организация подали заявку на обучение перечислен в справочнике «Причина» (см. рисунок 4.12).
Вьшисление показателей удовлетворенности заказчиков
На рисунке 4.37 представлен модуль «Сроки аттестации», предоставляющий возможность автоматизированной рассылки на электронную почту руководителей (ответственным за формирование заявок) предприятий - заказчиков: уведомления об истечении сроков аттестации слушателей, шаблона заявления, бланка заявки на обучение и сводной таблицы с данными о периодичности аттестации по направлениям подготовки, которые можно освоить в УЗ ДПО. №п/п D Длите л ьн ость 3 Слушатель Александров V E-mail sroykom (_Bmail.ru Организация СтройКон V Специальность химия, нефтехимия v Дата получения документа 12,09,2010 V Завершение срока аттестации 12.09.2013 04.11.2014 Mw /ОК J[_ Close Аттестация SMTP
Алгоритм работы в модуле «Сроки аттестации» При необходимости пользователь АСМКОУ может самостоятельно отправить уведомление об окончании сроков аттестации слушателей, нажав на кнопку «SMTP» (Simple Mail Transfer Protocol). Помимо всего прочего пользователь может добавлять, изменять или удалять данные БД, наполняющие таблицу «TABLESERTIFICATION».
Электронное письмо с уведомлением об окончании сроков аттестации слушателей УЦ «Профиль»
Автоматизированная рассылка уведомлений по истечению сроков аттестации слушателей на электронную почту заказчиков позволяет повысить конкурентоспособность ИДПО. Это объясняется тем, что сохраняется обратная связь с заказчиком, позволяющая привлечь новых слушателей и тех, кто уже обучался в ИДПО.
Главное меню АСМКОУ помимо навигации по модулям, включающим в себя таблицы с данными, необходимыми для сопровождения УП, содержит вкладку «Отчеты», в которых предусмотрен ввод, изменение и удаление данных из таблиц пользователем самостоятельно, после чего выполняется автоматическая запись изменений в БД. На рисунке 4.39 представлен алгоритм работы модуля «Отчет по качеству подготовки специалистов».
При выборе пользователем вкладки «Отчёт», отобразится список возможных отчетов:
«Удовлетворенность заказчика» (см. рисунок 4.41), включающий таблицу с результатами опроса руководителей об их удовлетворенности по трем показателям: оперативность, качество подготовки специалистов и удовлетворенность слушателей (см. таблицу 4.4 в разделе 4.2). Средние баллы по трем перечисленным показателям рассчитываются автоматически в данном модуле.
Данный программный модуль содержит: списки слушателей и организаций, показатели начального и конечного уровней знаний, коэффициенты эффективности обучения слушателей, рассчитанные автоматически по предложенному автором математическому выражению 4.7 (раздел 4.2) в форме «Изменить отчет по качеству», а также средний балл эффективности обучения, который рассчитывается автоматически при нажатии на кнопку «Средний балл» [98].
Для осуществления объективной оценки уровня знаний слушателя, а также с целью снижения трудоемкости, времени и избавления от бумажной волокиты на проведение первичного и вторичного анкетирований, обработку и анализ полученных результатов был разработан комплекс автоматизированных тестовых программ в редакторе MyTestX [ДонНТУ_2012]. На рисунке 4.43 приведен пример формирования тестового задания в редакторе MyTestEditor [108].
Варианты заданий теста автоматизированного контроля знаний могут быть различных типов: выборка одного ответа, сопоставление вариантов ответов, множественная выборка, расстановка последовательности (порядка), ручной ввод правильного ответа [112].
Прежде чем начать прохождение теста в MyTestStudent, слушатель должен зарегистрироваться (это позволит сохранить полученные результаты тестирования под конкретным человеком). После чего осуществляется сам процесс оценки знаний учащегося. На рисунке 4.44 приведен пример прохождения теста.
Рисунок АЛА- Пример работы в программе тестирования После того, как слушатель ответит на все вопросы за отведенное время, программа автоматически выведет результат тестирования на экран, что позволит сразу проанализировать полученный результат [118]. Цена ответа на вопрос устанавливается в процессе создания комплекса тестовых программ. Тесты автоматизированного контроля знаний позволяют: адекватно и точно определять уровень знаний, полученных слушателями за период обучения, по пятибалльной шкале, а также в процентном соотношении, которое отображается на круговой диаграмме; автоматически получать результат пройденного теста, что значительно ускоряет процесс анализа знаний, полученных учащимся в процессе обучения; упрощать составление и редактирование теста, формировать разные типы тестовых заданий; изменять условия прохождения тестирования (обучающий, штрафной, свободный режимы); последовательность заданий, а также их объединение в группы по тематике; автоматически сохранять результаты пройденного теста. Результаты тестирования хранятся в БД [112].
Непосредственно для оценки знаний слушателей по специальности «Стропальщик» был разработан модуль определения грузоподъёмности крана, блок-схема алгоритма работы которого представлена на рисунке 4.45 [112].
Для оценки грузоподъемности крана были введены такие показатели как: грузоподъемность Q, вылет L, опрокидывающий момент Мопр, грузовой момент Мгр.
Грузоподъемность Q - максимальная масса груза, на подъём и перемещение которой кран рассчитан в заданных условиях эксплуатации. В величину грузоподъемности включается масса съёмных грузовых приспособлений и тары, используемых для перемещения груза.