Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ задач информационного обеспечения управления вузом 10
1.1 Анализ информации, необходимой при управлении вузом 10
1.2 Анализ существующих задач информационного обеспечения управления вузом 16
1.3 Анализ существующих систем информационной поддержки управления вузом 20
1.4 Цель и задачи исследования 29
Глава 2. Разработка методов совместной обработки пространственной, атрибутивной и мультимедийной информации при управлении вузом 33
2.1 Совместная обработка разнотипной информации при информационной поддержке управления вузом 33
2.2 Разработка метода совместного описания разнотипной информации (пространственной, атрибутивной, мультимедийной), необходимой при управлении вузом 38
2.3 Разработка метода оптимизации размещения технических средств для получения информации об объектах и событиях на территории вуза 49
Глава 3. Разработка программных средств для информационной поддержки управления вузом 55
3.1 Разработка функциональной модели применения разнотипной информации при управлении вузом 55
3.2. Разработка информационной модели применения разнотипной информации при управлении вузом 61
3.3. Разработка алгоритмов использования разнотипной информации для решения некоторых задач управления вузом 69
Глава 4. Внедрение и анализ эффективности программного обеспечения для информационной поддержки управления вузом 78
4.1 Реализация программного обеспечения обработки разнотипной информации на основе геоинформационных технологий 78
4.2 Результаты внедрения комплекса разработанных программ для информационной поддержки управления вузом 86
4.3 Анализ эффективности применения специального программного обеспечения обработки разнотипной информации для управления вузом на основе ГИС 94
Заключение 107
Список литературы 109
Приложение
- Анализ существующих задач информационного обеспечения управления вузом
- Разработка метода совместного описания разнотипной информации (пространственной, атрибутивной, мультимедийной), необходимой при управлении вузом
- Разработка информационной модели применения разнотипной информации при управлении вузом
- Результаты внедрения комплекса разработанных программ для информационной поддержки управления вузом
Введение к работе
Актуальность работы
Современное высшее учебное заведение (вуз) является крупной организацией, осуществляющей различные виды деятельности (обучение, научно-исследовательская работа, хозяйственная и административная деятельность и др.) и обладающей большим количеством подразделений, территориально расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Поэтому при управлении различными видами деятельности вуза возникает необходимость получения, хранения и обработки больших объемов разнотипной информации: пространственной (карты, схемы, планы вузгородка, студгородка, баз отдыха, филиалов и представительств вуза), атрибутивной (данные подразделений вуза по учебной, научной, контрактной деятельности), мультимедийной (видеоданные, фотоизображения, звукозаписи событий и объектов на территории вуза) и др. Применение для этого технологий геоинформационных систем (ГИС) позволит повысить эффективность управления вузом за счет предоставления руководству, сотрудникам вуза и внешним организациям, заинтересованным в совместной деятельности, максимально открытый и наглядный доступ к информации о различных сторонах деятельности вуза, позволит охватить различные стороны жизнедеятельности вуза. Большое значение так же имеет улучшение информационной поддержки руководства вуза, которая за счет повышения точности, достоверности и оперативности предоставлении различных видов информации, позволит повысить эффективность всех видов деятельности вуза, в особенности при решении задач административно-хозяйственного характера и обеспечении безопасности.
Вопросам разработки систем информационного обеспечения управления крупными пространственно распределенными организациями в различных отраслях, в том числе для управления вузом, посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в частности работы В. И. Васильева, С. Н. Васильева, Б. Г. Ильясова, Л. А. Исмагиловой, Ю. Г. Котикова, В. Г. Крымского, Г. Г. Куликова, Д. А. Новикова, Т. Н. Пятковской, Л. Р. Черняховской, Н. И. Юсуповой, М. Н. ДеМерса, Ф. Лиса, Р. Томлинсона и др., однако в них вопросам совместного описания и обработки разнотипной: пространственной, атрибутивной и мультимедийной информации о техническом состоянии организаций с использованием технологий ГИС, уделялось недостаточно внимания.
Цели и задачи исследования
Целью данной работы является повышение эффективности информационного обеспечения управления вузом на основе методов, алгоритмов и программного обеспечения комплексной обработки разнотипной информации (пространственной, атрибутивной, мультимедийной) с использованием ГИС-технологий.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
Разработать метод совместного описания разнотипной (пространственной, атрибутивной, мультимедийной) информации о техническом состоянии вуза на основе ГИС-технологий.
Разработать метод оптимизации размещения технических средств и сопутствующей инженерной инфраструктуры обеспечения безопасности для получения информации об объектах и событиях на территории вуза.
Разработать функциональную и информационную модели применения разнотипной информации о техническом состоянии вуза для информационной поддержки управления.
Разработать алгоритмы и программное обеспечение комплексной обработки разнотипной информации о техническом состоянии вуза для информационной поддержки управления.
Научная новизна
Научная новизна работы содержится в следующих результатах:
Разработан метод совместного описания разнотипной информации (пространственной, атрибутивной, мультимедийной) о техническом состоянии вуза, основанный на формализации представления объектов инженерной инфраструктуры, который позволяет в единой математической форме описать объекты инженерных сетей, в том числе сети видеонаблюдения, зоны обзора, препятствия; реализовать на основе данного метода алгоритмы построения зон обзора камер видеонаблюдения, наведения камер видеонаблюдения на определенные объекты, что позволит повысить уровень безопасности, оперативность предоставления информации для поддержки принятия решений при управлении вузом.
Разработан метод оптимизации размещения технических средств, инженерной инфраструктуры для получения информации об объектах и событиях на территории вуза, основанный на совместном описании объектов и средств наблюдения, объединенных в единую сеть инженерной инфраструктуры, что позволяет разрабатывать варианты размещения, инженерного оборудования, которые служат для информационной поддержки при решении задач управления инженерной инфраструктурой.
Разработаны информационная и функциональная модели применения разнотипной информации о техническом состоянии вуза, основанные на методах структурного анализа и проектирования информационных систем (SADT), которые служат основой разработки базы данных ГИС вуза и специализированного ПО информационной поддержки управления вузом: решения задач обеспечения безопасности, работы с инженерной инфраструктурой.
Практическая значимость
Результаты исследований в виде метода совместного описания разнотипной информации об объектах вуза и метода анализа размещения технических средств, инженерной инфраструктуры для получения информации о событиях и объектах на территории вуза, информационная и функциональные модели, алгоритмы применения разнотипной информации для информаци-
онной поддержки управления вузом использовались при разработке геоинформационной системы Уфимского государственного авиационного технического университета (ГИС УГАТУ) и позволяют автоматизировать работу с пространственной, атрибутивной и мультимедийной информацией университета (свидетельство об официальной регистрации базы данных № 2006620297 от 20.09.2006 и свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2006612853 от 10.08.2006, № 2007612905 от 05.07.2007, № 2008613934 от 18.08.2008, № 2008615409 от 13.10.2008).
Методика исследования
В работе использовались методы теории управления, структурного анализа и проектирования информационных систем (SADT), методы математического и геоинформационного моделирования, многомерной геометрии, организации баз пространственных данных и принципы объектно-ориентированного программирования.
На защиту выносятся
Метод совместного описания разнотипной (пространственной, атрибутивной, мультимедийной) информации о техническом состоянии, вуза на основе ГИС-технологий.
Метод оптимизации размещения технических средств и сопутствующей инженерной инфраструктуры обеспечения безопасности для получения информации об объектах и событиях на территории вуза.
3. Информационная модель использования разнотипной информации
при управлении вузом.
4. Алгоритмы и разработанное специальное программное обеспечение
для использования разнотипной информации о техническом состоянии вуза.
Апробация работы
Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на следующих конференциях, форумах и семинарах: «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT'2006-2008), 3-я всероссийская конференция «Геоинформационные технологии в муниципальном управлении» (Уфа, 2009), ежегодная конференция пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS, (Голицыне, 2009), «Организация территорий: статика, динамика, управление»: V Всероссийская научно-практическая конференция (Уфа, 2008), Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютов-ские чтения» (Уфа, 2008), «Проблемы совершенствования подготовки Неспециалистов в высшей школе на основе требований рынка» (Уфа, 2007), Региональная зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2007-2009).
Публикации
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 23 источниках, включающих статью в издании, выпускаемом в Российской Федерации (РФ) в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ, 7 материалах конференций и семинаров, 6 свидетельств о регистрации программ и баз данных, 9 статей в сборниках.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, библиографического списка из 126 наименований и 3 приложений. Работа содержит 118 страниц машинописного текста, включая 38 рисунков и 3 таблицы.
Анализ существующих задач информационного обеспечения управления вузом
Рассматривая информационное обеспечение с точки зрения потребности управления вузом можно выделить следующие характерные задачи [26, 39]: 1) систематизация, интеграция и верификация всей пространственной информации об объектах университета; a) учет и планирование ремонта зданий, сооружений, инженерных коммуникаций; b) планирование строительства новых и реконструкции существующих объектов; c) создание трехмерных моделей зданий и сооружений для повышения качества предоставляемой информации о пространственном размещении объектов университета различным категориям пользователей; 2) комплексное обеспечение безопасности деятельности вуза; a) информационная поддержка деятельности по поддержанию безопасности вуза, в том числе с привлечением средств видеонаблюдения за территорией вуза; b) разработка ситуационных планов при возникновении пожаров, эвакуации людей, возникновении внештатных ситуаций техногенного, социального характера, при опасности террористических актов; c) разработка паспортов безопасности объектов университета; 3) инвентаризация и контроль расположения имущества, оборудования, техники университета; a) оптимизация размещения различных объектов на определённой территории; b) учет оборудования и техники университета в соответствии с их местоположением; 4) информационная поддержка учебного процесса; a) составление расписаний занятий; b) делопроизводство и документооборот подразделений вуза; 5) информационное обеспечение проведения научно-исследовательских работ; a) деятельности аспирантуры, докторантуры; b) характер и распределение международных и всероссийских научных работ с участием вуза; 6) информационная поддержка финансовой и юридической деятельности вуза. a) ведение бухгалтерского учета; b) закупки оборудования и техники для подразделения вуза; c) анализ эффективности деятельности вуза. Задача систематизации, интеграции и верификации всей пространственной информации об объектах вуза является основополагающей при разработке ГИС, так как учет размещения оборудования, техники, зданий и сооружений с сопутствующей инженерной инфраструктурой является основополагающим для эффективного управления столь крупной организацией.
Важно отметить наличие взаимосвязей между пространственными объектами, учет которых на основе топологической корректности позволяет существенно расширить круг решаемых средствами ГИС задач. К примеру, при проведении ремонтных работ на линиях теплоснабжения или водопровода необходимо знать и учитывать размещение кабелей электроснабжения, телефона или информационных сетей, что бы избежать создания аварийной ситуации на других участках инженерных коммуникаций. Важнейшей задачей административно-хозяйственной части является учет материальных ценностей, контроль их расположения, так как невозможно обеспечить сохранность и работоспособность оборудования и техники, не зная условия их функционирования и расположения. Наглядно представить, визуализировать расположение материальных ценностей помогают в значительной степени трехмерные модели объектов управления вуза, так как наиболее близки для восприятия и понимания.
Создание трехмерных моделей становится возможным при наличии типологически корректной базы пространственных данных вуза, проектировании которой является первым шагом при разработке полнофункциональной ГИС вуза и рассматривается в последующих главах диссертационной работы. Одним из важнейших видов инженерных сетей, существенно влияющих на сохранность материальных ценностей, безопасность сотрудников и обучающихся вуза, является сеть видеонаблюдения вуза, важной задачей при работе с которой является учет обзора камер видеонаблюдения, оптимизация размещения оборудования и инженерной инфраструктуры, планирование действий при возникновении внештатных ситуаций. Задача обеспечения безопасности вуза непосредственно формирует основы социальной стабильности, а также является одним из важнейших факторов обеспечения деятельности вуза. Работа по данному направлению является важнейшим фактором профилактики правонарушений [40, 69, 73]. Развитие и совершенствование технических средств позволяют переосмыслить и выработать новые, более эффективные концепции по обеспечению безопасности столь крупной организации как вуз. Одним из самых эффективных и технологичных способов защиты населения при правонарушениях является обеспечение охвата системами видеонаблюдения как можно большей площади. Особенно актуально охранное телевидение в местах массового скопления и пребывания людей.
Разработка метода совместного описания разнотипной информации (пространственной, атрибутивной, мультимедийной), необходимой при управлении вузом
Одним из важнейших видов инженерных сетей, существенно влияющих на сохранность материальных ценностей, безопасность сотрудников и обучающихся вуза, является сеть видеонаблюдения вуза, важной задачей при работе с которой является учет обзора камер видеонаблюдения, оптимизация размещения оборудования и сопутствующей инженерной инфраструктуры, планирование действий при возникновении внештатных ситуаций. Рассмотрим совместное описание разнотипной информации на примере сети видеонаблюдения. В этом случае камера видеонаблюдения обладает не только пространственными характеристиками, но и характеризуется атрибутивной и мультимедийной информацией (см. рис. 2.2): к = (.Кпростр КатР » Кмулътим) - информация о камерах видеонаблюдения; К-прошр - совокупность пространственных данных, характеризующих пространственное размещение камеры, для упрощения описания рассмотрим двумерный случай; х , у - координаты расположения і-ой камеры на плоскости; р[, (р[ - горизонтальные углы обзора і-ой камеры; R m-m -минимальная дальность обзора і-ой камеры; max - максимальная дальность обзора і-ой камеры; Катр - атрибутивная информация, включающая параметры и характеристики видеокамер (разрешающая способность, требования по освещенности, питанию и др); К.чультим - фото- и видеоизображения, аудиоданные с камер видеонаблюдения. Введем понятие зоны видимости і-той камеры видеонаблюдения: под зоной видимости і-той камеры видеонаблюдения, расположенной в точке с координатами (л,-,у(), будем понимать множество Zi точек ( у,Уу), попадающих в полигон, ограниченный двумя прямыми линиями с углами наклона р[ и р12 и отстоящих от точки (х, , у,- ) на расстоянии меньше Rmax и больше R n. Рассмотрим варианты вхождения пространственных объектов в зону видимости камеры видеонаблюдения. Под объектом видеонаблюдения будем понимать любой материальный объект окружающего мира, который представляет интерес для наблюдения за его состоянием и поведением (человек, либо группа лиц, транспортные средства, имущественные или технические предметы вуза, здания, сооружения, входы и выходы с территории вуза), либо препятствия (пространственные объекты, представленные точками, линиями или полигонами, которые могут входить в зону видимости камеры видеонаблюдения и препятствовать её обзору). Такой подход позволяет с единых методологических позиций формально описать многообразие пространственных объектов, входящих в зону обзора камеры видеонаблюдения. Возможны ситуации, когда объект наблюдения входит или не входит в зону видимости камеры (см. рис 2.2). Сформулируем условие вхождения точечного объекта, расположенного в точке (Xj, у?) в зону видимости камеры видеонаблюдения, расположенной в точке (X , У; ) : Для этого воспользуемся известной из геометрии формулой прямой, проходящей через точку с координатами камеры видеонаблюдения и точку с координатами точечного объекта наблюдения: у = —к jx + yi у1 -у" Коэффициент — перед х характеризует угол наклона прямой X, -Х проходящей через точку с координатами камеры видеонаблюдения и точку с координатами точечного объекта наблюдения. Что бы определить может ли камера в точке (х{, у ) наблюдать объект в точке (х?, yj), необходимо, что бы угол наклона рассматриваемой прямой лежал между углами обзора камеры видеонаблюдения, и расстояние от камеры до объекта было меньше Рисунок 2.2 - Точечный объект «виден» камерой видеонаблюдения Д ах и больше R n (рис. 2.2).
Разработка информационной модели применения разнотипной информации при управлении вузом
Информационное моделирование представляет, прежде всего, анализ логической структуры информации об объектах системы. Эта логическая структура является необходимым дополнением функциональной модели, детализируя объекты которыми манипулируют функции системы. Для разработки информационных моделей в данной работе применялась методология IDEF1X. Методология IDEF1X представляет собой формализованный язык для семантического (контекстного) моделирования данных, основанный на концепции «Сущность-отношение» (Entity-Relationship). Это инструмент для анализа информационных структур систем различной природы. Сущность представляет множество реальных или абстрактных предметов (людей, объектов, мест, событий, состояний, идей, пар предметов и т.д.), обладающих общими атрибутами или характеристиками. Отношение - это связь между сущностями, при которой каждый экземпляр сущности, называемой родительской сущностью, ассоциирован с произвольным количеством экземпляров другой сущности, называемой сущностью-потомком, а каждый экземпляр сущности - потомка ассоциирован в точности с одним экземпляров сущности-родителя. С точки зрения БД (физическая модель) сущности соответствует таблица, экземпляру сущности - строка в таблице, а атрибуту - колонка таблицы. Построение модели данных предполагает определение сущностей и атрибутов, т.е. необходимо определить, какая информация будет храниться в конкретной сущности или атрибуте. Сущность можно определить как объект, событие или концепцию, информация о которой должна сохраняться. Поскольку деятельность столь крупной организации как университет носит многогранный и всесторонний характер, то для глубокого и детального формального описания информации, необходимой при создании ГИС вуза, были разработаны несколько информационных моделей. На приведенной выше структуре выделено семь блоков информации: 1) общегеографические данные: пространственная, атрибутивная информация о городе, кварталах, постройках вблизи зданий и сооружений университета, места остановок общественного транспорта - эта информация имеет большое значение при принятии управленческих решений относительно деятельности вуза, однако не имеет прямого отношения к подразделениям университета, поэтому имеет смысл классифицировать её как информацию общегеографического или общегородского значения; 2) административно-хозяйственная деятельность: этот блок информации содержит пространственную, атрибутивную информацию о зданиях, сооружениях вуза, их характеристиках, поэтажные планировки корпусов; 3) финансовая деятельность: в основном атрибутивные таблицы относительно стоимости активов вуза, экономической деятельности, однако важное значение здесь имеет пространственное распределение имущества, техники университета в привязке к подразделениям, зданиям и помещениям университета; 4) учебная деятельность: информация о выпускающих кафедрах, факультетах, студенческих группах и расписании занятий, связь с пространственными данными имеет большое значение для планирования расписания занятий, при организации и реорганизации существующих и новых учебных аудиторий, лабораторий; 5) обеспечение безопасности: пространственные данные о маршрутах эвакуации, размещении пожарной и охранной сигнализаций, технических средств видеонаблюдения, зонах обзора камер наблюдения и примыкающей к ним инженерной инфраструктуре, здесь же находится и мультимедийная составляющая в виде аудиоданных и видеоданных с камер видеонаблюдения; 6) научно-исследовательская деятельность: пространственная информация о распределении научных связей в совокупности с атрибутивными данными о характере научных исследований, сотрудничестве с другими образовательными учреждениями, данные о докторантуре, аспирантуре; 7) инженерные коммуникации: информация о размещении объектов инженерной инфраструктуры, датах и сроках проведения ремонтных работ, как плановых, так и аварийных, технические характеристики элементов водопроводной сети, канализации, теплотрассы, линий электропередач. Укрупненная информационная модель использования разнотипной информации при управлении вузом приведена на рис. 3.6. Важно учитывать, что при .рассмотрении задач управления вузом происходит взаимодействие пространственной, атрибутивной и мультимедийной информации различных блоков. Например, при планировании размещения технических средств видеонаблюдения, информация о которых непосредственно входит в блок «Обеспечение безопасности», необходимо рассматривать информацию о видеокамерах, местах их размещения, видеозаписях, а так же инженерной инфраструктуры из блока информации «Инженерные коммуникации». Так же может понадобиться информация по ценовым и качественным характеристикам системы видеонаблюдения и инженерной инфраструктуры, учебной деятельности - о местах наибольшего скопления обучающихся, маршрутах движения по территории вуза.
Результаты внедрения комплекса разработанных программ для информационной поддержки управления вузом
Инструментальная поддержка геоинформационной системы УГАТУ состоит из основного меню, панели инструментов, специально разработанных панелей и главного окна подробной карты. Главное окно подробной карты содержит многослойную электронную карту, отображение которой начинается с карты мира, в выбранном масштабе и с заданной тематической нагрузкой. Слева приведены условные обозначения каждого слоя, и переключатель его отображения. Переключение между слоями в окне можно производить вручную. В окне слоев можно увидеть, какие из них подключены, а какие отключены. Это дает возможность управлять электронной картой по усмотрению пользователя, то есть отключать те слои, которые не используются при работе, чтобы не перегружать информацией и объектами карту. В окне подключения слоев, щелкнув левой кнопкой мыши по вкладке "Источник", можно увидеть путь к папкам, в которых хранятся слои. При подключении карты можно задать тематическую нагрузку, которая позволит выключить все покрытия, например, показать только филиалы на карте РБ или добавить дороги к населенным пунктам, добавить реки, озера, или показать все покрытия. Так же в настройках каждого покрытия указан максимальный масштаб, при котором его объекты будут отображаться в окне подробной карты - так называемая генерализация пространственных данных. Это значит, что при большом масштабе на карте не будут показаны небольшие для этого масштаба объекты (например, мелкие реки на карте РБ, незначительные объекты на ГенПлане УГАТУ), даже если покрытие, содержащее их, активно. На рис. 4.5 представлена структура интерфейса геоинформационной системы УГАТУ. Выбрав раздел "Картография", пользователь может оперировать картами, схемами и чертежами различного масштаба, а также просматривать, получать и изменять дополнительную информацию по различным географическим и инженерно-техническим объектам. В разделе "Картография" доступны следующие пункты: 1) карта мира; 2) карта России; 3) карта республики Башкортостан; 4) карта Уфы; 5) вузгородок; 6) студгородок; 7) база отдыха "Агидель"; 8) база отдыха "Авиатор". Активация необходимых наборов картографических данных осуществляется при помощи программных макросов, которые включают соответствующий дата-фрейм и панели инструментов, активируют необходимые слои в данном фрейме, проверяют наличие необходимых панелей и переход по закладке к определенному заранее экстенту. При необходимости решения задач поиска, информационно -справочный задач происходит выбор пунктов из раздела "Меню поисков". Разработаны четыре возможности поиска: 1) поиск городов; 2) поиск деятельностей; 3) организации-сотрудники УГАТУ; 4) международное сотрудничество. Разработана возможность решения нескольких специальных задач: 1) поиск маршрутов по РБ; 2) учет занимаемых площадей; 3) информационно-справочная подсистема инженерных коммуникаций; 4) подсистема трехмерного моделирования, которая включает в себя и создание трехмерных моделей инженерных коммуникаций. Ниже приведены два рисунка с иллюстрацией пространственного распределения объектов УГАТУ по Республике Башкортостан, а также размещение объектов университета на карте города Уфы. (рис. 4.6 и 4.7)
