Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научно-методологические основы повышения эффективности процессов информатизации и автоматизации в сфере образования 22
1.1. Общемировые тенденции в развитии высшего образования 2 4
1.2. Основные проблемы и направления развития высшего образования в России 4 5
1.3. Основные проблемы и задачи информатизации. Разработка и внедрение оптимальных модульных диалоговых систем хранения и обработки данных в сфере образования 63
1.3.1. Проблемы внедрения информационных технологий в процесс обучения 64
1.3.2. Пути решения проблем в области информатизации образования 68
1.3.3. Информационные технологии в дистанционном обучении 7 2
1.3.4. Технологическая база обеспечения внедрения информационных технологий в образовательный процесс 77
Краткие выводы 90
Глава 2. Разработка методов типизации при анализе предметных областей пользователей баз данных автоматизированных информационных систем в сфере образования 91
2.1. Методы и CASE средства проектирования баз данных автоматизированных информационных систем 92
2.2. Методы построения обобщенной внешней модели и канонической структуры распределенной базы данных 125
2.3. Проектирование типовых и специфических сегментов данных, определение их характеристик 138
Краткие выводы 156
Глава 3. Особенности разработки и методы предпроектного анализа диалоговых систем в сфере образования 157
3.1. Классификация диалоговых систем 157
3.2. Особенности разработки модульных диалоговых автоматизированных систем в образовании 163
3.3. Представление и упорядочение сценариев диалога пользователей автоматизированных информационных систем в сфере образования 174
3.4. Методы формального анализа сценариев диалога в автоматизированных информационных системах в сфере образования 194
Краткие выводы 212
Глава 4. Задачи синтеза оптимальных типовых логических структур локальных и распределенных баз данных в автоматизированных информационных системах в сфере образования 213
4.1. Исходные данные и содержательная постановка задач синтеза 214
4.2. Синтез оптимальной логической структуры распределенных баз данных для системы проектирования с полной централизацией 221
4.3. Синтез оптимальной логической структуры распределенных баз данных с использованием системы проектирования с частичной централизацией 230
4.4. Синтез логических структур локальных баз данных в узлах вычислительной сети распределенных баз данных 234
4.5. Алгоритмы решения задач синтеза оптимальных логических структур распределенных баз данных 237
Краткие выводы 246
Глава 5. Синтез оптимальных модульных диалоговых систем обработки данных в автоматизированных информационных системах в сфере образования 24 9
5.1. Задача декомпозиции автоматизированной системы на подсистемы 250
5.2. Задачи синтеза структуры модульных диалоговых
систем на этапе технического проектирования 256
5.3. Динамические задачи синтеза структуры программного обеспечения модульных диалоговых систем 2 62
Краткие выводы 280
Глава 6. Автоматизированная информационная система в сфере образования 282
6.1. Функциональная структура автоматизированной информационной системы 283
6.2. Пример использования предложенных методов анализа и синтеза типовой логической структуры в подсистеме финансового 5 планирования АИС Тольяттинскои академии управления 306
6.3. Организация функционирования регионального центра «Финансовое управление консорциумом» АИС Тольяттинскои академии управления 317
6.4. Методика обоснования цен на информационные услуги внешним пользователям АИС Тольяттинскои
академии управления 327
Краткие выводы 337
Заключение 33 9
Литература 344
- Основные проблемы и направления развития высшего образования в России
- Методы построения обобщенной внешней модели и канонической структуры распределенной базы данных
- Особенности разработки модульных диалоговых автоматизированных систем в образовании
- Синтез оптимальной логической структуры распределенных баз данных для системы проектирования с полной централизацией
Введение к работе
Актуальность темы. Возрождение Российского государства, поворот к демократии, к рыночным отношениям к правам и свободам личности потребовали переосмысления государственной политики в области высшего образования.
Ее новое понимание закреплено в действующей Конституции России, законе Российской Федерации «Об образовании». По сути пересмотрена сама концепция развития отечественной системы высшего образования.
Однако новые принципы организационно-экономического функционирования средней и высшей школы, сформулированные в 1992 году в Законе об образовании, не были полностью реализованы на практике. В наибольшей степени их удалось реализовать в системе высшего образования, опираясь на потенциал влияния и традиции академической независимости вузов. В то же время в системе общего образования, а также в системах начального и среднего профессионального образования возобладали консервативные тенденции.
До сих пор в образовании не в полной мере действует конкурентный рынок, что существенно снижает эффективность общественных затрат на образование, приводит к потере ресурсов на пути к учебным заведениям. При этом потери ресурсов накладываются на резкое падение финансирования образования, обусловленное неблагоприятной макроэкономической ситуацией, недостаточным вниманием к процессу информатизации образования.
Модернизация государства, формирование гражданского общества требуют чтобы система образования формировала сознательного гражданина, эффективно участвующего в демократическом процессе преобразования социальной и экономической сферы страны, готового защищать ее от агрессии.
Для решения этой задачи приоритетными ориентирами для воспитания и образования личности становятся:
- создание открытого информационно-образовательного пространства, обеспечивающего легкость доступа к изучаемой информации и стимулирующего генерацию новых знаний;
- способность к самоорганизации, умение отстаивать свои права, участвовать в деятельности и создании общественных объединений;
-толерантность, терпимость к чужому мнению, умение вести диалог, искать и находить содержательные компромиссы;
-правовая культура, т.е. знание основополагающих правовых норм и умение использовать возможности правовой системы государства. Чтобы выполнить эти требования, необходимо обеспечить соответствие системы образования требованиям со стороны общества, государства и экономики при сохранении ее внутренней целостности и поддержании высоких академических стандартов.
В период перехода от индустриального общества к обществу информационному процессы создания и распространения знания становятся ключевыми. Эти процессы в сильной степени опираются на использование и развитие образовательной системы, направленной на освоение людьми новых социальных навыков и ролей, развития культуры социального поведения граждан с учетом открытости общества, его быстрой информатизации, роста динамики различных изменений. Таким образом, основным содержанием современного этапа развития является переход к обществу, в котором определяющая роль принадлежит информации и знаниям. Информация и знания становится стратегическим ресурсом. Инфраструктуру общества формируют способы и средства сбора, обработки, хранения и распределения информации. Информация, информационный фонд в условиях создания, функционирования и развития систем управления образованием являются главным источником не только воспитания образования, но и эффективного принятия решений в данной предметной области.
В этих условиях одной из характерных особенностей современного этапа научно-технического прогресса является широкое и интенсивное использование математических методов, средств информатики и вычислительной техники в системах образования. Разрабатывается, вводится в действие и модернизируется большое число автоматизированных информационных систем (АИС) в самых различных городах России и стран СНГ. Поэтому повышение качества и эффективности создаваемых систем, сокращение сроков и затрат на их разработку и внедрение являются важными народнохозяйственными задачами.
Эффективное использование вычислительной техники в системах управления образованием требует значительных трудозатрат на создание программного и информационного обеспечения соответствующих систем обработки данных. Одним из направлений повышения эффективности создаваемых в массовом масштабе систем является использование при их разработке формальных методов и моделей типового проектирования программного и информационного обеспечения современных диалоговых модульных систем обработки данных, начиная с анализа существующих систем управления и завершая разработкой и внедрением программного и информационного обеспечения этих систем.
Общее время и затраты на разработку диалоговых (интерактивных) систем с использованием методов и средств анализа и синтеза модульных АИС сокращаются в 2-5 раз в зависимости от их сложности.
Использование формальных моделей и методов анализа и синтеза диалоговых модульных АИС позволяет алгоритмизировать и автоматизировать технологию проектирования этих систем, предназначенных для решения прикладных задач обработки данных и управления в сфере образования.
Большие масштабы работ по созданию и внедрению АИС на базе современных вычислительных систем, необходимость разработки и развития теоретических основ, моделей и методов формализации и автоматизации этапов проектирования диалоговых модульных АИС в сфере образования, обусловливают высокую актуальность выполненных научных исследований.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка моделей, методов и инструментальных средств проектирования типовых логических структур баз данных и диалоговых информационных систем, внедрение которых в совокупности обеспечивает построение единого информационно-образовательного пространства Тольяттинской Академии Управления.
Методы исследования. Результтаты работы получены с использованием аппарата теории исследования операций, теории массового обслуживания, теории графов и оптимизации на сетях, теории структур данных, методов кластерного анализа и других разделов современной теории управления, а также практических и экспериментальных расчетов на ЭВМ.
Научная новизна. В результате проведенных исследований, анализа и обобщения тенденций развития АИС, опыта их проектирования и эксплуатации разработаны следующие теоретические положения и практические рекомендации.
На основе единой методологии и принципов модульности и типизации разработаны комплексный подход, методы формализации, модели и методы, алгоритмы и программы проектирования оптимальных диалоговых модульных АИС, обеспечивающие: формальный анализ технологии обработки данных с использованием графовых и матричных моделей; представление, упорядочение и анализ сценариев диалога; построение интегрированного сценария диалога в АИС в целом и определение основных его характеристик; синтез оптимальной функциональной структуры информационной диалоговой системы по критериям оптимизации, учитывающим эффективность дальнейшей разработки и внедрения системы: минимум суммарного числа информационных связей между выделяемыми элементами, минимум общего времени обмена с внешней памятью ЭВМ при обработке множества запросов пользователей к диалоговой информационной системе. Рассмотрены постановки динамических задач синтеза структуры программного обеспечения диалоговых систем, представленных в виде стохастической замкнутой сети средств массового обслуживания. В качестве показателей эффективности синтеза предложено использовать следующую совокупность критериев оптимизации: максимум общего числа обработанных запросов пользователей в единицу времени; минимум среднего времени ожидания запросом пользователя доступа к ресурсам системы; минимум среднего времени пребывания запроса пользователя в системе; минимум времени реакции диалоговой информационной системы на запросы пользователей к тематическим базам данных (ТБД).
Поставлена и решена задача выделения типовых сегментов данных при анализе предметных областей пользователей и разработке типовых структур локальных и распределенных баз данных в АИС, что позволяет получить более 50% экономии затрат при их разработке и эксплуатации.
Предложен метод оценки степени близости предметных областей пользователей и путей доступа к данным. Разработаны методы анализа моделей данных и требований пользователей, обеспечивающие выделение и определение характеристик типовых и специфических сегментов структуры информационного обеспечения распределенных АИС и предложена методика синтеза оптимальных типовых логических структур локальных и распределенных баз данных, основанная на реализации процесса поиска варианта отображения интегрированного графа канонической структуры РБД в логическую, обеспечивающего оптимальное значение критерия эффективности функционирования РБД в АИС и удовлетворяющего основным системным, сетевым и структурным ограничениям. Синтез типовой логический структуры осуществляется на основе определения типовых сегментов данных, представляющих собой множество подграфов интегрированного графа и обладающих совокупностью характеристик и параметров, определяющих способность к многократному использованию в составе различных логических структур локальных баз данных пользователей.
Поставлены задачи синтеза оптимальной типовой логической структуры РБД для систем проектирования с полной централизацией с использованием следующих общесистемных критериев: минимум суммарного времени выполнения множества запросов (заданий на корректировку); минимум суммарного времени выполнения «рабочей нагрузки» на заданном интервале времени; минимум суммарных затрат на хранение информации, реализацию множества запросов и заданий на корректировку хранимых данных. Рассмотрены также постановки минимаксных задач синтеза типовой логической структуры РБД.
Поставлены задачи синтеза оптимальных типовых логических структур РБД и локальных баз данных ее узлов для систем проектирования с частичной централизацией. Типовая логическая структура определяется путем решения разработчиком (центром) задачи оптимизации с целевой функцией, задаваемой на множестве типовых сегментов данных (ТСД), определяемом требуемым уровнем типовости. Логические структуры для узлов РБД синтезируются с использованием ТСД, не удовлетворяющих заданному уровню типовости, но необходимых для реализации задач обработки данных. В качестве системных, сетевых и структурных ограничений в задачах синтеза логических структур используются стоимость обработки множества запросов и корректировок, длина формируемой логической записи, количество типов формируемых записей, степень их дублирования, пропускная способность каналов связи и другие характеристики.
Разработаны алгоритмы решения основных задач синтеза оптимальной логической структуры, основанные на их сведении к обобщенной задаче размещения графов.
Рассмотрены постановка и решение задач выбора оптимальной типовой структуры распределенной БД АИС Тольяттинской Академии Управления.
Таким образом, основой предложенной методологии и комплексного подхода к созданию и развитию АИС в сфере образования является последовательное применение взаимосвязанных моделей, методов и алгоритмов, учитывающих особенности каждого этапа проектирования и эксплуатации программного и информационного обеспечения диалоговых модульных АИС, требования пользователей к информации, хранимой в базах данных, специфику предметной области и характеристики общесистемных программных и технических средств обработки данных, что обеспечивает существенное повышение эффективности и качества образования.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации методологический подход, модели и методы проектирования диалоговых распределенных АИС и типовых структур РБД позволяют оптимизировать структуру их информационного и программного обеспечения, сократить затраты и сроки создания таких систем в два-пять и более раз в зависимости от их состава и сложности, повысить эффективность и качество их функционирования за счет щ оптимизации проектных и эксплуатационных характеристик создаваемых систем, а также качество учебного процесса и его мониторинга. Кроме того, определение оптимального состава и структуры вычислительной сети массового обслуживания путем распределения функциональных модулей базы данных по ее узлам на 50% снизило общие затраты на эксплуатацию системы.
Предложенные методы, методики и инструментальные средства позволяют создавать эффективные структуры локальных и распределенных БД АИС. Использование предложенных методов, алгоритмов и программ автоматизации проектирования типовых структур распределенных БД позволило уменьшить приведенные общие затраты на разработку, внедрение, сопровождение и эксплуатацию БД в среднем в 2-3 раза. gf Указанные методы, методики, алгоритмы и инструментальные средства могут быть использованы при разработке типовых БД АИС, а также при разработке системы тематических БД в рамках работ по программе информатизации образования РФ и развития дистантного образования.
Внедрение. Эффективность разработанных в диссертации моделей и методов проектирования модульных диалоговых АИС jp подтверждена положительным опытом их применения в различных организациях. При непосредственном участии автора данные модели и методы были успешно использованы при разработке и внедрении:
1. Академия народного хозяйства при правительстве РФ (Москва); \/ 2. информационно системы в Тольяттинской Академии Управления (г. Тольятти); 3. Тольяттинский государственный университет (г. Тольятти); 4.Аудиторской компании "Консультант" (г. Самара).
Связь диссертационной работы с планами научных разработок. Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационными планами научных исследований РАН по приоритетному направлению 2.3.10.1. -«Теория построения распределенных и модульных автоматизированных информационно-управляющих систем», планами работ Министерства образования в области информатизации образовательного процесса, а также планами работ Тольяттинскои Академии Управления (г.Тольятти) в области развития различных форм образования.
Личный вклад. Все основные положения и результаты, вынесенные на защиту, получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ученом совете Тольяттинскои Академии Управления, на международных конференциях по проблемам управления безопасностью сложных систем, проблемам регионального и муниципального управления, теории активных систем и управления образованием.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 60 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 3 65 страниц машинописного текста, 25 рисунков, 43 таблицы, а также список литературы из 182 наименований.
Содержание работы. В первой главе на основе проведенного анализа общемировых и общероссийских тенденций в развитии высшего образования выявлен перечень перспективных направлений развития системы высшего образования, в том числе на региональном уровне.
Анализ особенностей развития и трансформации отечественного высшего образования позволил выявить ряд противоречий этого процесса и предложить совокупность целей, методов и средств их реализации, позволяющую модернизировать систему высшего образования России.
Анализируются также основные проблемы информатизации образования, в том числе определяются основные задачи разработки моделей, методов и методик анализа информационных требований пользователей и синтеза на этой основе структуры модульных диалоговых автоматизированных информационных систем, работающих в реальном масштабе времени, а также оптимальных структур распределенных баз данных в АИС. Ставится задача разработки диалоговой распределенной информационной системы реального времени (РВ) для Тольяттинской Академии Управления (АИС ТАУ).
Во второй главе на основе приведенного обзора существующих методов, средств, а также отечественных и зарубежных CASE-технологий анализа и синтеза типовых структур БД АИС, сформулированы требования, которым должны удовлетворять современные CASE-средства создания и сопровождения БД, а также методология их проектирования.
Ставится задача выделения типовых сегментов данных при анализе и разработке типовых структур локальных и распределенных баз данных в АИС, что позволяет получить более 50% экономии затрат при разработке и эксплуатации типовых АИС.
На основе предложенного метода оценки степени близости предметных областей пользователей и путей доступа к данным разработаны методы анализа моделей данных и требований пользователей, обеспечивающие, выделение и определение характеристик типовых и специфических сегментов структуры информационного обеспечения распределенных АИС.
В третьей главе рассматривается классификация диалоговых систем в АИС, вводится ряд терминов и определений, необходимых для формализации основных задач анализа и синтеза модульных диалоговых систем в сфере образования.
Описываются предложенные методы представления, упорядочения и анализа сценариев диалога, в которых схема решения каждой диалоговой задачи формируется в виде совокупности взаимосвязанных таблиц решений, однозначно определяющих граф сценария диалога.
Для определения основных характеристик сценариев диалога (условная вероятность завершения решения задачи в заданном узле; математическое ожидание и дисперсия значения времени завершения решения задачи в заданном узле графа и др.) используются методы основанные на анализе сетей специального вида (ГЕРТ-сетей).
Описывается совокупность взаимосвязанных моделей и методов, позволяющих на основе локальных сценариев диалога пользователей и их требований к характеристикам реализации диалога строить интегрированный упорядоченный граф сценария диалоговой системы в целом и оценить его основные характеристики.
В четвертой главе представлена предложенная методика синтеза оптимальных типовых логических структур локальных и распределенных баз данных, основанная на реализации процесса поиска варианта отображения интегрированного графа канонической структуры РБД в логическую, обеспечивающего оптимальное значение критерия эффективности функционирования РБД АИС и удовлетворяющего основным системным, сетевым и структурным ограничениям. Синтез типовой логической структуры осуществляется на основе определения типовых сегментов данных, представляющих собой множество подграфов интегрированного графа и обладающих совокупностью характеристик и параметров, определяющих способность к многократному использованию в составе различных логических структур локальных баз данных пользователей.
Ставятся задачи синтеза оптимальной типовой логической структуры РБД АИС для систем проектирования с полной централизацией с использованием следующих общесистемных критериев: минимум суммарного времени выполнения множества запросов (заданий на корректировку); минимум суммарного времени выполнения "рабочей нагрузки" на заданном интервала времени; минимум суммарных затрат на хранение информации, реализацию множества запросов и заданий на корректировку хранения данных. Рассмотрены также постановки минимаксных задач синтеза типовой логической структуры РБД АИС.
Ставятся также задачи синтеза оптимальных типовых логических структур РБД и локальных баз данных ее узлов для систем проектирования с частичной централизацией. Типовая логическая структура определяется путем решения разработчиком (центром) задачи оптимизации с целевой функцией, задаваемой на множестве типовых сегментов данных (ТСД), определяемом требуемым уровнем типовости. Логические структуры для узлов РБД синтезируются с использованием ТСД, не удовлетворяющих заданному уровню типовости, но необходимых для реализации задач обработки данных. В качестве системных, сетевых и структурных ограничений в задачах синтеза логических структур используются: затраты на обработку множества запросов и корректировок, длина формируемой логической записи, количество типов формируемых записей, степень их дублирования, пропускная способность каналов передачи данных и другие характеристики.
В заключение описываются разработанный алгоритм решения основных задач синтеза оптимальной логической структуры РБД АИС, основанный на их сведении к обобщенной задаче размещения графов.
В пятой главе ставится и решается задача проектирования оптимальной функциональной структуры диалоговой системы по критерию оптимизации, учитывающему удобство дальнейшей разработки и внедрения и формулируемому как минимум суммарного числа информационных связей между выделяемыми элементами. Ставится также задача оптимизации синтеза системы программных модулей диалоговой системы и обрабатываемых ими информационных массивов. В качестве критерия оптимизации используется минимум общего времени обмена с внешней памятью ЭВМ при обработке множества запросов пользователей к диалоговой системе АИС.
Рассматриваются постановки динамических задач синтеза структуры программного обеспечения диалоговых систем, представленных в виде стохастической замкнутой сети средств массового обслуживания. В качестве показателей эффективности синтеза предложено использовать следующую совокупность критериев оптимизации: максимум общего числа обработанных запросов пользователей в единицу времени; минимум среднего времени ожидания запросом пользователя доступа к ресурсам системы; минимум среднего времени пребывания запроса пользователя в системе; минимум среднего времени реакции диалоговой системы на запросы пользователей.
В шестой главе представлена предложенная и реализованная функциональная структура АИС ТАУ. Информационное обеспечение АИС данного класса предназначено для реализации основных функций системы с возможностью выдачи необходимой пользователям информации в требуемые сроки и в удобной для использования форме. Оно содержит статическую и динамическую информационные модели, отражающие основные реквизиты и характеристики деятельности участников образовательного консорциума в области планирования и управления учебным процессом, а также в области финансового планирования и управления.
Представлены результаты решения задачи анализа и синтеза типовой логической структуры распределенной базы данных АИС Тольяттинской Академии Управления. В качестве критерия оптимизации используется минимум общего времени обработки запросов пользователей.
Описываются предложенная и реализованная организационная и функциональная структура центра «Финансовое управление консорциумом» АИС Тольяттинской
Управления (г.Тольятти), информационное, программное и техническое обеспечение решения функциональных задач регионального центра.
В заключение описывается разработанная методика обоснования цен на информационные услуги, предоставляемые АИС ТАУ внешним пользователям (клиентам системы).
Основные проблемы и направления развития высшего образования в России
Развитие высшей школы Российской Федерации является одним из важнейших условий обеспечения прогресса, экономического и культурного процветания страны. По статистическим данным и материалам аналитического обзора Министерства образования Российской Федерации на 01.01.2001 года на территории РФ действует 124 9 гражданских вузов, в том числе: 564 государственных вузов федерального ведения, 34 государственных вуза субъектов Российской Федерации, 18 муниципальных вузов, 635 негосударственных. Дополнительные возможности для реализации права граждан на образование обеспечивается наличием 154 0 филиалов вузов, из которых 931 государственных вуза. Около половины этих филиалов находятся на территории Сибири и Дальнего Востока. В настоящее время на 10 тыс. населения приходится 28 0 обучающихся в государственных и негосударственных вузах студентов (наивысший показатель за всю историю российской высшей школы), из них 183 обучаются за счет средств бюджета. Самый большой контингент студентов обучается в университетах. При этом распределение количества студентов по специальностям выглядит следующим образом (в порядке убывания): ? технические специальности, ? педагогические специальности, ? специальности естественных и гуманитарных наук. Контрольные цифры приема студентов на первый курс в Государственные вузы возросли на 50% за последние 5 лет с 391,6 тыс. человек в 1995 году до 587,6 тыс. человек в 2000 году, в том числе на места очного обучения, обеспеченные бюджетным финансированием, с 351,6 тыс. человек до 390 тыс. человек (или на 1,9%). В 2 000 году средний конкурс среди подавших заявление в вузы составил 300 человек на 100 мест (1999г. - 268 чел.,1998г.- 256 чел.,1997г. - 228 чел.). При этом сохраняется наметившаяся в последние годы тенденция увеличения доли лиц, поступающих на обучение по техническим специальностям. Общий прием студентов в государственные высшие учебные заведения по укрупненным группам специальностей характеризуется следующими данными: ? инженерно-технические - 31%, ? экономические - 26%, ? гуманитарные 19%, ? педагогические 8%, ? естественнонаучные 6%, ? медицинские - 3%, ? сельскохозяйственные - 4%, ? культуры и искусства - 2%. Кроме количественных изменений, система высшего образования претерпела значительные качественные преобразования. Это касается реформирования внутренней структуры вузов: появление новых специальностей и квалификаций; преподавание новых дисциплин и создание новых факультетов; информатизация (всё чаще используемая для дистанционного обучения через Интернет); международное сотрудничество. Число новых учебных дисциплин (отсутствующих в государственном перечне) превысило 200. В 2000 году Учебно- методическими объединениями вузов при координирующей роли Минобразования России разработано около 450 государственных образовательных стандартов и примерных учебных планов высшего профессионального образования второго поколения.
Современное состояние социально - экономической сферы в России предъявляет повышенные требования к системе высшего образования. Сейчас в России остро возникла необходимость в выработке новой стратегии подготовки специалистов с высшим образованием. В первую очередь Вузовская система должна приспособиться к сложившемуся рынку образовательных услуг. На это в первую очередь должна ориентироваться реформа системы образования, а также меры по совершенствованию управления высшей школой.
Анализ современной ситуации в отечественной образовательной сфере, а также общей социально экономической ситуации в стране позволил выявить следующие их особенности: ? развитие рыночно - ориентированной экономической модели привело к возникновению рынка рабочей силы, где основным товаром становится качество подготовки специалиста, т.е. совокупность его способностей выполнять какой либо вид деятельности лучше, чем другой человек; ? мерой оценки качества подготовки, т.е. критерием становятся не оценки в дипломе выпускника, а его реальные успехи в производственной или любой другой деятельности; ? рынок труда, соединяя непосредственно работодателя и претендента на работу, формирует реальную личную, а, следовательно, и более объективную общественную образовательную потребность; ? складывающаяся на рынке труда общественная образовательная потребность неминуемо влияет на условия и перспективы существования образовательных учреждений всех уровней и форм; ? федеральные и муниципальные власти могут реализовывать свое влияние на образовательный процесс в основном путем дотаций и льгот, а не непосредственно путем прямых приказов и указаний. Реформирование различных социально-экономических сфер в России требует глубокого реформирования системы высшего образования. Новые потребности общества невозможно удовлетворить без существенной перестройки учебных программ и структуры выпуска высшей школы, подготовки современного высококвалифицированного педагогического корпуса страны, обеспечения ему существенно более высокого социального и материального статуса. По этой причине Национальной доктрине образования в Российской Федерации в качестве основных стратегических целей его реформы выделены следующие: ? создание основы для устойчивого социально-экономического и духовного развития России, обеспечение высокого качества жизни народа и национальной безопасности; ? укрепление демократического правового государства и развитие гражданского общества; ? кадровое обеспечение динамично развивающейся рыночной экономики, интегрирующейся в мировое хозяйство, обладающей высокой конкурентоспособностью и инвестиционной привлекательностью; ? утверждение статуса России в мировом сообществе как великой державы в сфере образования, культуры, искусства, науки, высоких технологий и экономики. В соответствии с данными целями система образования вана обеспечить: ? историческую преемственность поколений, сохранение, распространение и развитие национальной культуры, воспитание бережного отношения к историческому и культурному наследию народов России; ? воспитание патриотов России, граждан правового, демократического государства, способных к социализации в условиях гражданского общества, уважающих права и свободы личности, обладающих высокой нравственностью и проявляющих национальную и религиозную терпимость, уважительное отношение к языкам, традициям и культуре других народов; ? формирование культуры мира и межличностных отношений;
Методы построения обобщенной внешней модели и канонической структуры распределенной базы данных
Целесообразность применения методов типизации при проектировании РБД определяется уровнем информационной и процедурной общности внешних моделей предметных областей пользователей [53,107,113-119]. Рассмотрим комплекс процедур, позволяющий определить целесообразность типизации структур данных при проектировании РДБ. Пусть - U = {щ},к = \,Ко множество пользователей проектируемой базы данных, которые размещены в различных узлах и сегментах локальной вычислительной сети, Dk = {dki},i = \lk - множество информационных элементов, описывающих предметную область к-ото пользователя. ом Множество является полным множеств информационных элементов рассматриваемой совокупности пользователей. Отношение каждого пользователя к полному множеству информационных элементов D представляется в виде строки бинарной матрицы = (( / проиндексированной по осям множеством пользователей и = {ик) и полным множеством информационных элементов D = id\. Элементы матрицы N = LJ принимают единичные значения, если информационный элемент dj относится к информационному множеству пользователя ик , в противном случае и ,=0. Степень общности предметных областей к-ото и т-ого пользователей определяется методом последовательного получения и анализа парных пересечений их информационных множеств. Количественной характеристикой степени общности является мера подобия, применяемая в теории автоматической классификации. Пусть заданы информационные множества k-ого и т-ого пользователей - Dk и Dm, описывающие их предметные области. Тогда мерой подобия предметных областей пользователей называется отображение пересечения множеств Dkm = Dkf]Dm на некоторое множество вещественных чисел, выраженное неотрицательной вещественной функцией Skm значения которой удовлетворяют условию 0 Shn l Результатом попарного сравнения информационных множеств предметных областей пользователей является матрица подобия S = sAm которая представляет собой квадратную матрицу, проиндексированную по осям множеством U = {uk). Мера подобия предметных областей пользователей рассчитывается с использованием функции: множестве Dm . Величина рю рассчитывается Путем задания на множестве пользователей U = {uk] отношения принадлежности R, соответствующего критической мере подобия S : проводится классификация предметных областей пользователей. Классификация осуществляется методом транзитивного замыкания отношения принадлежности с последующим отождествлением классов эквивалентности, методами вроцлавскои таксономии или другими известными методами теории автоматической классификации [113,114]. В результате классификации определяется множество пользователей и их предметных областей, для которых целесообразны работы по типизации структур данных предметных областей пользователей и проектированию типовых логических структур баз данных.
Информацию, необходимую для построения внешних моделей пользователей, проектировщик РБД получает на основе анализа функционирующих в системе документов, опроса пользователей и анализа процедур обработки данных. Внешняя модель предметной области пользователя включает описание характеристик информационных элементов и отношений между ними, характеристик процедур обработки данных и отношений между информационными элементами и процедурами. множества требований пользователей по обновлению информации (множества корректировок) Кк = \кь\,к = ЪЩ,з = 1,Z0 .
Множество информационных элементов k-ого пользователя РБД характеризуется совокупностью интегральных характеристик, которые формализуются в виде совокупности векторов Хк ={qk,pk,pk}r где qk =fy\i = \J k- вектор ДЛИН информационных элементов (в байтах); рк = \pk\i = \J k- вектор типов информационных элементов (целый, вещественный, символьный); рк = щ }, і = \Jl- вектор количества экземпляров информационных элементов (в виде среднего или максимального значения). Структуру внешней модели определяют отношения, существующие между информационными элементами. Информация о парных отношениях «информационный элемент-информационный элемент» получается в результате диалогового проектирования и задается в виде матрицы семантической смежности дк = \akXi,j = \J k , представляющей собой бинарную матрицу, проиндексированную по осям множеством информационных входимости и т.д., существующее между информационными элементами dk и df Характеристики взаимосвязей между информационными элементами Fk=\fk{U)\, определяются с использованием матрицы =1а, . Характеристики взаимосвязей между информационными элементами предметных областей пользователей описываются в виде матрицы типов использования процедур обработки & - Ьп \n = \,NQ , где - мощность использования п-й процедуры. Использование процедур обработки элементов множества Dk процедурами обработки задается в виде матрицы проиндексированной по осям множеством процедур обработки и полным множеством информационных элементов Dk . Использование взаимосвязей между информационными элементами и процедурами обработки задается множеством матриц Wk = Ц,у = \,1к,п = \,М0, где Wyn=\, если взаимосвязь между элементами dt i\d} используется n-й процедурой обработки. Таким образом, характеристики внешних моделей пользователей определяются как совокупность множеств, векторов и матриц графе Gk, описывающем структуру внешней модели предметной области k-ого пользователя, задается множество 7 = (7 } деревьев доступа. Каждое дерево доступа описывается множеством информационных элементов D;(k)eDk и взаимосвязей между ними, задаваемых в виде бинарной матрицы EyJk) размерности LD процедурную связанность информационных элементов в структуре внешней модели. На основе Ак =к строится матрица семантической достижимости Мк =Щ,. [72] . Анализ матрицы достижимости и соответствующего ей орграфа позволяет выделить в структуре внешней модели простые и групповые информационные элементы, упорядочить информацию по уровням иерархии. Простым информационным элементам в матрице Мк\Т соответствуют столбцы, которые не содержат элементов m j=l. Т- единичная матрица вида Т = /.., где =1, если i=j, в противном случае #=0. Остальные информационные элементы являются групповыми. Анализ информационной структуры внешней модели предметной области пользователя выполняется на основе информации о взаимосвязи групповых информационных элементов и подчиненных им простых. Для этого выделяется множество простых информационных элементов D[aDk, которым на графе Gk={Dk,Rk) соответствуют висячие вершины. Множество групповых элементов D[cDk определяется как Dvk=Dk\DTk. Матрица семантической достижимости для множества Dk Мкг =\туГ\ строится на основе матрицы Л/4=Щ,. и представляет собой квадратную матрицу размерности І) ГХІ /" . С использованием матрицы достижимости М[ осуществляется упорядочение информации по уровням иерархии, что позволяет выделить групповые информационные элементы, являющиеся точками входа в структуру.
На основе значений элементов матрицы М[ формируются множества предшествования Q(dj) и достижимости F(d ) . Информационный элемент dj , удовлетворяющий условию F(dj) = F(dj)nQ(dj) относится к верхнему уровню иерархии. Используя данное положение, множество групповых информационных элементов D[ разделяется на подмножества соответствующих уровней иерархии Лт(т = \,т0) на основании рекуррентного соотношения Xm= feD1k\Al\...Am_J\Fm_l(df) = Fm_1(df)nQm_l(df)\, где Fm_,(d[) и 0,.,« ), соответственно, множества достижимости и предшествования группового элемента d[eDk на подмножестве D[ \Я, \...Ят_, . После определения подмножеств элементов всех уровней иерархии матрица М[ переупорядочивается и ей ставится в соответствие структурированный граф, в котором выделяются вершины уровня Я,, являющиеся точками входа Я,={я }. В множестве групповых информационных элементов выделяются основные 0-f) = { T )} и вспомогательные с Рг } ключи. Для унификации групповых информационных элементов, входящих в структуру внешней модели предметной области отдельного пользователя, выделенное множество групповых информационных элементов проверяется на семантическую связанность и возможность удаления дублируемых информационных элементов в группах.
Особенности разработки модульных диалоговых автоматизированных систем в образовании
Проектирование ДС - многоэтапный процесс принятия обоснованных решений в ходе анализа задач пользователей и их требований, проектирования, отладки и внедрения новой системы. Для каждой стадии разработки ДС характерны свои модели и методы. Последовательность основных стадий разработки ДС регламентируется известными документами по созданию автоматизированных информационных систем. Однако содержание применительно к ДС выделенных стадий имеет характерные особенности, которые выражаются как в специфичности задач, решаемых на каждой из стадий (см. табл. 3.2.1) так и в результатах их решения, которые являются исходной информацией для последующих задач. Ниже описываются особенности разработки ДС, основанные на использовании формальных методов анализа требований пользователей к ДС [127-130].
На стадии предпроектного анализа ДС необходимо выполнить комплекс работ, основной из которых является анализ решаемых пользователями задач, технологии их решения, определение требований пользователей к эффективности и качеству решения задач. На этой стадии определяется необходимый набор процедур реализации комплекса диалоговых задач и требуемой для их решения информации.
Для представления результатов изучения и анализа задач пользователей и технологии их решения используются известные формализованные методы представления результатов этого изучения. Однако определение процедур обработки данных, анализ и структуризацию каждой диалоговой задачи целесообразно осуществлять с использованием дополнительной совокупности матричных и графовых моделей, обеспечивающих подготовку локальных сценариев (ЛС) диалога и других исходных данных, необходимых для технического проектирования модульных ДС. Локальные сценарии диалога строятся на основе описанных пользователями (средствами языка описания задач ЯОЗ)схем их решения, которые дополняются формами представления результатов проектирования систем. Схема решения каждой задачи представляется в виде совокупности взаимосвязанных таблиц решений (ТР), описывающих последовательность и содержание шагов диалога пользователя с ДС при решении задачи, используемую при этом информацию, а также требования пользователя к характеристикам процесса обработки запросов, выдаваемых им на каждом шаге диалога [131]. Совокупность таблиц решений однозначным образом отображается в граф локального сценария диалога (ГЛС). Каждая вершина ГЛС соответствует одной ТР, а направленные дуги взаимосвязям между таблицами. Каждому ГЛС ставится в соответствие матрица смежности и матрица достижимости, отражающие структуру и взаимосвязь узлов графа.
При помощи методов преобразования матриц для облегчения последующего анализа локальных сценариев диалога производится упорядочение ГЛС, в ходе которого узлы графа распределяются по уровням их прохождения в процессе решения задачи. При наличии контуров на уровнях ГЛС осуществляется их свертка, что приводит к сокращению размерности и упрощению матриц смежности и достижимости. На основе упорядоченного таким образом ГЛС с помощью методов оценки ГЕРТ-сетей могут быть определены такие характеристики ЛС диалога, как условная вероятность завершения решения задачи в заданном узле ГЛС, математическое ожидание и дисперсия значения времени завершения решения задачи в заданном узле графа, обладающие свойством аддитивности на дугах графа [132,133].
С учетом результатов анализа требований пользователей и локальных сценариев диалога формируется общий сценарий диалога всей системы в целом. С этой целью строится интегрированный граф сценария ДС в целом путем операции "наложения" упорядоченных ГЛС, заключающейся в совмещении идентичных уровней графов и идентичных узлов в каждом уровне. Для формализации, упорядочения и анализа сценария диалога всей системы также используется совокупность взаимосвязанных матричных и графовых моделей и методы оценки ГЕРТ-сетей.
На этой стадии производится проверка корректности описания схем решения задач и соответствия характеристик функционирования ДС построенному сценарию системы и требованиям пользователей к эффективности и качеству решения задач. Выявление неточностей и противоречий в описании схем решения задач и в заданных требованиях к эффективности и качеству их решения на стадии предпроектного анализа ДС до реализации этапов проектирования, отладки и внедрения системы позволяет свести к минимуму затраты на исправление ошибок, тестирование и, следовательно, сократить общие затраты на реализацию ДС.
Информация, полученная при анализе задач и требований пользователей, используется при синтезе оптимальной структуры ДС, ее информационного и программного обеспечения на этапе технического проектирования системы.
На стадии технического проектирования проводится синтез ДС в соответствии с построенным сценарием системы, требованиями пользователей и ограничениями на характеристики функционирования ДС. При этом выполняется следующий комплекс работ: выбор оптимального комплекса технических средств, на базе которого реализована система; синтез оптимальной структуры модульного программного обеспечения; выбор типа используемого автоматизированного банка данных (АБД) и определение логической и физической структуры базы данных (БД). Далее общий сценарий ДС однозначным образом отображается в интегрированный граф диалога (ГД) системы, определяющий структуру алгоритмического обеспечения ДС (набор процедур и взаимосвязь между ними по управлению и информации), определяются альтернативные варианты комплексов технических средств, удовлетворяющих требованиям пользователей и требованиям общего сценария диалога системы. С учетом выделенных средств на разработку и эксплуатацию ДС, требований пользователей к эффективности и качеству решения их задач выбирается оптимальный комплекс технических средств. На этом этапе синтезируется оптимальная структура информационного и модульного программного обеспечения системы с учетом требований к характеристикам решаемых в диалоге задач, структуры интегрированного графа диалога ДС и выбранного комплекса технических средств (КТС) . При использовании АБД в ДС на этапе технического проектирования формируются требования к СУБД, в состав которых включаются требования к структурам формирования запросов к БД, характеристики требуемых атрибутов и так далее. На основе этой информации выбирается тип АБД, определяется логическая и
Синтез оптимальной логической структуры распределенных баз данных для системы проектирования с полной централизацией
Механизм проектирования с полной централизацией характерен для систем, в которых проектирующий центр полностью определяет критерии синтеза РБД, основные ограничения, накладываемые СУРБД, системами управления локальными базами данных, операционными системами, техническими и программными средствами ВС и т.д. Такой вариант механизма проектирования характерен, например, для разработки РБД для АИУС крупного образовательного консорциума, базирующейся на совокупности вычислительных центров, объединенных в вычислительную сеть. Функции центра выполняет главный вычислительный центр или і проектно-конструкторское бюро, которые разрабатывают типовые проектные решения, доводят их до практической реализации и передают для эксплуатации подчиненным подразделениям [107,142-145].
В качестве критериев оптимизации центр может использовать следующие: минимум суммарного времени выполнения множества запросов и заданий на корректировку; минимум суммарного времени выполнения "рабочей нагрузки" -на надежность доступа к данным при выполнении заданий на корректировку Ограничения (4.2.2)-(4.2.9) являются общесистемными. Они определяются характеристиками технических средств и операционной средой РБнД. Ограничения (4.2.10), (4.2.11), (4.2.12), (4.2.14)-(4.2.16) учитывают индивидуальные требования пользователей и определяются техническими и программными средствами отдельного узла ВС.
Выражения для определения основных временных характеристик функционирования РБнД в запросном режиме на заданном интервале времени приведены в табл. 4.2.1.
Для РБД, в которых удельный вес и частота заданий на корректировку и обновление информации являются значительными, целесообразна постановка задачи синтеза логической структуры РБД, обеспечивающей минимум времени выполнения этих заданий. При этом предполагается, что за одно выполнение задания обновляются (изменяются, добавляется или удаляются) все копии типов записей, используемые данным заданием и хранящиеся в различных узлах ВС. Основные составляющие общего времени работы РБнД в режимах корректировки приведены в табл. 4.2.2. Задача синтеза логической структуры РБД, обеспечивающей минимум общего времени выполнения множества заданий на корректировку на заданном интервале времени формулируется следующим образом: или на стоимость передачи информации при выполнении Наиболее общей задачей проектирования логической структуры РБД является задача синтеза логической структуры РБД, обеспечивающей минимум суммарного времени выполнения «рабочей нагрузки» на заданном интервале времени. Данная задача формулируется следующим образом: В ряде случаев при проектировании РБД необходимо обеспечить гарантированный уровень качества типовых проектных решений для заданного множества пользователей (классов пользователей).
Для проектирования логических структур РБД в этом случае целесообразно использовать минимаксные критерии. Задача синтеза логической структуры РБД, минимизирующей максимальное время реализации множества запросов и заданий на корректировку, инициируемых различными классами пользователей формулируется следующим образом: при ограничениях (4.2.2)-(4.2.16) и ограничении на стоимость (4.2.21), где три - время реализации «рабочей нагрузки» v-ro класса пользователей РБД. TvpH рассчитывается по формуле (4.2.20).
Рассмотрим задачу синтеза логической структуры РБД по экономическому критерию при заданных требованиях к временным параметрам функционирования. Задача синтеза оптимальной логической структуры РБД, обеспечивающей минимум затрат на хранение информации, реализацию множества запросов и заданий на корректировку и обновление формулируется как при ограничениях (4.2.2)-(4.2.16) и ограничении на суммарное время реализации множества запросов и корректировок:
Частным случаем этой задачи является задача синтеза логической структуры РБД, обеспечивающей минимум максимальных суммарных затрат на хранение и обработку информации рассматриваемых классов пользователей. Задача в этом случае формулируется следующим образом нелинейными задачами целочисленного программирования, которые решаются известными методами, использующими схему ветвей и границ или алгоритм решения Т-задачи.
В большинстве случаев при проектировании РБД цели центра и отдельных пользователей (классов пользователей или узлов ВС) не совпадают, что обусловливает целесообразность использования механизма проектирования с частичной централизацией. Пользователи представляют центру информацию о составе и структуре своих предметных областей (канонические структуры), об основных ограничениях и операционной среде. Центр определяет и задает оптимальный уровень типизации структур баз данных, определяет системы общих ограничений для целевых функций пользователей (узлов ВС) [142-147].
Такой вариант механизма проектирования структуры характерен, например, для разработки РБД для АИУС. Функции центра в этом случае выполняет один из вычислительных центров, который связан договорными отношениями с ВЦ различных структур. Использование механизма проектирования с частичной централизацией позволяет сократить время и стоимость проектирования за счет типизации проектных решений и вместе с тем учесть индивидуальные (специфические) интересы пользователей. Учет интересов отдельных пользователей, связанных с индивидуальный проектированием, обусловливает необходимость выбора варианта разработки, отличного от оптимального для центра и пользователей РБД. То есть и центр и пользователи несут издержки за счет отклонения единого типового решения от локально оптимальных[73,90].
Центр решает задачу синтеза оптимальной логической структуры РБД с использованием ТСД, удовлетворяющих условию rj(Sf) ri . Целевая функция центра, обеспечивающая минимум общего времени реализации множества запросов пользователей РБД, в этом случае имеет вид:
