4 Введение
Актуальность проблемы. В настоящее время для принятия оптимальных управленческих решений в системе образования необходимо в короткий срок обрабатывать большое количество интегрированной информации о различных параметрах деятельности учебных заведений, муниципальных и региональных образовательных структур, об инновационном педагогическом опыте и т.д. Этому вопросу уделяется большое внимание в вузах. Научный и кадровый потенциал высших учебных заведений позволяет создать системы автоматизации различного назначения. Однако средние общеобразовательные учреждения остаются в стороне от своевременного обеспечения информационными данными. Что приводит к информационной необеспеченности принятия решений, принимаемые решения подвергаются частой и радикальной коррекции, а также повышают уровень конфликтности между органами управления средним образованием и объектами управления [1- 5].
Устранение последствий информационной недостаточности возможно за счёт мониторинга принятия решений, создания и реализации федеральных программ в области среднего образования, создания баз данных реальных потребностей населения в социально-образовательных услугах и возможностей их представления органами управления средним образованием, создания единого информационного рынка образовательных услуг и прогнозирования рынка педагогических кадров.
К настоящему времени сложился класс программно реализованных систем, в которых за счёт развитых средств взаимодействия пользователей с системой, особенно графических, при постоянно увеличивающейся сложности решаемых задач общение пользователей с системой происходит в реальном масштабе времени. Примерами такого рода систем являются системы автоматизированного проектирования (САПР), информационно-аналитические системы,
5 геоинформационные системы (ГИС) и т.п. Для устранения информационной
недостаточности известно использование этих систем, но самые
распространённые - ГИС используют -r* ;v-. . также сложно
структурированную графическую информацию. Достоинствами таких систем являются: оптимальное управление географически привязанных объектов управления социально-образовательной сферы, анализ данных мониторинга для задач пространственного анализа статистических данных по показателям образовательной системы, планирование развития и административного управления образовательными учреждениями, возможность быстрого рассмотрения многих вариантов и выбора наиболее приемлемого решения [6-8].
Однако проблемам проектирования информационных систем, использующих сложно структурированные графические данные, уделяется еще недостаточное внимание, что приводит к порождению большого числа систем, построенных по разной идеологии при одинаковых классах решаемых задач. Эти системы трудно стыкуются между собой, обладают большим, иногда не обоснованным, разбросом объёмов используемой памяти, имеют разное быстродействие. Для создания таких систем привлекаются большие людские ресурсы, увеличивается время разработки и, соответственно, стоимость, ухудшается их качество. Для их проектирования становятся актуальными проблемы исследования принципов структурной организации, разработки методов синтеза их архитектур, используемых структур данных, способов согласования с внешними устройствами и разработки средств графического взаимодействия пользователей с системами.
Необходимо разработать методы проектирования специализированных информационных систем (СИС) на основе ГИС, включающих выбор алгоритмов функционирования, математических моделей управления социально-образовательной сферой, рациональную организацию архитектуры систем и используемых структур данных.
6
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка моделей, методов структурной организации, алгоритмов и программного обеспечения специализированных информационных систем со сложно структурированными графическими данными (СИС) для эффективного управления в социально-образовательной сфере г. Москвы.
Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:
1. Разработать алгоритмы функционирования СИС, структуру алгоритмов, структуры данных.
2. Разработать методы синтеза структур программного обеспечения отдельных подсистем и на их основе обосновать и выбрать их структуру.
3. Разработать математические модели информационного обеспечения СИС.
4. Разработать языковые и интерактивные средства взаимодействия пользователей с СИС. Определить их эргономические и психофизиологические характеристики.
5. Создать программное обеспечение подсистем СИС.
6. Исследовать эффективность внедрения разработанных систем.
Для решения этих задач и разработки системы был произведён анализ трудов российских и зарубежных учёных в следующих областях:
- информационное обеспечение органов управления среднего образования -О.А. Башкиров, A.M. Бершадский, А.С. Бождай, Ю.Г. Васин, В.Н. Васильев, Э.Д. Днепров, А.В. Духанов, А.Ю. Скопин, Л.В. Жилина и др.
- создания баз данных - К.Д. Дейт, Т. Кроув, В.Ш. Рубашкин, Ж. Шомье, Д. Эйвисон и др.;
-картографии - Н.М. Биктимирова, О.В. Бирюкова, Л.М. Бугаевский, А.С. Васмут, Л.А. Вахрамеева, О.Ю. Жукова, Н.Н. Лосяков, Н.И. Мельниченко, Т.П. Нырцова, К.А. Салищев, И.И. Стрижкин и др.;
7
- принципов построения ГИС и САПР - Е.И. Артамонов, A.M. Берлянт, Л. М.
Бугаевский, М. Зейлер, О.К.Кадетов, Е.Г. Капралов, Н.В. Коновалова, А.В. Кошкарёв, А.И. Мартыненко, Л.Ф. Ноженкова, М.П. Сидоренко, B.C. Тикунов, A.M. Трофимов, В.Ё. Хаксхольд, В.Я. Цветков, СВ. Шайтура, Е.Е. Ширяев, D.F. Marble, D.J. Peuquet, H. Samet, S. Tanimoto и др; - дискретной математики - О.Е. Акимов, М.О. Асанов, В.А. Баранский, И.А. Башмаков, К. Берж, А.А. Грешилов, В.А. Евстигнеев, А.А. Зыков, Н. Кристофидес, О.П. Кузнецов, О. Оре, Д.В. Тюкавкин, Р. Уилсон, Л.Р. Форд, Д.Р. Фалкерсон и др.).
Методы исследования базируются на математической логике, теории множеств, теории графов, оптимизационных алгоритмах решения задач на графовых моделях.
Научная новизна работы заключается в разработке и создании:
- алгоритмов функционирования и архитектуры СИС для управления социально-образовательной сферой;
- структуры информационно-аналитической модели СИС для управления социально-образовательной сферой;
- структуры и состава баз данных СИС для управления социально-образовательной сферой;
- универсального алгоритма определения кратчайшего пути на моделях графического слоя СИС с использованием многокритериальных оценок;
- метода синтеза архитектуры подсистемы определения кратчайшего пути на модели графического слоя СИС;
- аналитических оценок сложности автоматизированного извлечения информации в СИС при решении задач в социально-образовательной сфере;
- способа тестирования цветового зрения пользователя СИС для управления социально-образовательной сферой и настройки пользовательского интерфейса по результатам тестирования.
8 Основные научные результаты:
- определена требуемая функциональность и критерии оценки специализированных информационных систем обеспечения социально-образовательных услуг;
- разработана графовая математическая модель обеспечения социально-образовательных услуг в территориально-административных единицах;
- разработаны структуры, алгоритмы и программное обеспечение следующих подсистем: обработки сложно структурированной графической информации, справочно-аналитической, оптимизации маршрутов и оптимального размещения объектов для оказания услуг в социально-образовательной сфере;
- проведено исследование и разработаны меры по улучшению психофизиологического воздействия графики системы на человека, в частности, предложен способ тестирования цветового зрения потребителя (заказчика) СИС.
Практическая ценность работы. На основе полученных в диссертационной работе результатов по выбору алгоритмов функционирования и структур программной реализации систем, разработке средств взаимодействия пользователя с - системой разработаны специализированные информационные системы для окружных управлений образованием в Юго-Западном и Северном окружных управлениях образованием г. Москвы, которые позволяют эффективно решать важные задачи, стоящие перед администрацией управления образованием, такие, как выбор оптимального размещения объекта на территории районов, нахождение оптимальных маршрутов обслуживания объектов, накопление и анализ статистической информации и т.п.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается корректностью постановок задач, выбором алгоритмов функционирования с использованием методов математического моделирования,
9
получением структур систем по заранее заданным критериям, разработкой
языковых средств взаимодействия пользователя с системой и определением семантики языка, а также результатами практического использования предложенных в диссертации методов, моделей и средств.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты и программное обеспечение внедрены в Юго-Западном и Северном окружных управлениях образованием г. Москвы. Акты внедрения и использования научных результатов приведены в приложении диссертационной работы.
На защиту выносятся:
- алгоритмы функционирования и архитектура СИС для решения оптимизационных задач в социально-образовательной сфере;
- структура информационно-аналитической модели СИС для управления социально-образовательной сферой;
- структура и состав баз данных СИС для решения оптимизационных задач в социально-образовательной сфере;
- универсальный алгоритм определения кратчайшего пути на моделях графического слоя СИС с использованием многокритериальных оценок;
- метод синтеза структуры подсистем: обработки сложно структурированной графической информации, информационной, справочно-аналитической, оптимизационных маршрутов и оптимального размещения объектов для решения оптимизационных задач на модели графического слоя СИС;
- аналитические оценки сложности автоматизированного извлечения графической информации в СИС при решении оптимизационных задач в социально-образовательной сфере;
- способ тестирования цветового зрения пользователя СИС для управления социально-образовательной сферой и настройки пользовательского интерфейса по результатам тестирования.
10 Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на Ш-й
и IV-й международных конференциях «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. CAD/CAM/PDM» (Москва: ИПУ РАН, 2003, 2004 гг.), V-й молодёжной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии и интеллектуальные системы» (Москва: МГТУ, 2003), Ш-й международной научно-практической конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Приднестровье, Тирасполь: ПГУ, 2003), международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва: МЭИ (ТУ), 2003), Региональной дистанционной научно-практической конференции «Методы и устройства психофизиологических исследований человека» (Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных трудов (5 статей и 7 тезисов докладов).
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет - 171 стр., основного текста - 139 стр., включая - 23 рис., - таб., списка литературы из - 105 наименований. Имеются 8 приложений на 32 стр.
Содержание работы включает в себя следующие положения:
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цели и содержание поставленных задач, сформулирован объект и предмет исследования, указана теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, а также сообщены положения, выносящиеся на защиту.
В главе 1 «Информационные системы в социально-образовательной сфере» проведён анализ различных классов информационных систем. Рассмотрены работы, в которых представлены особенности алгоритмического обеспечения, общие вопросы теории построения информационных систем, в частности,
11
геоинформационных (ГИС), используемых структур данных, средств взаимодействия с пользователем. Приведены примеры применения информационных систем для решения задач в социально-образовательной сфере регионов. Показано, что такие системы работают со сложно структурированными графическими данными, позволяющими существенно расширить их возможности. Особое внимание уделено анализу методов построения информационных систем в социально-образовательной сфере. Исследованы и обобщены задачи в социально-образовательной сфере, стоящие перед административным аппаратом окружных управлений образованием. Сформулированы основные типы задач, представленные для решения с помощью модели специализированной информационной системы (СИС). Исследованы и обобщены задачи, связанные с информационным и алгоритмическим обеспечением СИС. Выделяются общие для СИС алгоритмы решения оптимизационных задач: размещения объектов социально-образовательной сферы, прокладывания трасс коммуникаций между объектами, определения последовательности обслуживания объектов и т.п.
В главе 2 «Разработка специализированной информационной аналитической модели предоставления услуг в социально-образовательной сфере» разработана общая структура СИС для управления социально-образовательной сферой, включающая средства взаимодействия пользователя с системой, геометрический процессор, информационную и прикладные подсистемы, а также средства управления. Разработана структура информационно-аналитической модели СИС применительно к объектам социально-образовательной сферы территориально-административных округов г. Москвы. Предложена основная идея организации информационно-аналитической модели СИС, которой является выделение отдельных слоев, представляющих однородную семантическую информацию, важную для решения задач социально-образовательной сферы. Разработана унифицированная структура данных графических слоев информационно-аналитической модели СИС. Рассмотрены критерии выбора условных знаков с
12 позиции семиотики, включающей в себя следующие аспекты: синтаксический,
семантический и прагматический. Определяются критерии выбора условных знаков разрабатываемой системы с позиции каждого аспекта. В частности, рассматривается картографическая прагматика, которая помогает определить отношения знаков к изготовителям и потребителям карт на психофизиологическом уровне восприятия цвета и конструкций объектов. Предложена система тестирования цвета для пользователя с целью недопущения цветовой дисгармонии. Созданы средства взаимодействия пользователя с СИС. Предложен способ представления графических данных в СИС на основе квадратомического дерева, в вершинах которого находятся параметры знаков, которые определяют признаки общности и различия характеристик объекта. В главе 3 «Анализ и разработка алгоритмов решения в СИС оптимизационных задач социально-образовательной сферы» проведён анализ методов структурной организации систем, разработан метод синтеза структур СИС, рассмотрены варианты построения подсистем обработки сложно структурированной графической информации (ПОГИ) и решения оптимизационных задач (ПРОЗ) в СИС. Для проектирования СИС со сложно структурированными графическими данными предлагается ввести элементы формализации процесса синтеза их структуры, поскольку известны основные структуры данных внешних устройств и геометрических процессоров, алгоритмы преобразования структур и обработки геометрических моделей, алгоритмы и средства визуализации и вывода на внешние устройства. Разработан метод синтеза структур СИС, в котором учитываются перечисленные факторы и особенности сложно структурированных графических данных. Исследован алгоритм функционирования подсистемы обработки графической информации (ПОГИ), проведены операции с алгоритмом, определены возможные варианты построения структур подсистемы. Проведён анализ алгоритмов решения оптимизационных задач в СИС таких, как автоматизированное размещение объектов социально-образовательной сферы и
13 определение оптимальных путей их обслуживания. Разработан универсальный
алгоритм и программное обеспечение ПРОЗ многокритериального определения кратчайшего пути на растровой модели, определены возможные варианты построения совмещенных структур подсистем обработки графической информации (ПОГИ) и решения оптимизационных задач (ПРОЗ) в СИС.
В главе 4 «Разработка программного обеспечения для решения оптимизационных задач и исследования его эффективности» представлена общая структура разработанного программного обеспечения СИС для решения задач в социально-образовательной сфере, которая выбрана на основе созданного метода синтеза. Приведена и детально описана возможная схема доступа пользователя к данным специализированной информационной системы в Internet. Приведены примеры создания типовых графических объектов и геометрических моделей электронных карт на их основе. Показана возможность решения оптимизационных задач в социально-образовательной сфере с использованием геометрических моделей. Описана программная реализация поиска кратчайшего пути. Описана оценка сложности автоматизации извлечения графической информации при решении задач в социально-образовательной сфере. Выявлены и обоснованы характерные особенности и сложности представления данных в СИС при разработке и эксплуатации. Указываются пути по преодолению сложностей представления данных.
14 Глава 1. Информационные системы в социально-образовательной сфере
1.1. Анализ информационных систем в социально-образовательной сфере и инструментальных программных средств для их разработки
В настоящее время существуют информационные системы, позволяющие работать с информационными данными в социально-образовательной сфере. К таким системам, например, относятся справочно-информационные и автоматизированные системы управления государственной статистики. Рассмотрим подробно каждую систему:
1). Справочные информационные системы предназначены для хранения, поиска и анализа пространственно-распределённой информации без привязки этой информации к графическим данным (карте). Справочные информационные системы представляют собой развитие информационно-поисковых систем и получают широкое распространение благодаря простым, но в тоже время мощным механизмам запросов и отображения интересующей информации. 2). Автоматизированные системы управления государственной статистики (АСУГС). АСУГС решают следующие задачи:
- сбор, обработка и представление статистической информации различным пользователям о деятельности подчиненных им предприятий, расположенных на различных территориях;
- контроль и комплексное согласование данных на основе отраслевых, территориальных и др. наблюдений;
- достоверность всей официальной информации.
В результате обработки информации появляется информация, предназначенная для поддержки принятия решений.
Вышеперечисленные системы являются довольно актуальными для потребностей управления в социально-образовательной сфере. Однако у этих систем существует серьёзный недостаток, они не отображают географического (на электронной карте) положения объекта. Эти системы не способны
15 привязывать информационные данные об объекте с его положением на
графической (электронной) карте, то есть они не могут оперировать информационными данными вместе со сложно структурированными графическими данными. В условиях стремительно развивающегося города необходимы системы способные привязывать информационные данные объекта с его местоположением на карте для получения более обширной информации об объекте. Для этого необходимо создание специализированных информационных систем (СИС). Системой отвечающей этому требованию является - геоинформационная, позволяющая оперировать со сложно структурированными графическими данными.
Под геоинформационной системой понимается, как указано в [9,10, 11,12,13], реализованное с помощью автоматических средств (ЭВМ) хранилище системы знаний о территориальном аспекте взаимодействия природы и общества, а также программного обеспечения, моделирующего функции поиска, ввода и вывода.
Географические информационные системы стали разрабатываться с 60-х годов прошлого века, а первая реально работающая ГИС Канады (CGIS) появилась в начале 60-х [14] .В нашей стране аналогичные исследования стали проводиться на два десятилетия позже, и до сих пор работы зачастую связаны с адаптацией зарубежного опыта. Об актуальности и значении ГИС можно сделать вывод по тому вниманию, которое уделяется в таких странах как США, Великобритания, ФРГ, Австралия, Австрия, Финляндия и Индия, а также по росту бюджета на ГИС в них. К примеру, по данным Канадской конференции [15] прогноз бюджета ГИС в Европе был следующим: 1989г.-322млн. долл., 1990г.-413 млн. долл., 1991г.-546млн. долл. В настоящее время бюджет значительно увеличен.
С середины 90-х годов геоинформационные системы приобрели статус серьезного стратегического резерва в экономике тех стран, которые вступили в период становления информационного общества [16]. Существенно увеличивается круг решаемых задач, геоинформационные технологии проникают во все новые сферы науки, производственной деятельности,
16
управления и образования. Цифровые методы обработки изображений интегрируются с системами автоматизированной картографии и ГИС, создавая предпосылки единой программной среды 90-х годов.
Следует заметить, что развитию географических информационных систем предшествовало развитие и создание «Систем управления информацией» (Information Management System (IMS)) которые впоследствии стали называться системой управления базой данных (СУБД) и использоваться в ГИС. [17,18, 19, 20]
В работах [14,21,22] представлены общие вопросы теории геоинформационных систем, функциональные возможности ГИС, методы и результаты их эксплуатации на материалах зарубежных стран, а также показаны возможности применения геоинформационных систем для решения некоторых конкретных задач в сфере управления природными и трудовыми ресурсами, в планировании использования земель, лесов, охране природы, рыбном хозяйстве и пр.
Однако в содержании вышеприведенных работ мало или совсем не освещены картографические проекции, без которых геоинформационные системы являются неполными с математической точки зрения. Необходимые представления наглядно показаны в учебных пособиях [23,24,25,26], где представлено следующее: общая теория математической картографии применительно для ГИС, общая теория картографических проекций и основные положения теории других элементов математической основы карт, определение и использование картографических проекций карт конкретного назначения, теория классов картографических проекций, их классификации, основные формулы известных проекций и теоретические основы изыскания и выбора наилучших, идеальных и других проекций для ГИС.
Эти учебные пособия содержат более 170 видов картографических проекций и являются уникальными среди ранее выпущенных.
Среди фундаментальных зарубежных разработок хотелось бы обратить внимание на [3,27] которые дают полное представление о методологии,
17 методике ГИС, геоинформационных технологиях и их приложениях. Из книг
вышедших за рубежом в конце 80-х годов можно упомянуть ряд изданий монографического плана по ГИС и близкой к ней проблематике, которые могут быть использованы в справочных целях- это [28, 29,30, 31,32].
Для получения информации о новых достижениях в области ГИС полезны материалы научных симпозиумов по обработке пространственных данных и прогнозированию развития ГИС [33,34,35].
Во многих работах по ГИС представлено довольно много сфер практического применения этих систем, что обусловлено разнообразием функциональных возможностей ГИС для широкого спектра деятельности человеческого общества. Это может быть построение экспертных геоинформационных систем поддержки принятия решений по
предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, а также создание базы данных экологического загрязнения России, географическая база данных сельскохозяйственных угодий, кадастровая картографическая система, справочно-статистическая географическая система для органов государственной власти, в частности управления производством, регионами, природными ресурсами, наконец, ГИС помогает производить анализ таких проблем как перенаселение, перепроизводство товаров, незаконная эмиграция, преступность, безработица, незаконное сокращение лесных угодий, несанкционированные свалки машин, управление социально-образовательной структурой регионов и т.д. [36, 37,38,39].
Осветим подробнее применение специализированных информационных систем (СИС), основанных на ГИС для решения оптимизационных задач в социально-образовательной инфраструктуре регионов. Руководители и администрация многих учебных заведений достаточно быстро поняли, что ГИС является важным инструментом при решении многих управленческих задач на государственном уровне. Карты и планы недвижимого имущества университетов, в том числе в цифровых форматах САПР, создаются и используются уже в течение многих лет, но только их ввод в ГИС обеспечил |
