Автоматизация процесса разработки виртуальных лабораторий на основе облачных вычислений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Болгова, Екатерина Владимировна

• Болгова, Екатерина Владимировна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Болгова, Екатерина Владимировна

Основные обозначения и сокращения.

Введение

Глава 1 Облачные технологии еЬеагпн^.

1.1. Электронные образовательные ресурсы и виртуальные лаборатории.

1.2. Технологии облачных вычислений.

1.3. Модели организации ЭОР на основе облачных вычислений.

1.4. Перспективы организации ВЛП на основе модели Ааа8.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Модели обучения с использованием ВЛП на основе модели Ааа8.

2.1. Состав и структура ВЛП.

2.2. Информационные модели обучения с использованием ВЛП.

2.3. Организация ВЛП на основе платформы СЬАУЖЕ.

2.4. Программно-аппаратное обеспечение учебного процесса.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Инструментальное средство автоматизации построения ВЛП.

3.1. Процедура и технологии построения ВЛП на основе платформы СЬАУШЕ.

3.2. Проектирование и детализация архитектуры инструментального средства.

3.3. Проектирование интерфейсов инструментального средства.

3.4. Методика применения инструментального средства.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Организация публичных ВЛП: \уеЬ-центр «Социодинамика».

4.1. Концепция шеЬ-центра.

4.2. Состав и высокоуровневая архитектура луеЬ-центра.

4.3. Экспериментальные исследования производительности шеЬ-центра.

4.4. Пример выполнения ВЛП на основе шеЬ-центра.

Выводы по главе 4.

Глава 5 Использование инструментального средства для поддержки межвузовской мобильности молодых ученых.

5.1. Организация коллаборативной облачной инфраструктуры для поддержки межвузовской мобильности молодых ученых.

5.2. Процесс разработки композитных приложений для интерактивной визуализации.

5.3. Примеры композитных приложений, разработанных привлеченными молодыми учеными и специалистами.

5.4. Экспериментальное исследование возможности применения платформы облачных вычислений для обучения.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация процесса разработки виртуальных лабораторий на основе облачных вычислений»

Развитие технологий «электронного обучения» (eLearning) предъявляет новые требования к формам и способам организации электронных образовательных ресурсов (ЭОР), одним из видов которых являются виртуальные лабораторные практикумы (ВЛП) - аппаратно-программные комплексы с дистанционным (удаленным) доступом, предназначенные для имитации процессов, протекающих в изучаемых реальных объектах. Традиционно такие комплексы включают в себя средства численного моделирования различных процессов и явлений, источники данных, в том числе - эмулирующие процессы в информационно-измерительных системах, инструменты интерпретации полученных результатов (включая визуализацию), а также инфраструктуру, обеспечивающую их использование посредством Интернет. В России развитию методов и технологий разработки и использования ВЛП посвящены работы научных коллективов В.П. Гергеля, С.А. Бояшовой, Л.С. Лисицыной, A.B. Лямина, O.A. Касьянова и ряда других исследователей.

Одной из перспективных концепций для построения инфраструктуры ЭОР являются облачные вычисления, отражающие модель предоставления доступа по требованию к массиву настраиваемых компьютерных ресурсов (например, сетям, серверам, хранилищам, приложениям и сервисам), которые могут быть быстро зарезервированы и высвобождены с минимальными управляющими усилиями или действиями со стороны провайдера. Однако прямой перенос принципов облачных вычислений, характерных для бизнес-приложений, для поддержки ВЛП не всегда продуктивен, поскольку не позволяет в полной мере отразить их методическую составляющую. Как следствие, это ставит проблему адаптации специфических моделей и разработки предметно-ориентированных облачных технологий, ориентированных на особенности обучения с использованием ВЛП. Одной из них является модель AaaS (Application as a Service), которая позволяет описывать процессы, изучаемые посредством ВЛП, в форме композитных приложений (КП) - совокупности взаимодействующих облачных сервисов, ориентированных на решение общей задачи. Каждый из таких сервисов решает задачи численного моделирования, доступа к данным или обработки результатов, а связи между ними отражают структуру рассматриваемого объекта с заданной степенью детализации. Однако практическая технология разработки и настройки ВЛП с использованием модели AaaS в настоящее время неразвита, что и определяет актуальность темы исследования.

Предметом исследования являются процессы создания ВЛП, функционирующих в среде облачных вычислений.

Целью работы является решение задачи, играющей существенную роль в области проектирования и разработки ЭОР на основе облачных вычислений - создание моделей обучения и технологий автоматизации процессов разработки и использования ВЛП в высокопроизводительных вычислительных средах на основе облачной модели AaaS.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели подразумевает решение следующих задач:

- определение требований к ВЛП на основе облачных вычислений, разработка моделей обучения с использованием AaaS, а также выбор платформы облачных вычислений для разработки ВЛП и его обоснование;

- проектирование программно-аппаратной среды организации ВЛП с использованием технологий облачных вычислений второго поколения;

- разработка процедуры автоматизации создания и модификации содержимого ВЛП, а также реализация инструментального средства для этих целей;

- экспериментальное исследование разработанных ВЛП и инструментальных средств на основе учебно-научного веб-центра «Социодинамика» в среде облачных вычислений;

- оценка возможности применения предложенных решений для совместной учебно-научной деятельности распределенных групп специалистов в рамках обеспечения межвузовской мобильности.

Методы исследования включают в себя методы теории графов, теории языков программирования, методы проектирования информационных систем и построения графических человеко-машинных интерфейсов, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна заключается в построении облачных ВЛП на основе модели AaaS второго поколения, интерпретирующей процесс обучения в виде формального потока заданий (workflow, WF), отображаемого на композитное приложение, которое функционирует в распределенной среде, что позволяет:

- обеспечить высокий уровень результатов освоения дисциплин совокупно по знание-вому, функциональному и личностно-мотивационному дескрипторам;

- минимизировать негативные эффекты технологий «электронного обучения»: эрозию знаний, иллюзию интерактивности и информационную избыточность.

Практическую ценность работы составляют:

- инструментальное средство для автоматизации процесса создания и модификации содержимого ВЛП;

- \уеЬ-ориентированный центр «Социодинамика», реализующий концепцию облачных вычислений и использующий модель АааБ для организации ВЛП.

На защиту выносятся:

- модели обучения с использованием ВЛП на основе перспективной модели облачных вычислений АааБ, которые позволяют снизить негативные эффекты эрозии знаний, иллюзии интерактивности и информационной избыточности при работе с ЭОР;

- процедура автоматизации создания и эксплуатации ВЛП на основе платформы облачных вычислений СЬАУЖЕ.

Достоверность научных результатов и выводов обусловлена результатами тестирования алгоритмов и программного обеспечения, экспериментальными исследованиями функциональных характеристик, исследованием на фокус-группах, а также практическим внедрением (опытной эксплуатацией) разработанных программных средств.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается в выполнении аналитического обзора в проблемной области диссертационной работы, обосновании требований к ВЛП, основанных на технологии облачных вычислений, участии в разработке семейства моделей обучения на основе АааБ, обосновании выбора платформы для разработки ВЛП, проектировании и реализации инструментального средства для автоматизации процесса создания и настройки содержимого облачных ВЛП, проектировании структуры и содержания учебно-методических материалов луеЬ-центра «Социодинамика», подготовке и проведении экспериментальных исследований луеЬ-центра, участии в организации исследований с привлечением фокус-групп. Из работ, выполненных в соавторстве, в диссертацию включены результаты, которые соответствуют личному участию автора.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам НИИ НКТ НИУ ИТМО:

Алексею Валентиновичу Духанову за обсуждение и полезные указания по развитию моделей обучения (п. 2.2),

Константину Валерьевичу Князъкову и Тимофею Николаевичу Чурову за поддержку вычислительной инфраструктуры СЬАУЖЕ, на основе которой строились средства автоматизации ВЛП (п. 2.4, 5.1),

Даниилу Валентиновичу Волошину и Ксении Антоновне Пузыревой за помощь в организации социологического исследования (п. 5.4).

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Болгова, Екатерина Владимировна

Выводы по главе 5

В пятой главе описывается использование инфраструктуры платформы СЬАУ1КЕ для создания облачного ВЛП как инструментального средства поддержки межвузовской мобильности молодых ученых. Приведены результаты апробации предложенного подхода к созданий ВЛП в рамках уникального проекта обеспечения межвузовской мобильности молодых ученых, посвященного разработке предметно-ориентированных технологий интерактивной ЗБ-визуализации.

Привлеченными специалистами был дистанционно разработан ряд композитных приложений, каждое из которых может интерпретироваться как интерактивный ВЛП, что позволило экспериментально исследовать эргономические и методические характеристики решений, описанных в главах 2 и 3 диссертации. Для экспериментальных исследований были проведены интервью с представителями двух фокус-групп.

Независимо от того, что респонденты обеих фокус-групп имели разную степень знакомства с СЬАУЖЕ, их мнения о достоинствах и недостатках технологии в общем совпадают. Респонденты дали в целом положительную оценку возможности применения платформы для обучения. Однако следует отметить, что из-за сложности освоения облачных технологий с точки зрения создания ВЛП, существенную роль играет качество эксплуатационной, программной и методической документации. тических ситуациях» в рамках реализации постановления Правительства РФ №220, «Высокопроизводительный программный комплекс для моделирования электронных и электромеханических свойств наноуглеродных объектов», «Разработка \уеЬ-ориентированного производственно-исследовательского центра в области социодинамики и ее приложений» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»

Полученные в работе результаты обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях, семинарах и совещаниях и круглых столах, включая: научный семинар Института информатики при Университете города Амстердам (декабрь 2010 г.), XIV Всероссийскую объединенную научную конференцию «Интернет и современное общество» (12-14 октября 2011г., г. Санкт-Петербург), XVIII Всероссийскую научно-методическую конференцию «Телематика'2011» (20-23 июня 2011 г., г. Санкт-Петребург), XIX Всероссийскую научно-методическую конференцию «Телематика'2012» (2012 г., Санкт-Петербург).

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 6 — в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ и 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Болгова, Екатерина Владимировна, 2012 год

1. Ong C.-S., Lai J.-Y., & Wang Y.-S. Factors affecting engineers' acceptance of asynchronous elearning systems in high-tech companies. Information & Management, 41 (6), 795-804.

2. Jones A.J. ICT and Future Teachers: Are we preparing for e-Learning? Paper presented at the

3. IP Working Groups 3.1 and 3.3 Conference: ICT and the Teacher of the Future, January 27-31, 2003, Melbourne, Australia.

4. ГОСТ P 53620-2009. Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Электронные образовательные ресурсы. Общие положения Введ. 01.01.2011. - М. : Стандартинформ, 2011. - 12 с.

5. ГОСТ Р 52653-2006. Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Термины и определения. Введ. 01.07.2008. - М. : Стандартинформ, 2007. - 12 с.

6. ГОСТ Р 52657-2006. Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Образовательные интернет-порталы федерального уровня. Рубрикация информационных ресурсов. Введ. 01.07.2008. - М. : Стандартинформ, 2007. - 12 с.

7. Глоссарий учебных реурсов. Электронный ресурс. Режим доступа: http://edu.kspu.rU/file.php/l/hrestomatia/glossarv.htm, свободный. Загл. с экрана.

8. Трухин А. В. Об использовании виртуальных лабораторий в образовании // Открытое идистанционное образование. 2002. №4 (8).

9. Глоссарий центра новых информационных технологий. Электронный ресурс. Режим доступа: http://cnit.mpei.ac.ru/textbook/07 00 00 00.htm. свободный. Загл. с экрана.

10. BenioffM., Lazowska E. Computational Science: Ensuring America's Competitiveness; President's Information Technology Advisory Committee (PITAC) Report, June 2005. http://www.nitrd.gov.

11. Васильев В. H., Лисицына Л. С., Лямин А. В. Сетевое сообщество на основе методического интернет-центра: первый опыт создания и перспективы развития//Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2006. №32. С. 254-259.

12. Foster /., Zhao Y, Raicu I., Lu S. Cloud Computing and Grid Computing 360-Degree Compared. Электронный ресурс. Режим доступа: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0901/0901.0131 .pdf, свободный.

13. Rajkumar Buyya, Chee Shin Yeo, Srikumar Venugopal, James Broberg, Ivona Brandie Cloud computing and emerging it platforms: Vision, hype, and reality for del ivering computing as the 5th utility, Future Generation Computer Systems 25 (6) (2009) 599-616.

14. Twenty-One Experts Define Cloud Computing // Cloud Computing Journal электронный ресурс. Режим доступа: http://cloudcomputing.sys-con.com/node/612375/, свободный.

15. NIST.gov Computer Security Division - Computer Security Resource Center электронный ресурс. Режим доступа: http://csrc.nist.gov/groups/SNS/cloud-computing/, свободный.

16. Defining the Cloud Computing Framework // Cloud Computing Journal электронный ресурс. Режим доступа: http://cloudcomputing.sys-con.com/node/811519, свободный.

17. Youseff L, Butrico M, Da Silva D. Toward a unified ontology of cloud computing. In: Grid computing environments workshop, 2008. GCE '08grid computing environments workshop, 2008, GCE '08, pp 1-10.

18. Cloud Computing Vendors Taxonomy // OpenCrowd электронный ресурс. Режим доступа: http://cloudtaxonomy.opencrowd.com/taxonomy/, свободный.

19. Laird OnDemand: Cloud Computing Taxonomy at Interop Las Vegas, May 2009 электронный ресурс. Режим доступа: http://peterlaird.blogspot.com/2009/05/cloud-computing-taxonomy-at-interop-las.html, свободный.

20. Marios D. Dikaiakos, Dimitrios Katsaros, Pankaj Mehra, George Pallis, Athena Vakali. Cloud computing: Distributed internet computing for it and scientific research, IEEE Internet Computing 13 (5) (2009) 10-13.

21. Jorge Ejarque, Marc de Paloland Inigo Goiri, Ferran Julia, Jordi Guitart, Rosa M. Badia, Jordi Torres SLA-driven semantically-enhanced dynamic resource allocator for vir tualized service providers, in: Proceedings of the e-Science Conference, 2008.

22. R. Buyya, D. Abramson, S. Venugopal The Grid economy, Proceedings of the IEEE 93 (3) (2005) 698-714.

23. G. Stuer, K. Vanmechelena, J. Broeckhovea A commodity market algorithm for pricing sub-stitutable grid resources, Future Generation Computer Systems 23 (5) (2007) 688-701.

24. B. Van Looy, P. Gemmel, R. Van Dierdonck (Eds.), Services Management: An Integrated Approach, in: Financial Times, Prentice Hall, Harlow, England, 2003.

25. Облачные вычисления в образовании электронный ресурс. Режим доступа: http://iite.unesco.org/flles/policy briefs/pdf/ru/cloud computing.pdf, свободный

26. Яндекс.Дискэлектронный ресурс. Режим доступа: http://disk.yandex.ru/, свободный.

27. Skydrive электронный ресурс. Режим доступа: https://skydrive.live.com/, свободный.

28. Виртуальная образовательная лаборатория VirtuLab. электронный ресурс. Режим доступа: http://www.virtulab.net/, свободный.

29. Виртуальная лаборатория «Физикам преподавателям и студентам» челябинского государственного университета. электронный ресурс. Режим доступа: http://teachmen.ru/, свободный.

30. Центр научно-образовательных электронных ресурсов eScience&Learning. электронный ресурс. Режим доступа: http://cdokp.tstu.tver.ru/site.center/index.aspx, свободный.

31. Математическое моделирование в естественных науках, электронный ресурс. Режим доступа: http://www.mathmod.aspu.ru/, свободный.

32. Виртуальная лаборатория «Физика», электронный ресурс. Режим доступа: http://barsic.spbu.ru/www/labl 108/index.html, свободный.

33. Язык программирования BARSIC. электронный ресурс. Режим доступа: http://progopedia.ru/language/barsic/, свободный.

34. Портал «Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом через сеть Internet к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования», электронный ресурс. Режим доступа: nanocent.rsreu.ru, свободный.

35. Mervyn F., Senthil Kumar А., Вок S.H., Nee A.Y.C. Developing distributed applications for integrated product and process design // Computer-Aided Design. Vol 36, Issue 8. 2004. P. 679-689.

36. Fan L.Q. et al. Development of a distributed collaborative design framework within peer-to-peer environment. // Computer-Aided Design. Vol. 40. 2008. P. 891-904.

37. Twenty-One Experts Define Cloud Computing Электронный ресурс.// Cloud Computing Journal. Режим доступа: http://cloudcomputing.sys-con.com/node/612375/, свободный. -Загл. с экрана. - Яз. англ.

38. Виртуальный лабораторный практикум «Многомасштабное моделирование в нанотех-нологиях». Электронный ресурс. Режим доступа: nanomodel.ru, свободный. - Загл. с экрана.

39. Triana Open Source Problem Solving Software Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.trianacode.org/.

40. I. Taylor, M. Shields, I. Wang, and A. Harrison. In I. Taylor, E. Deelman, D. Gannon, and M. Shields, editors, Workflows for e-Science, pages 320-339. Springer, New York, Secau-cus, NJ, USA, 2007.

41. LONI Pipeline Электронный ресурс. Режим доступа: http://pipeline.loni.ucla.edu/.

42. Taverna open source and domain independent Workflow Management System Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.taverna.org.uk/.

43. D. Hull, К. Wolstencroft, R. Stevens, C. Goble, M. Pocock, P. Li, and T. Oinn Taverna: a tool for building and running workflows of services. Nucleic Acids Research, vol. 34, iss. Web Server issue, pp. 729-732, 2006.

44. MeSsAGE Lab Nimrod Toolkit Электронный ресурс. - Режим доступа: http://messagelab.monash.edu.au/Nimrod.

45. Abramson D., Giddy, J. and'Kotler L. High Performance Parametric Modeling with Nim-rod/G: Killer Application for the Global Grid?, International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS), pp 520- 528, Cancun, Mexico, May 2000.

46. CLAVIRE: e-Science infrastructure for data-driven computing / К. V. Knyazkov, S. V. Kovalchuk, T. N. Tchurov, S. V. Maryin and A. V. Boukhanovsky // Journal of Computational Sciences, Vol. 3(6) 2012 - P. 504-510.

47. Бухановский А. В., Ковалъчук С. В., Марьин С. В. Интеллектуальные высокопроизводительные программные комплексы моделирования сложных систем: концепция, архитектура и примеры реализации // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 10. С. 5—24.

48. Бухановский А. В., Васильев В. Н. Современные программные комплексы компьютерного моделирования e-Science // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 3. С. 60—64.

49. A.B. Бухановский, В.Н. Васильев и др. CLAVIRE: Перспективная технология облачных вычислений второго поколения // Известия высших учебных заведений. Приборостроение.-2011.-№10.-С. 7-14.

50. Web-ориентированный производственно-исследовательский центр «Социодинамика». Электронный ресурс. Режим доступа: http://socio.escience.ifmo.ru/, свободный.

51. Учебно-научный комплекс «HPC-NASIS II Компьютерное моделирование в нанотех-нологиях». Электронный ресурс. - Режим доступа: http : //hpc-nasis. ifmo .ru/, свободный. - Загл. с экрана.

52. Князьков К.В. Технология разработки композитных приложений с использованием предметно-ориентированных программных модулей: Дис. канд. техн. наук: 05.13.11. СПб, 2012. 170 с.

53. Лисицына Л. С., Лямин A.B., Шехонин A.A. Разработка рабочих программ дисциплин (модулей) в составе основных образовательных программ, реализующих ФГОС ВПО. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011.

54. Chau, D. H., Pandit, S., Wang, S., & Faloutsos, C. Parallel crawling for online social networks. Proceedings of the 16th international conference on World Wide Web

55. Князьков К. В., Ларченко А. В. Предметно-ориентированные технологии разработки приложений в распределенных средах // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 10. С. 36-43.

56. Бухановский А. В., Васильев В. Н., Виноградов В. Ю., Смирнов Д. А., Сухорукое С. С., Яппаров Т. Г. CLAVIRE: перспективная технология облачных вычислений второго поколения // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2011. Вып. 10.

57. Инструментально-технологическая среда построения композитных приложений для моделирования сложных систем «Easis». Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ №2011611380.

58. Программная система интеллектуального сбора и анализа данных в социальных сетях «SD/Crawler». Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ №2012617951 от 03.09.2012 г.

59. Программная система анализа и моделирования информационных процессов в социальных сетях «SD/Dynamics». Св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012617949 от 03.09.2012 г.

60. Pajek Электронный ресурс. Режим доступа: http://pajek.imfm.si/doku.php?id=, свободный. Загл. с экрана. - Яз. англ.69. iGraph Электронный ресурс. Режим доступа: http://igraph.sourceforge.net/, свободный.

61. Network X Электронный ресурс. Режим доступа: http://netw0rkx.lanl.g0v/#, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ.

62. Prefuse information visualization toolkit Электронный ресурс. - Режим доступ: http://prefuse.org/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ.

63. StOCNET Электронный ресурс. Режим доступа: http://stat.gamma.rug.nl/stocnet/, свободный. Загл. с экрана. - Яз. англ.

64. JUNG Электронный ресурс. Режим доступа: jung.sourceforge.net, свободный. -Загл. с экрана. Яз. англ.

65. Olston С. Web Crawling // Foundations and Trends in Information Retrieval. 2010.

66. Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.» электронный ресурс. http://www.fcpk.rn/Default.aspx

67. Burdea G.C., Coiffet P. Virtual Reality Technology, 2nd Edition. Wiley-IEEE Press, 2003.

68. Young Russian researchers take up challenges in the computational sciences / Peter M.A. Sloot, Alexander V. Boukhanovsky // Journal of Computational Science, 3(6) 2012 - P. 439-440.

69. Prospects for Computational Steering of Evolutionary Computation / S. Bullock, J. Cartlidge, M. Thompson // Workshop Proceedings of the Eighth International Conference on Artificial Life. MIT Press. 2002. - pp. 8-13