Модели и методы автоматизированного проектирования информационных систем со сложно структурированными графическими данными тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Смирнов, Сергей Владимирович

• Смирнов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Сергей Владимирович

Введение.

Глава 1. Информационные системы в социально-образовательной сфере.

1.1. Анализ информационных систем в социально-образовательной сфере и инструментальных программных средств для их разработки.

1.2. Особенности задач предоставления услуг в социально-образовательной сфере.

1.3. Анализ информационных моделей при решении задач в социальнообразовательной сфере и требования к проектируемой СИС.

Выводы главы 1.

Глава 2. Разработка специализированной информационной аналитической модели предоставления услуг в социально-образовательной сфере.

2.1. Структура информационно-аналитической модели СИС и разработка средств для её создания.

2.2. Разработка модели графического слоя СИС.'.

2.3. Графоаналитическая модель тематического слоя СИС.

2.4. Выводы главы 2.

Глава 3. Анализ и разработка алгоритмов решении в СИС оптимизационных задач социально-образовательной сферы.

3.1. Структурная организация специализированной информационной системы.

3.2. Синтез структур программного обеспечения и анализ сложности их построения для решения оптимизационных задач в СИС.

3.3. Анализ и исследование возможностей использования алгоритмов определения кратчайшего пути в СИС.

3.4. Разработка алгоритма автоматической трассировки кратчайшего пути и подсистемы решения оптимизационных задач социальнообразовательной сферы.

3.5. Выводы главы 3.

Глава 4. Разработка программного обеспечения для решения оптимизационных задач и исследования его эффективности.

4.1. Архитектура СИС.

4.2. Программная реализация задачи поиска кратчайшего пути.

4.3. Оценка сложности автоматизации извлечения графической информации при решении задач в социально-образовательной сфере.

4.4. Структура данных и их преобразование.

4.5. Выводы главы 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и методы автоматизированного проектирования информационных систем со сложно структурированными графическими данными»

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, геоинформационные системы (ГИС) и т.п. Для устранения информационной недостаточности известно использование этих систем, но самые распространённые - ГИС используют ' ;■•>•. 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.

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 -O.A. Башкиров, A.M. Бершадский, A.C. Бождай, Ю.Г. Васин, В.Н. Васильев, Э.Д. Днепров, A.B. Духанов, А.Ю. Скопин, JI.B. 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, JI.M. Бугаевский, A.C. Васмут, JI.A. Вахрамеева, О.Ю. Жукова, H.H. Лосяков, Н.И. Мельниченко, Т.П. Нырцова, К.А. Салищев, И.И. Стрижкин и др.;

- принципов построения ГИС и САПР - Е.И. Артамонов, A.M. Берлянт, J1. М. Бугаевский, М. Зейлер, О.К.Кадетов, Е.Г. Капралов, Н.В. Коновалова, A.B. Кошкарёв, А.И. Мартыненко, Л.Ф. Ноженкова, М.П. Сидоренко, B.C. Тикунов, A.M. Трофимов, В.Ё. Хаксхольд, В.Я. Цветков, C.B. Шайтура, Е.Е. Ширяев, D.F. Marble, D.J. Peuquet, H. Samet, S. Tanimoto и др;

- дискретной математики - O.E. Акимов, М.О. Асанов, В.А. Баранский, И.А. Башмаков, К. Берж, A.A. Грешилов, В.А. Евстигнеев, A.A. Зыков, Н. Кристофидес, О.П. Кузнецов, О. Ope, Д.В. Тюкавкин, Р. Уилсон, JT.P. 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.

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, 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.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на Ш-й и 1У-й международных конференциях «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. С АО/САМ/РОМ» (Москва: ИПУ РАН, 2003, 2004 гг.), У-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.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Смирнов, Сергей Владимирович

Результаты исследования времени доступа к векторной карте в зависимости от увеличения или уменьшения масштаба

Заключение

В диссертационной работе обоснованы принципы структурной организации специализированных информационных систем со сложно структурированными графическими данными, разработаны алгоритмы, модели и методы их автоматизированного проектирования, интерактивные и языковые средства взаимодействия пользователей с системой. Получены следующие основные теоретические и практические результаты.

1. Определен класс специализированных информационных систем со сложно структурированными графическими данными (СИС), в которых за счет развитых средств взаимодействия пользователей с системой, особенно графических, при постоянно увеличивающейся сложности решаемых задач общение пользователей с системой происходит в реальном масштабе времени. На примерах систем, используемых в социально-образовательной сфере, рассмотрены особенности алгоритмов функционирования, их структурной организации, совмещенных графических и текстовых структур данных. Проведён анализ методов проектирования таких систем. Показано, что современные методы проектирования не учитывают особенности структур данных и способов их представления, отсутствуют методы автоматизации процесса синтеза их структур и разработки средств графического взаимодействия пользователей с системами.

2. На основе анализа структур алгоритмов 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.

3. Разработана структура информационно-аналитической модели СИС применительно к объектам социально-образовательной сферы территориально-административных округов г.Москвы. Модель содержит графические и тематические слои информации. В графических слоях хранится картографическая информация, группы семантически связанных графических объектов, а также условные обозначения (знаки) объектов. В графических слоях хранятся карты округов г.Москвы и карты маршрутов городского транспорта. В тематических слоях формируется информация об исследуемой предметной области, например, общая информация о школах округа, о транспортном пути до школы и т.п.

4. Разработана унифицированная структура данных графических слоев информационно-аналитической модели СИС, включающая перечень записей векторных и растровых объектов, их технологические характеристики, взаимосвязи между объектами и с процессами их обработки. Для компактного хранения растровых объектов предложено использование квадратомических структур.

5. Созданы языковые и интерактивные средства взаимодействия пользователя с СИС. Языковые средства взаимодействия содержат пять классов операторов: задания единиц измерения и масштабирования; формирования геометрических моделей; задания типов объектов и их настройки на цветовое восприятие пользователя; описания сопутствующих вычислений, геометрических построений и преобразований; описания растровой структур.

6. Проведен анализ методов синтеза структур систем. Для автоматизации процесса проектирования структур СИС со сложно структурированными графическими данными вводятся элементы формализации, основанные на использовании типовых структур данных внешних устройств и геометрических процессоров, алгоритмов преобразования структур данных и обработки геометрических моделей, используемых алгоритмов и структур данных средств визуализации и вывода на внешние устройства.

7. Создан метод синтеза структур СИС, включающий операции с алгоритмами функционирования, создания обобщенной графовой модели СИС для различных конфигураций алгоритмов и формального выбора лучшей структуры по наперед заданным критериям.

8. Проведен анализ алгоритмов решения задач автоматизированного размещения объектов социально-образовательной сферы и определения оптимальных путей их обслуживания. Разработан универсальный алгоритм многокритериального определения кратчайшего пути на растровой модели.

9. На основе разработанного метода синтеза структур СИС получены возможные варианты построения структур подсистем обработки сложно структурированной графической информации и решения оптимизационных задач размещения объектов и поиска оптимальных путей обслуживания объектов социально-образовательной сферы. Показано, что за счет операций с алгоритмами, систематизации реализаций по структурам данных и их взаимным преобразованиям появляются принципиально новые решения по структурной организации таких подсистем.

10. Разработано программное обеспечение графической, информационной и проблемно-ориентированной подсистем СИС для управления социально-образовательной сферой. Созданы базы данных графической, информационной и проблемно-ориентированной подсистем СИС для целей управления социально-образовательной сферой, которые включают электронные модели микрорайонов с возможностью решения задач размещения и определения путей обслуживания различных объектов социально-образовательной сферы Северного и Юго-Западного административных округов г. Москвы, статистическую информацию по объектам социально-образовательной сферы г. Москвы и др. Созданная СИ С позволила повысить эффективность решения рутинных задач, стоящих перед окружными органами управления средним образованием.

11. Разработанные в диссертационной работе модели, методы, алгоритмы, программное и информационное обеспечения СИС для управления социально-образовательной сферой внедрены в окружных управлениях образованием Северного и Юго-Западного административных округов г. Москвы. Получены акты о внедрении.

130