Модели и методы повышения эффективности коммуникаций в информационных системах, ориентированных на дистанционное обучение и научные исследования

Актуальность исследования. Сегодня стало очевидным, что образование в системе обеспечения национальной безопасности России занимает одно из центральных мест. Особенно остро этот вопрос стоит в настоящее время, когда социально-экономическую ситуацию в России в целом, а также состояние промышленности с полным правом можно назвать критическим. Несмотря на это, систему высшего образования страны пока удалось сохранить.

Динамика социально-экономического развития общества показывает, что уровень благосостояния его граждан и общества в целом значительно зависит от уровня организации и эффективности функционирования целостной системы подготовки кадров, востребованных рынком труда. Успех в достижении названной цели во многом определяется степенью подготовки высококвалифицированных специалистов, способных обеспечить постановку ключевых задач, научное сопровождение их решения, техническую и организационную реализацию. В связи с этим очевидно, что образование является одним из важнейших факторов, способных оказывать серьезное влияние на все аспекты национальной безопасности (в т.ч. военной, экономической, политической, социальной, информационной) и создавать условия для успешного завершения политических и экономических реформ и перехода к стабильному развитию.

Происходящие в последние годы глубокие перемены в социально-экономической сфере в России требуют нового взгляда на систему высшего образования [1,2]. В ведущих странах мира уже в середине 60-х гг. была осознана необходимость подготовки и повышения квалификации граждан на основе, как тогда понималось, «нетрадиционных» образовательных технологий. За последние 40 лет в зарубежных системах образования произошли существенные структурные изменения, обусловленные развитием возрастающего, всестороннего воздействия научно-технического прогресса на жизнедеятельность общества. По данным зарубежных экспертов к 2000 г. каждый работающий будет нуждаться в высшем образовании, т. е. в минимальном уровне образования, необходимом для выживания человечества. Обучение такого количества студентов по очной (дневной) форме вряд ли выдержат бюджеты даже самых благополучных стран. Поэтому не случайно за последние десятилетия численность обучающихся по дистанционным технологиям растет быстрее числа студентов дневных отделений. Мировая тенденция перехода к дистанционным формам образования прослеживается и в росте числа вузов, ведущих подготовку по этим технологиям. В мире за период 1900;1960 гг. их было создано 79, за 1960;1970 гг. -70, а только за 1970;1980 гг. — 187.

Дистанционное обучение (ДО) — одно из наиболее быстро развивающихся направлений системы образования, как за рубежом, так и в России. Это качественно новый вид обучения, базирующийся на современных информационных технологиях и использующий современные средства телекоммуникаций. Однако в России дистанционное обучение переживает этап становления, в частности, этим объясняется отсутствие общепринятого определения ДО и многовариантность толкования этого понятия.

Система дистанционного обучения (СДО) — это комплекс образовательных программ, реализуемых в учебном процессе под управлением системы организационных мероприятий и нормативной базы на основе специализированной информационно-образовательной среды.

Технологии ДО позволяют получать базовое или дополнительное образование без отрыва от основной деятельности, не меняя своего географического положения, выбирая удобное время и удобный темп обучения, а также обеспечивают реализацию конституционного права на образование каждого гражданина страны.

Дистанционное обучение не является антагонистичным по отношению к существующим традиционным очным и заочным технологиям, ее развитие не ведет к ликвидации этих классическим систем. Наоборот, дистанционное обучение естественным образом интегрируется в эти системы, совершенствуя и развивая их.

Для системы дистанционного обучения, характерно следующее:

• использование технологии баз данныхналичие достаточно сложной системы организации хранения данных во внешней памяти;

• использование механизмов, реализующих поддержку ссылок из одних информационных блоков в другие и разрешающих пользователю напрямую взаимодействовать с этими информационными блоками и устанавливать новые связи между ними;

• низкая эффективность коммуникационных процессов.

Аналогичные особенности и проблемы возникают в информационных системах для исследования уровня связанного углерода в древесине для заданной территории.

Вопросы повышения эффективности коммуникационных процессов в информационных системах для дистанционного обучения и научных исследований уровня связанного углерода являются актуальными.

Проблема, которой посвящено диссертационное исследование, многоаспектная и решалась в течение разных лет многими учеными и специалистами. В частности, проблематика организации эффективных коммуникаций в информационных системах исследовалась Мартином Дж. (Martin J.), Дейтом К. (Date С.), Тиори Т. (Теогеу Т.), Фрайем Дж. (Fry J.), Люмом В. (Lum Y.), Доддом M. (Dodd M.), вопросы гипертекстового моделирования — Ованесбеко-вым Л.Г., Конклином Дж. (Conklin J.), Шашем Д. (Shasha D.), вопросы организации ДО исследовались как отечественными авторами — Нежуриной М. И., Молчановой О. П., Школяр H.A., Бершадским A.M., Кревским А. Г., Норенко-вым И.П. так и зарубежными Лоингом Б. (Loing В.), Хейткампом T. (Heitkamp Th.), Куллен M. (Cullen M.), вопросы построения информационных систем для исследования уровня связанного углерода рассматривались Луганским H.A., Сальниковым A.A.

Однако, не все аспекты данной проблемы в настоящее время достаточно изучены, что вызывает необходимость их дальнейшей углубленной проработки и исследований. Все это и послужило основанием выборы темы исследования.

Целью диссертационного исследования является разработка моделей, методов и программного обеспечения для повышения эффективности коммуникаций в информационных системах, ориентированных на дистанционное обучение и информационных систем исследования связанного углерода.

В диссертации были решены следующие задачи:

1. Исследована применимость СУБД для реализации гипертекстовых информационных систем.

2. Разработана модель, методы организации и структуры хранения данных, обеспечивающие более эффективные коммуникационные процессы в информационных системах.

3. Разработан метод физической адресации данных, сокращающий время поискан извлечения информации в предлагаемой информационной модели.

4. Разработано программное обеспечение в среде С++ и Natural AD ABAS для СДО с использованием гипертекстовой информационной модели.

5. Проведена адаптация информационно-программных составляющих для информационных систем исследования уровня связанного углерода в древесине.

6. Разработанная система внедрена в учебный процесс и НИР Уральской государственной лесотехнической академии (УТЛТА).

Объект исследования: программное и информационное обеспечение для информационных систем СДО и НИР в УГЛТА.

Предмет исследования: теоретические, методологические и практические вопросы обеспечения эффективных коммуникационных процессов в информационных системах ориентированных на реализацию дистанционного обучения и исследования связанного углерода.

Используемые методы. Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили работы отечественных и зарубежных ученых по проблемам организации дистанционного обучения, гипертекстовых систем, моделям данных, организации баз данных, методам хеширования и функций подстановок. Были также использованы законодательные акты, инструктивно-методические документы, нормативные документы всех уровней управления. Решение поставленных в работе задач осуществлялось с использованием системного подхода, методов статистического анализа.

Научная новизна полученных результатов сводится к следующему:

• предложена модель гипертекстовой информационной системы дистанционного обучения;

• впервые разработана модель представления данных обучающей системы ДОпреимуществом данной модели является универсальность самих данных, т.к. компоненты и связи между ними изначально разделены в различные сущности;

• разработан алгоритм произвольного доступа к данным;

• модель информационно-программной среды СДО реализована средствами промышленной СУБД ADABAS;

• разработано программное обеспечение в средах С++ и Natural для организации эффективных коммуникаций СДО;

• предложена более эффективная информационно-программная среда для хранения и обработки статистической информации об уровне содержания углерода в лесных массивах.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что предлагаемые в диссертационном исследовании модели и методы, позволяют создавать информационные системы широкого спектра применения, как в образовательной, так и в научной, производственной сферах деятельности человека. Модели и методы, основанные на гипертекстовом представлении информации, раздельном хранении данных и их свойств, реализуются средствами СУБД и обеспечивают эффективные коммуникационные процессы внутри системы.

Реализация результатов работы. Проведенное исследование позволило предложить модели и методы создания информационных гипертекстовых систем, разработать информационно-программную среду системы дистанционного обучения УГЛТА средствами СУБД АЕ) АВА8, эффективней проводить научные исследования по НИР слабоструктурированных систем. Результаты научных исследований, выполненных в диссертационной работе, используются не только в СДО и научных исследованиях УГЛТА, а также в проектных реализациях автоматизированных систем управления промышленными предприятиями уральского региона: Федеральном государственном унитарном предприятии «Вектор», Муниципальном унитарном предприятии «Производственный жилищно-ремонтный трест» г. Качканар, Ремонтно-строительном тресте Тюментрансгаза «Югорскремстройгаз» г. Югорск, в корпоративных информационных системах Югорского филиала «Газпромбанка», г. Югорск, отделении № 7892 Сбербанка РФ, г. Советский.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены и получили одобрение на Областных научно-технических конференциях «Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса» (г.Екатеринбург, УГЛТА, февраль 1995, март 1997гг.), на Научно-практическом семинаре «Применение баз данных» (г.Пенза, Пенз. ГТУ, ноябрь 1997 г.), на Международной научно-методической конференции «Формирование профессиональных образовательных программ: проблемы, задачи, реализация» (г.Екатеринбург, УГЛТА, февраль 1998 г.), на Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (г.Новосибирск, НИИ математико-информационных основ обучения НГУ, март 1998 г.), на Всероссийском семинаре по дистанционному обучению «Организация дистанционного обучения в учебных заведениях и на предприятиях» (г.Москва, Агентство «Интеллектуальные ресурсы» и Ассоциация международного образования, июнь 1998 г.), на Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'98» (г.Санкт-Петербург, Республиканский научный центр компьютерных телекоммуникационных сетей высшей школы, июнь 1998 г.), на Международной научно-технической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (г.Екатеринбург, УГЛТА, февраль 1999 г.).

Автор принимал участие в 3~ научно-исследовательских работах, посвященных проблематике слабоструктурированных объектов, по заказу Министерства образования РФ (шифр УГЛТА 1.1.95, №ГР 01.960.9 804, шифр УГЛТА 1.2.95, №ГР 01.960.9 803, шифр УГЛТА 1.1.98 №ГР 01.9.80 006 371).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа включает 151 страницу машинописного текста, 20 рисунков, 20 таблиц, 7 приложений. Библиографический список содержит 100 названия.

4.3 Выводы по главе 4.

Использование обобщенного алгоритма кодов для функции хеширования обеспечивает независимость программного обеспечения от вида функции, так как при изменении функции меняются только вектора преобразований. А вектора преобразований зависят от структуры распределения ключей по адресам.

Рис. 16. Распределение удельной плотности адресов от значения адреса.

5 Применение и использование результатов исследования.

В СДО реализованы методы и алгоритмы, разработанные в выше приведенных разделах. *.

Формальная модель базы данных определена на множествах Т, Б, Н и функциях Б, Б. Графическая взаимосвязь между Т, Э и Н показана на рис. 17.

При реализации модели базы данных, разработанной в предыдущих разделах, и с учетом [91, 92, 93, 94, 95, 96, 97] была определена следующая интерпретация:

• множество Н представляет внешние имена структур базы данных, т. е. пользователь может под разными именами обращаться к одному и тому же элементу и отношению;

• множество О представляет идентификаторы элементов и отношений множества Т ;

• множество Т* представляет домены, из элементов которых образуются записи, принадлежащие Т. Как следствие, все отношения и сама база данных — это подмножество множества Т*;

• функции 8 и Б задаются через свойства элементов и отношений.

При физической реализации мультипликативной модели базы данных определены ассоциатор базы данных и область хранения. В ассоциаторе данных хранятся свойства структур базы данных (множества Н, О, Т* функции 8, Б). В области хранения размещаются экземпляры схемы базы данных.

Функция Б формальной модели задается как множество упорядоченных пар <НЪ М1>, где Н1 — идентификатор элемента (его селектор), М1 = {111 — имя}. Биективность такого представления была доказана в разделе 3.3.

Рис. 17. Взаимосвязь между Т*, D% Н*.

Функция Р формальной модели задается в виде адресного преобразователя, где для каждого идентификатора определен адрес в области хранения. Эта функция строится автоматически, т. е. она в виде алгоритма реализована как программный модуль комплекса.

Для построения указателей V1-W4, используются четыре последних свойства. При этом накладываются следующие ограничения:

• в формировании ТУ 1ЛУ4 могут использоваться только дескрипторы;

• только один элемент может быть ключом;

• если характеристика длины значения элемента превышает 20 байт, должно использоваться раздельное хранение;

Для записи базы данных определены следующие свойства:

— индивидуальный системный номер;

— характеристика длины.

Для файла базы данных определено:

— номер файла в базе данных;

— имя файла;

— связь с другими файлами.

Связь Ъ между файлами определяется как упорядоченная четверка элементов.

7 =.

Связь существует неявно относительно файлов N1 и N2, т. е. при обработке файлов N1 и N2 считается, что запись аъ принадлежащая файлу N1, связана со всеми записями у,-, принадлежащими файлу N2, если проекция а,[Н]] и у^Н2] равны, связь файла N1 и N2 считается двунаправленной, т. е.

V (а, е N1) 3 (у, е М2) (а, [Н^ = у, [Н2]),.

V Сп е N2) 3 (а, е N0 (у, [Н2] = а, [Щ).

Так, определенная связь файлов Ъ не требует никаких ссылок и указателей, но необходимо обеспечивать при загрузке записей в файл базы данных идентичность по типу значения и характеристике длины связанных элементов Н] и Н2.

Для базы данных определены следующие свойства:

— номер базы данных;

— имя базы данных.

Физическая база данных представлена двумя наборами — ассоциатором и областью хранения. В качестве методов организации хранения данных принято два способа:

— частично инвертированных файлов;

— метод таблиц умножения.

Такой выбор объясняется тем, что БД СДО предназначена для работы в реальном режиме времени [98]. Более подробно эти вопросы освещены в технической документации на СДО.

Каждый из указанных методов организации является технологической характеристикой и определяется для каждого файла базы данных.

Вся область хранения разбивается на блоки фиксированной длины. В каждом блоке может храниться одна или несколько записей. Все записи одного файла имеют фиксированную длину и не содержат в себе никакой другой информации, кроме значения. Все свойства структур данных базы, домены, указатели, вспомогательные таблицы располагаются в ассоциаторе. Вся область ассоциатора разбивается на две части (рис.18). В первой все пространство разбивается на фиксированные области по количеству файлов. Вторая часть предназначена для хранения словаря базы данных и доменов.

Ассоциатор

Рис. 18. Структура ассоциатора.

Размеры ассоциатора данных и области хранения являются технологическими характеристиками и при своем изменении требуют реорганизации базы данных системы дистанционного обучения. Временные характеристики реорганизации БД из 1500, 3000, 4500 записей приведены в табл.18. рис. 19.

Заключение

.

В ходе диссертационного исследования получены следующие результаты:

• Исследована применимость СУБД для реализации гипертекстовых информационных систем, предложена СУБД ADABAS.

• Разработаны модели, методы организации и структуры хранения данных, обеспечивающие более эффективные коммуникационные процессы в информационных системах.

• Разработан метод физической адресации данных, сокращающий время поиска и извлечения информации.

• Разработано программное обеспечение в среде С++ и Natural ADABAS для СДО с использованием гипертекстовой информационной модели.

• Проведена адаптация информационно-программных составляющих для информационных систем исследования уровня связанного углерода в древесине.

• Разработанная система внедрена в учебный процесс и НИР Уральской государственной лесотехнической академии.

Цель диссертационной работы достигнута. Научные исследования, выполненные в диссертационной работе, используются не только в СДО УГЛТА, а также в проектных реализациях автоматизированных систем управления ряда промышленных предприятий Уральского региона.