автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Технологические средства информатизации учебного процесса в вузах правоохранительных органов и Министерства обороны

АКАДЕМИЯ ОБОРОННЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

, /Я ? М / ! А) / хЧ .1/ / Г^

/ ^НаУправах рукописи /

ЖИЛИН Вадим Валентинович \\Uii)

г«'

\

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАТИЗАЦИИ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА В ВУЗАХ ПРАВООХРАНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ И МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ

Специальность 05.13.14 - Системы обработки информации

и управления.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1995

Работа выполнена в Академии оборонных отраслей промышленности.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Кострыкин А. И.;

кандидат юридических наук, доцент Дубинский Ю. М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Умрихин Ю.Д.

доктор технических наук, профессор Асеев Б. Е.

Ведущая организация: Информационно-аналитическое

управление ФСБ РФ

Защита состоится декабря 1995 г. вчасов на заседании

диссертационного совета Д.115.05.01 при Академии оборонных отраслей промышленности по адресу: Москва, ул.Молодогвардейская, 46. к. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии оборонных отраслей промышленности.

Автореферат разослан ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационно, к. т. н., доцент

Ю.И.Пересов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Выполнение задач, возложенных как на правоохранительные органы, так и на Министерство обороны (МО), в современных условиях требует реализации новых подходов к организации и осуществлению оперативно-служебной деятельности. Одно из основных мест среди них отводится информатизации. Она направлена на реализацию качественно новых возможностей деятельности сотрудников и предполагает разработку таких средств, форм и методов этой деятельности, которые отвечали бы запросам сегодняшнего информационного общества и соответственно требует осуществления необходимой для этого подготовки. Последняя возможна только на базе принципиально нового подхода к обучению сотрудников правоохранительных органов и МО, что обусловливает внедрение новых форм и методов обучения на основе современных информационных технологий, т.е. информатизацию обучения.

Вузы правоохранительных органов и МО занимают особое положение в силу своего военного статуса, тесной ведомственной взаимосвязи, подчиненности, целевого заказа на подготовку офицерских кадров. Информатизация учебно-воспитательного процесса(УВП) в этих вузах обладает рядом существенных особенностей, обусловленных спецификой указанных ведомств и спецификой самого УВП, что придает ему особую направленность и содержание и снижает эффективность применения в нем многих из разработанных у нас в стране и за рубежом информационно-компьютерных технологий общевузовского типа.

Во многих военных вузах(ввузах) проводятся исследования и практическая реализация компьютерных технологий обучения. Однако чаще всего эта работа не носит комплексного характера. На сегодняшний день остается далеко не полной научная и методическая база проектирования и использования современных информационных технологий обучения в ввузах. В силу этого данная проблема представляет самостоятельный научный и практический интерес. В настоящей работе информатизация обучения исследуется с позиций внедрения в учебный процесс современных информационных технологий (СИТ). В качестве базы внедрения СИТ предлагается рассматривать комплекс взаимосвязанных автоматизированных систем обучения и управления (ACO и АСУ) в ввузе. ACO и АСУ ввуза рассматриваются как подсистемы автоматизированных систем информационного обеспечения (АСИО) и АСУ соответствующих ведомств.

Информатизация технических дисциплин в ввузах правоохранительных органов и МО продвинулась достаточно далеко. В информатизации гуманитарных дисциплин, в основном специальных и в целом профессиональной подготовки, в рассматриваемых ввузах налицо существенное отставание

(по целому ряду дисциплин такие работы вообще не проводились). Поэтому актуальной является задача теоретического исследования и практической реализации информационно-компьютерных технологий в области специальной (и в целом профессиональной) подготовки гуманитарного профиля с учетом опыта и результатов, накопленных при информатизации обучения в других областях.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель диссертационного исследования состоит в том, чтобы на основе анализа процессов разработки, эксплуатации и сопровождения ACO(АСУ) военных вузов предложить элементы теоретических основ проектирования функциональных и обеспечивающих компонент этих систем и разработать методики рационального проектирования данных компонент. Применение таких методик позволит повышать эффективность создаваемых ACO(АСУ).

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Объектом исследования являются технологические средства информатизации учебного процесса в ввузах правоохранительных органов и МО, важнейшими компонентами которых выступают ACO(АСУ) в этих вузах. При этом детально исследуются функциональная часть и важнейшие обеспечивающие компоненты автоматизированных систем обучения.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Предметом исследования являются процессы проектирования различных составляющих ACO(АСУ) ввуза с позиций их тесной взаимосвязи и влияния на эффективность функционирования систем в целом.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для достижения поставленной цели в диссертации осуществляется решение следующих основных задач:

1) исследование предметной области организации учебного процесса в ввузах правоохранительных органов и МО в условиях информатизации;

2) анализ существующих подходов к информатизации УВП;

3) исследование организационно-функциональной структуры ACO(АСУ);

4) разработка математических моделей, описывающих функционирование рассматриваемых автоматизированных систем в целом и их важнейших технологических подсистем;

5) исследование принципов построения информационного и лингвистического обеспечения ACO(АСУ) и разработка моделей лингвистического обеспечения в предметной области правоохранительной деятельности;

6) разработка алгоритма редукции, сводящего лингвистические конструкции типа исчисления предикатов в "алгебру структур", для связи на непротиворечивом конструкционно-технологическом уровне лингвистического и программного обеспечения(ПО) ACO(АСУ);

7) разработка методики рационального выбора компонент ПО на основе предложенной системы показателей;

8) реализация методики рационального выбора ПО ACO(АСУ) для конкретного класса ЭВМ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач в работе использованы методы системного подхода, аппарат теории случайных процессов, теории массового обслуживания, теории формальных языков и символьных конструкций, исчисления предикатов, алгебраических систем, методы экспертного оценивания.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- с системных позиций исследован комплекс мероприятий по проектированию функциональной структуры и обеспечивающих компонент ACO(АСУ), используемых в ввузах правоохранительных органов и МО с учетом специфики предметной области:

- поставлены и реализованы задачи математического моделирования технологии функционирования ACO(АСУ) ;

- в разработанных моделях учтены:

- наличие случайных факторов, вносимых обучаемыми, преподавателями, надежностью технических устройств;

- не только стационарные, но и переходные режимы функционирования различных технологических подсистем ACO;

- стохастический характер наполнения информационно-дидактической базы(ИДБ);

- ограниченность ресурсов технического обеспечения ACO(АСУ);

- при разработке моделей лингвистического обеспечения учтена специфика информационного представления задач из предметной области оперативно-служебной деятельности правоохранительных органов;

- разработаны методики взаимоувязывания различных обеспечивающих компонент ACO(АСУ):

- предложенная методика рационального выбора компонент программного обеспечения основана на анализе целевого назначения системы и учитывает важнейшие характеристики качества.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

- информатизация учебного процесса в ввузах правоохранительных органов и МО обладает рядом существенных особенностей и требует в целом ряде случаев разработки специализированных информационно-компьютерных технологий обучения и методов их проектирования и эксплуатации;

- создание эффективных информационных технологий обучения требует разработки комплекса мероприятий по проектированию организационно-функциональной структуры и системы обеспечивающих компонент с учетом их взаимозависимости и взаимного влияния;

- для исследования процессов функционирования подсистем сбора информации и комплектования ACO, первичной (аналитической) обработки информации и ввода в автоматизированный контур предлагается модель многоканальной системы массового обслуживания с пуассоновским потоком требований на обработку;

- для исследования функционирования ИДБ предлагается стохастическая математическая модель процессов накопления и изъятия информации;

- внешняя информационная модель, выраженная средствами лингвистического обеспечения, принципиально учитывает специфику предметной области и требует разработки специальных алгоритмов редукции для непротиворечивой конструкционно-технологической связи с уровнем физической реализации(внутренней информационной моделью);

- для описания внутренней модели представления информации в ACO(АСУ) предлагается "алгебра структур" с дополнением обычных теоретико-множественных операций специальными операциями произведения, простого и сложного выбора, деления и проецирования;

- в рамках проектирования ПО ACO(АСУ) предлагается использовать методику рационального выбора компонент общего ПО, исходя из оценки эффективности системы в целом и с учетом важнейших характеристик(показателей) качества;

- показатели эффективности ПО целесообразно строить в виде функционалов, интегрирующих в себя показатели пропускной способности, надежности и полезности функционирования системы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Практическая значимость работы заключается в использовании полученных результатов при проектировании и эксплуатации ряда автоматизированных систем, в том числе, ACO ДИСКО, ACO ПАИС-АЯКС, АСКЗ, СОЯ, которые применяются в учебном процессе и служеб-но-практической деятельности Академии ФСБ РФ, в/ч 92931 и др. Кроме того, настоящие материалы вошли в ряд учебных курсов "Основы информатизации оперативно-служебной деятельности", читаемых на потоках аспирантов, а также преподавателей и аналитиков Факультета подготовки руководящих кадров Академии ФСБ РФ. Практическая ценность работы подтверждается актами внедрения и использования ее результатов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Реализация результатов диссертационной работы проведена в Академии ФСБ РФ и в/ч 92931.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы прошли апробацию на научно-практических конференциях Высшей школы и Академии ФСБ РФ, межведомственных научно-технических семинарах кафедр N 5, 15, 76 Академии ФСБ РФ, в рамках Международной выставки программного обеспечения СОФ-ТУЛ.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, трех приложений. Диссертация содержит 205 страниц. 8 таблиц, 33 рисунка. Список литературы состоит из 92 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель исследования, содержится характеристика работы и ее результатов.

В первой главе определяется место объекта исследования в системе подготовки кадров в ввузах правоохранительных органов и МО в условиях информатизации деятельности этих ведомств и современного общества в целом. Рассматривается специфика учебного процесса в данных вузах и возможные направления его информатизации. Приводится общая характеристика автоматизированных систем обучения.

Под информатизацией обучения понимается совокупность средств. Форм и методов реализации дидактических возможностей комплекса технических средств обучения и современных средств связи на базе ЭВМ.

При исследовании вопросов информатизации УВП принято выделять две группы аспектов: психолого-педагогические и технологические. В диссертации исследуется, главным образом, вторая группа аспектов.

Информатизация УВП в вузах правоохранительных органов и МО обладает рядом существенных особенностей, обусловленных спецификой указанных ведомств и спецификой самого учебного процесса в данных вузах.

К числу важнейших специфических особенностей УВП, рассматриваемых в диссертации, относятся:

1. Особенности оперативно-служебной деятельности, которой обучаются слушатели.

2. Прикладная направленность обучения.

3. Проблемность обучения.

4. Сложность и слабая формализованность системы профессиональных навыков и умений.

5. Неоднозначность критериев оценки обученности слушателей.

В работе анализируется влияние этих специфических особенностей на процессы информатизации УВП.

В диссертации отмечается, что во всем комплексе проблем, связанных с разработкой СИТ в обучении, важную роль играют вопросы учета педагогического и методического опыта и дальнейшего развития педагогической теории. В настоящее время активно развивается концепция профес-сионально-деятельностного подхода к организации обучения. Принципы активного обучения становятся, своего рода, теоретической основой УВП, в

том числе, и в подготовке слушателей военных вузов. Это происходит в силу того, что данная методика наиболее полно соответствует целям, содержанию и условиям формирования профессиональных способностей сотрудников правоохранительных органов и МО.

В работе рассматриваются важнейшие принципы активного обучения и обосновывается положение о том, что использование информационно-компьютерных технологий как способа реализации активных методов обучения позволяет на качественно новом уровне осуществить эти принципы и добиться более эффективного выполнения учебно-организационных задач.

Необходимость создания единой интегрированной информационно-компьютерной среды выступает в роли условия внедрения СИТ в учебный процесс ввуза. Исследование диалектической взаимосвязи и взаимодействия систем управления деятельностью ведомств и соответствующих ввузов и их функциональных звеньев ( АСУ ведомства - АСУ ввуза - АСУ кафедры (отдела и_т. д.) - ACO кафедры) -позволяет рассматривать их в качестве практически реализуемой, в современных условиях, основы целенаправленного применения СИТ в обучении, ориентированной на повышение качества подготовки офицерских кадров.

В архитектурном плане ACO и АСУ понимаются как композиция их организационно-функциональной структуры и различных видов обеспечения . Обеспечение ACO представляется в виде совокупности следующих компонент: Smo- математическое обеспечение; Бло - лингвистическое обеспечение; Био- информационное обеспечение; Sno - программное обеспечение; Sto- техническое обеспечение;Бумо- учебно-методическое обеспечение,др. Наиболее полно в работе исследуются Smo, Бло, Sno в силу своей важности, а также исходя из требований заказчика.

Математическое обеспечение представляет собой совокупность математических методов, моделей, алгоритмов представления, хранения, обработки и передачи информации, использованную как при создании системы, так и в рамках ее эксплуатации. Математическое обеспечение занимает центральное место во всей обеспечивающей части системы, в силу того, что в АСУ и в ACO фактически поддерживаются динамические математические и информационные модели некоторых реальных предметных областей. Важнейшие составляющие математического обеспечения исследуются во второй главе.

Лингвистическое обеспечение - это совокупность языковых средств, необходимая пользователям при общении с автоматизированной системой. В него входят средства, используемые для формализации естественного языка, построения и сочетания информационных единиц при описании различных фрагментов предметной области, а также манипулирования данными различными категориями пользователей. Лингвистическое обеспечение в

современных условиях является логичным продолжением математического обеспечения. Это связано с тем, что в настоящее время те элементы, на которых базируется лингвистическое обеспечение( такие как символьные конструкции и формальные языки), являются достаточно исследованными математическими объектами. Исследованию вопросов разработки лингвистического обеспечения посвящена третья глава диссертации.

Программное обеспечение представляет собой совокупность общего и специального программного обеспечения. Вопросам разработки программного обеспечения и исследования его эффективности посвящена четвертая глава диссертации.

При исследовании организационно-функциональной структуры автоматизированных систем в диссертации сделан акцент на применение стохастических моделей с целью учета случайных факторов, вносимых слушателями, преподавателями, надежностью технических устройств и др., в процессе разработки и эксплуатации информационно-компьютерных технологий на базе ACO(АСУ) в ввузе.

Для достижения поставленных целей и разработки комплекса мероприятий по проектированию ACO (АСУ) в указанной предметной области в диссертации реализуется следующая последовательность задач. На первом этапе методами теории случайных процессов и теории массового обслуживания исследуется организационно-функциональная структура ACO(АСУ) ввуза. При этом разрабатываются стохастические модели функционирования систем в целом и важнейших технологических подсистем. На основе исследования построенных моделей предлагаются методические схемы по рациональному проектированию различных компонент . При этом рассчитываются необходимые ресурсы для реализации систем при заданных условиях и ограничениях. в том числе, требуемые технические ресурсы (объемы памяти, количество каналов обработки и т.д.), людские ресурсы и др. Эти исследования проводятся средствами математического обеспечения. Далее исследуются аспекты следующего уровня реализации системы (информационно-логической модели), который разрабатывается средствами лингвистического и информационного обеспечения. Для описания уровня внешней информационной модели разрабатывается вариант учебно-практического языка, описывающего структуру предметной области правоохранительной деятельности и поддерживающего систему исчисления предикатов. Для описания уровня внутренней модели представления информации (уровень реализации в базе данных) разрабатывается алгебраическая модель. Для связи указанных уровней представления предложен алгоритм редукции. В рамках этих исследований применяется аппарат теории формальных языков, символьных конструкций, исчисления предикатов, алгебраических систем. Тем самым предлагается методика проектирования лингвистического обеспече-

ния ACO(АСУ). На последнем этапе разрабатывается методика рационального проектирования компонент программного обеспечения. Таким образом, формируется комплекс мероприятий по проектированию ACO(АСУ) в рассматриваемой предметной области, начиная с уровня математической модели и заканчивая уровнем программно-технической реализации.

Во второй главе рассматриваются возможные составляющие математического обеспечения ACO(АСУ). Детализируется функциональная структура данных систем. Исследуются стохастические модели систем в целом и различных функциональных подсистем ACO(АСУ), позволяющие формализовать технологические процедуры и предложить рациональные схемы их проектирования и эксплуатации с позиций выбранных показателей эффективности.

В диссертации обосновывается эффективность применения аппарата марковских процессов для исследования функционирования ACO и АСУ ввуза и их технологических компонент.

Для моделирования процессов, протекающих в соответствии с определенным регламентом, исследуются возможности применения аппарата марковских процессов с дискретными состояниями и дискретным временем . Специфика учебного процесса, определяемая наличием программ, тематических планов, расписаний занятий, позволяет многие процессы рассматривать как дискретные, в которых события происходят в определенные моменты времени. Учитывая тот факт, что на возможность ACO выполнять свои прямые функциональные обязанности влияют, в первую очередь, характеристики надежности ПО и ТО, предлагается рассматриваются следующие функциональные состояния ACO: S0 - ACO функционирует нормально (безотказно); Sj - зафиксирован отказ (ошибка) ПО (она устраняется); S2 - зафиксирован отказ ТО (неисправность устраняется); S3 - зафиксирован отказ ПО и ТО (они устраняются). Ри- переходные вероятности. Размеченный граф состояний системы представлен на рис.1.

Рис. 1.

Для анализа стационарного режима определяются значения предельных вероятностей: Р0.Р1.Рг«Рз' физический смысл которых заключается в относительном времени пребывания системы в том или ином состоянии. Для них выводятся аналитические зависимости. Из системы балансовых уравнений для данного процесса выражения для предельных вероятностей получе-

_ g _

ны в виде, подобном приведенному ниже

Ро =

1 +

Р01+Р

з^оз^Рз^^зг) Рог+РзгР оз^^Рз^Рзг)

03

Р31+Р

32

Рю Рго

Для моделирования технологии функционирования ACO в динамике, в реальном масштабе времени, в диссертации применяется аппарат непрерывных марковских процессов. При этом основное внимание обращается на нормальное функционирование физической базы (т.е. программно-технического комплекса), как основы практически полезного функционирования всей ACO. Возможные состояния ACO следующие:

Sj - ACO функционирует нормально, выполняет учебную задачу; S2 - ACO работоспособна, но не выполняет учебную задачу;

S3 - зафиксирован сбой (ошибка) ПО ACO, тие решения о дальнейших действиях ;

анализ ситуации и приня-

S„

переключение на другой режим работы ПО. выполнение альтерна-

тивной (резервной) задачи;

Б5 - поиск ошибки ПО, коррекция программ;

Б6 - зафиксирован отказ ТО, ожидание диагностики неисправности;

S,

поиск неисправности ТО;

Б8 - ремонт ТО.

Размеченный граф состояний системы представлен на рис.2.

Х43 Рис. 2.

интенсивность перехода из состояния St в состояние S-,.

Для данного случая составляется система дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена, моделирующая процесс функционирования системы в общем виде.

При анализе систем подобного рода в диссертации исследуются следующие показатели:

- предельные вероятности состояний (Р5.....Р8);

- среднее время, в течение которого ACO функционирует нормально и полезно, т.е. выполняет свои задачи: m(t1)=l/X1=i/(Xig + Xt3 + Xl6);

- среднее время,в течение которого ACO не функционирует нормально и полезно, т.е. не решает необходимые задачи: m(Tj) = mít^d - Pj)/Pj где tt~ время однократного пребывания системы S в состоянии Sj,

- 10 -

Tj- время однократного пребывания системы вне состояния st.

Оценка качества функционирования ACO производится исходя из сравнения с показателями функционирования "идеальной" ACO, которая не подвержена отказам никаких компонент {ни ТО, ни ПО).

Далее во второй главе проводятся исследования функционирования ACO с точки зрения внутренней структуры, т.е. на уровне технологических подсистем и процедур.

На основе исследований, проводившихся автором в рамках информатизации учебного процесса в вузах правоохранительных органов, предлагается рассматривать следующую функциональную (или организационно-функциональную) структуру ACO.

Функциональная структура ACO. Рис. 3.

Информацион.фонды(ИДБ)

Средства автоматизации

Аудиторные фонды

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ

Sa

Sn

Se

SH

SB

Ба - административная подсистема; Бп - подсистема преподавателя; Бс - подсистема обучаемого (слушателя); Бн - подсистема НИР; Бв - обслуживающая (вспомогательная) подсистема. Центральное место занимают подсистемы преподавателя (Бп) и обучаемого (слушателя)- Бс. Они непосредственно связаны с процессом обучения и поэтому наиболее детально исследуются в работе.

В работе показывается, что подсистема преподавателя, в общем случае, представляет собой совокупность средств для подготовки, проведения и анализа результата занятий и по своей сути должна включать в себя основные функции подсистемы слушателя. На практике целесообразно определенные функции реализовывать в виде единых блоков, которые при необходимости будут вызываться и в подсистему. Эп. и в подсистему Бс.

Обозначения: ПИ - первичная информация, ВИ - вторичная информа-

- и -

ция. РК - ручной контур ACO, АК - автоматизированный контур ACO.

Проведенный в диссертации анализ процессов функционировании ACO позволяет выделить следующие основные типы технологических операций (процедур), которые реализуются на информационных потоках (элементы ПИ и ВИ) :

Oj - отбор ПИ из входного потока;

02 - первичная аналитическая обработка отобранных элементов ПИ (получение элементов ВИ);

03 - ввод элементов ВИ в автоматизированный контур;

04 - накопление и хранение ВИ в АК ИДБ;

05 - накопление и хранение ПИ в ручном контуре ИДБ;

06 - обработка информации по схемам подсистемы Sn;

07 - обработка информации по схемам подсистемы Se;

Оа - автономная обработка информации ACO.

К элементам ПИ относятся статьи, упражнения, фрагменты текстов, графические изображения, аудио-фрагменты и др., получаемые из учебников, пособий, журналов и т.д. В подсистеме сбора информации и комплектования ACO производится отбор ПИ, подлежащей накоплению в ACO. Далее производится первичная обработка этой информации, в результате которой получается ВИ в виде практических заданий, теоретических фрагментов, сценариев, графических и звуковых файлов(элементы ВИ).

В рамках выполнения операций Oj,02,о3,06,07,08 осуществляется определенная обработка информации некоторым "обслуживающим прибором". При этом существуют входные и выходные информационные потоки, и накопления элементов ПИ и ВИ в месте обслуживания не происходит. По принципиально иным схемам происходит реализация операций 04,05, когда информация накапливается в том или ином контуре ИДБ.

Для исследования этих двух типов технологических операций (процедур) предлагается использовать два типа математических моделей. Подсистемы и функциональные блоки, реализующие операции первой группы, представляют собой некоторые системы массового обслуживания (СМО). Они исследуются методами теории массового обслуживания. Для анализа операций второй группы в диссертации разработана математическая модель процессов накопления и изъятия информации в ИДБ ACO.

В рамках этой модели составляется система дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена. описывающая процесс функционирования ИДБ в общем виде:

dP0(t)/dt = Mj(t)P,(t) - X0(t)P0(t)

dP,(t)/dt = X„(t)P0(t) + Mü(t)P2(t) - CX4(t> + Mj(t))Pi(t)

dPk(t)/dt = Xk.1(t)PK.,(t)+ MK + j(t)PkMÍt>- (Mt)+Mk(t))Pk(t)

ГдеХк(1) - интенсивность поступления элементов ПИ(ВИ) в ИДБ, цк(t) - интенсивность изъятия принятого в ИДБ элемента.

Из системы этих соотношений выводятся основные зависимости для величин, наиболее существенно характеризующих процессы функционирования ИДБ. Большое значение имеет знание моментов распределения. В диссертации приведены методические схемы, позволяющие на основе знания этих величин прогнозировать требуемые ресурсы и временные характеристики технологических процессов, что является основой для принятия проектных решений. Для общей модели выводятся следующие соотношения:

со

dmx(t)/dt = I (Xk(t)-iik(t))Pic(t) . к = о

dDx(t) оэ

- = I [Xk(t) + pk(t) + 2(k-mx(t)) (Xk (t)-pk (t))] Pk (t).

dt k=0

На основе общей модели в диссертации построены конкретные математические модели функционирования ИДБ в различных режимах.

Математическая модель процесса накопления информации в ИДБ при Xk(t)=X(t), (t)=kju(t) описывает режим, при котором интенсивность поступления элементов ПИ(ВИ) не зависит от состояния ИДБ. Тогда :

:(t) = ехр(-|д(т)ат)[Jx(z)exp(

ít(t)dT)dz + mx(0)].

Ь V i*

Dx(t)= exp(-|2/i(t)dT) [ (X(z)+jt(z)mx(z))exp( 2¡i{x)áx)áz + Dx(0)j. oo o

В частном, но практически полезном, случае, когда X и fi - постоянные, получены следующие зависимости:

тх = X/fi(l - exp(-jit) + m0exp(-jit). При начальных условиях тх(0)=то=0 и Dx(0)=0 (ИДБ - пуста): mx(t) = Х/д(1 - exp(-Mt)). Dx(t) = Х/м(1 - exp(-jit)) = mx(t).

Этими зависимостями описывается стационарный режим функционирования ИДБ ACO. Для описания переходных режимов в работе предлагается использовать более сложный вид интенсивностей: X(t) = Х(1 - exp(-at)).

Для моделирования процессов "чистого" накопления (без изъятия) дидактики в ИДБ, которые имеют место на начальном этапе эксплуатации ACO, предлагаются следующие соотношения:

ш

о

о

mx(t) = D„(t) =

X(l-exp(-az))dz = X(t - exp(-at)/a).

На практике через время 3/a среднее количество элементов ПИ (ВИ), накопленных в ИДБ определяется по формуле: mx(t) = X(t - l/a).

По мере эксплуатации ACO определенные элементы дидактики в ИДБ устаревают. Появляется потребность в их изъятии. Процесс "чистого" накопления переходит в процесс накопления-изъятия, для которого интенсивность изъятая предлагается описывать следующим образом: M(t) = д(1 - exp(-bt)), b - параметр, характеризующий конкретную ACO.

Для этого режима получены следующие зависимости: dmx(t)/dt = Ш - exp(-at)) - м(1 - exp(-bt))mx(t). dDx(t)/dt = X(l- exp(-at)) + д(1 - exp(-bt)}(шх(t) - 2Dx(t).

Общее число элементов дидактики, хранящихся в ИДБ,

не будет превышать Х/д + 3 / Х/д .

Следующая модель, разработанная в диссертации, ориентирована на исследование режима, при котором интенсивность поступления элементов ПИ (ВИ) в ИДБ зависит от ее внутреннего состояния. Для этого режима получены следующие соотношения:

Xk(t) = X(t)(l-k/n) -интенсивность накопления элементов в ИДБ. dmx(t)/dt = X(t) - mx(t)[X(t)/n(t)) + д(t)].

dDx (t)/dt = X(t) - mx(t) [X(t)/n(t)) -jn(t)]- 2Dx(t)[X(t)/n(t)) +¿i(t)]. При начальных условиях rax(0) = Dx(0) =0 (в момент t=0 ИДБ пуста) и при постоянных интенсивностях: mx(t) = nX(X + n/i)~1 [1 -ехр(~(Х+щх) t/n) ]. На основе этого соотношения в работе оцениваются объемы ИДБ в необходимые моменты времени. В режиме "чистого" накопления дидактики в ИДБ mx(t) = п(1 - exp(-Xt/n)), Dx(t) = mx(t)exp(-Xt/n).

Для прогнозирования временных характеристик заполнения ИДБ в диссертации предлагается использовать формулы: 5=1- exp(-Xt/n) и t = - n*ln(l-5)/X, где 5 - определенная доля заполнения ИДБ.

Для исследования операций 0!,0г.03,06,07, 08 в работе предлагается математическая модель процессов обработки информации в ACO. По схемам теории массового обслуживания основные практически полезные зависимости выводятся из системы уравнений Колмогорова-Чепмена, в общем виде описывающей процесс обработки информации в подсистеме ACO.

Для анализа функционирования различных подсистем ACO в определенных режимах в работе используются следующие показатели:

l.Px = P(k,a) [R(n.ct) + Р(п.а)зе(1-эет)/(1-эе)]"1 - вероятности Рп+Г= эегР(п,а) [R(п.а) + Р(п,а)зе(1-эет)/(1-эе)]"1 состояний

- 14 -

2. эе= Х/пд - коэффициент использования подсистемы ACO.

3. А - абсолютная пропускная способность подсистемы ACO (среднее число элементов ПИ/ВИ, обработанных в единицу времени).

4. 5 - относительная пропускная способность подсистемы ACO.

5. к' - среднее число занятых каналов обработки. к'=А/ц =Х/ц =а.

6. г' - среднее число элементов ПИ/ВИ. находящихся в очереди на обработку. г' = Мг = Р„эе(1 + эе^тзе - ш - 1))/(1 - эе)2 .

7. 1'= г' + к', среднее число элементов ПИ/ВИ в подсистеме.

8. t'o6p= i/ц = к'/Х, среднее время обработки элемента ПИ/ВИ.

9. t'04 = г'Л, среднее время ожидания в очереди.

1°-Ь'сист= t'oap + i'/X. среднее время пребывания элемента

ПИ/ВИ в подсистеме(процедуре).

Данная модель использовалась для исследования функционирования подсистем сбора информации и комплектования ACO, первичной (аналитической) обработки информации и ввода в АК. На основе этих моделей в диссертации разрабатываются методические схемы, позволяющие решать прямые задачи исследования операций. В таблице 1 приведены варианты изменения характеристик подсистемы ACO в зависимости от числа обслуживающих каналов(операторов).

Таблица 1.

11 эе Р(п,а) R(n,a) Рп г' 1' t' 0 04 t' ь сист

16 0.94 0.096 0.664 0.044 11.56 26.56 1.156 2.656

17 0.88 0.085 0.749 0.062 3.79 18.79 0.379 1.879

18 0.83 0.071 0.820 0.060 1.79 16.79 0.179 1.679

Третья глава посвящена исследованию лингвистического обеспечения ACO(АСУ) ввуза. Средствами лингвистического обеспечения описывается информационная модель предметной области. Она является следующим этапом реализации системы после описания на уровне математической модели. В данной главе рассматривается предметная область правоохранительной деятельности. Последовательность задач, решаемых в данной главе, выглядит следующим образом. Для формального описания информационной модели предметной области необходим набор языковых средств, обладающих достаточной полнотой и непротиворечивостью. С этой целью в работе предложен законченный вариант учебно-практического языка общения пользователя с автоматизированной системой, поддерживающий структуру исчисления предикатов. Для описания этого языка использован аппарат индуктивно порождающих грамматик в виде универсальных метаформул. На этом уровне реализуется внешняя модель. И на уровне этих языковых

средств выражает свои информационные потребности конечный пользователь (оперативный работник, следователь и др.). С другой стороны, уровень физической реализации информационных массивов в базах данных также должен быть формально описан для обеспечения возможности целенаправленного и корректного манипулирования этими данными. С этой целью разработана "алгебра структур", представляющая собой внутреннюю модель представления информации. Следующая задача состоит в реализации связи внешней и внутренней моделей представления информации. Для решения этой задачи предложен алгоритм редукции, сводящий лингвистические конструкции типа исчисления предикатов в алгебру структур, что позволяет, в конечном итоге, на непротиворечивом конструкционно-технологическом уровне связывать лингвистическое и программное обеспечения ACO(АСУ). Таким образом, представленные в третьей главе результаты, позволяют продолжить взаимоувязывание обеспечивающих компонент ACO(АСУ), переходя от математической модели к информационной, реализованной на программно-техническом уровне.

На основе анализа информационных задач предметной области выделяются основные типы предикатных условий, которые существуют в исчислении и для реализации которых необходимо вводить определенные операции (процедуры) в алгебре.

1. Pj = (Т1j з(X1) ü а) - предикат на сравнение с константой;

2. Рг = {Т1 -j j (X1) Q¡ Тгд2 (X1 )> -предикат на сравнение характеристик внутри одного класса объектов (ассоциативное условие);

3. Р3 = (Т1з4(X1) = NkYkг} - предикат, задающий сложную характеристику, значением которой является некоторый объект Ykr из класса Мк;

4. Р4 = {Т1 j5 (X1) Qg Ts!, (Zs)) - предикат на сравнение значений характеристик разных классов (ассоциативное условие);

(5+7- условия на кратности характеристик)

5. Р5 = {Ld^gíX1) Q3 b}~ предикат на сравнение кратности с константой;

6. Р6 = ÍL(Т1 j7 (X1) Q4 Ld1 -¡8 (X1))} - условие на сравнение крат-ностей характеристик в рамках одного класса объектов;

7. Р7 = (UT^gfX1) Q5 L(Trql (Vr))) - условие на сравнение крат-ностей характеристик объектов из разных классов.

Предикатные условия типа 6 и 7 также относятся к ассоциативным условиям.

Алгебра структур описывается как множество структур с определенными на нем обычными теоретико-множественными операциями U, Л, \ и специальными операциями(процедурами). Набор этих специальных процедур состоит из процедуры "произведения" (®) и процедур "простого" и "сложного выбора", соответствующих предикатам типа Р^Рт. а также двух про-

цедур типа "деления" для реализации кванторов всеобщности и процедуры "проецирования".

1). Процедура "произведения" двух структур А и В заключается в образовании структуры С, состоящей из цепочек, вершинами которых являются все объекты А и В, т.е. декартово произведение АхВ.

Если A={a1/i £ I). B={b3/j е j}, то

С = А®В = {(a1(s.bj)/i е i, je j, s - абстрактная связь}

2). Процедура "простого выбора" n¿.

Ilj (NVP1! л) = S, = ÍX е N1/T1J3(Xl) Q а).

Либо:

n^NVP^) = S2 ={Y £ N3/L(T3P(Y3)) Q b). где S¡,S2 - получающиеся в результате структуры.

3). Процедура "сложного выбора" Пц_.

Эта процедура работает на структуре, полученной в результате операции "произведение". Так например, ^¡ (N1 _N3/?1 J4)= Su(4) = = {(X, Y) 6 Ы1 (k(X*)) ® N3 (k(Y^))/T4r (X1)) Q T3r(Y3)).

4). Процедура "деления" (в банке данных) D6 и процедура "словарного деления" Dc. Если Т3к - характеристика объекта класса N3. по которой осуществляется связь классов, тогда D6(N1:N;,/T1k)= S6= {Х/(Х,Y)6 N1(kíX1) ® N3(k(Y3))AN3(k(Y3))CimX). где lmX = (Y)- все элементы находящиеся в декартовом произведении с X. т.е., если R(A®B=C, то imrX={Y е в/(х,y) e r}.

5). Процедура проецирования.

R(N1.St)={Х / X £ N1; (X:Y,...Z) е St} Предлагаемый в диссертации алгоритм редукции преобразует лингвистические конструкции, сформированные на уровне внешней информационной модели (конкретные информационные представления и потребности конечного пользователя), в алгебраические структуры (уровень внутренней модели).

Для оптимизации схем редукции предложена технология функционирования "планировщика" стратегии поиска, реализуемого на программном уровне в виде самостоятельного набора процедур.

Кроме того, в данной главе исследованы возможности практической реализации операций типа "сложного выбора" и "деления" при использовании различных физических массивов данных (БД).

В четвертой главе рассматриваются вопросы проектирования программного обеспечения ACO(АСУ) ввуза с позиций исследования эффективности системы. На основе анализа характеристик и показателей качества ACO в целом и программного обеспечения(ПО) выводятся функционалы, позволяющие реализовать критерий выбора компонент ПО по заданному показателю эффективности. В результате предлагается методика рационального выбора компонент ПО. Приводятся результаты применения данной методики

\

для выбора операционной среды реализации ACO(АСУ) для одного класса ЭВМ.

Задача рационального выбора структуры обеспечивающих компонент формулируется следующим образом. Необходимо выбрать такую структуру/вид операционной системы(ОС), а в общем случае ПО. КТС и т.д.. которая позволяет увеличивать (максимизировать) пропускную способность ВС (а. следовательно, и ACO в целом) при условии соблюдения ограничений по допустимому времени обработки.

i Р = P(z, z2 zn)—1 max I т < с ......

■ n < N

(ZuZz.....zn) С Z

(zuzz.....zn) - набор изменяемых компонент ОС, Т < С - ограничение на

допустимое время обработки.

Для осуществления рационального выбора операционной среды в работе реализуется следующая последовательность действий:

- из специфических особенностей ACO(АСУ) ввуза формулируются требования к программной среде (операционной системе);

- сформулированным требованиям ставятся в соответствие характеристики ОС, обеспечивающие реализацию этих требований. Проведенные в диссертации исследования позволили к числу важнейших отнести следующие характеристик: мощность ОС (qj); наличие многопользовательского режима (q2): надежность ОС (q3).

Предлагается основной показатель эффективности (ОПЭ) строить на основе этих выделенных характеристик, а ряд других использовать в виде ограничений.

ОПЭ = f ( q],q2.q3,t ) .где t - время. В свою очередь, каждая из компонент этого выражения является некоторой интегральной характеристикой и может быть представлена в виде выражений, зависящих от определенного набора показателей. На основе проведенного в работе анализа к их числу были отнесены следующие. Рос = К(Т)/Т . К(Т) -количество единиц работы, выполненных за время Т. К(Т) = М L(T), где М - среднее количество одновременно решаемых задач (в частности, количество разделов/подразделов в ОП). Ш) - коэффициент скорости обновления одного раздела за время Т. М = (V0 п Уядра)/УСр , где Von - объем ОП, Vaípa - объем ядра ОС, Vcp - средний объем памяти, занимаемый одной задачей.

ш

Vcp = I PtVt .где Pj- вероятность решения задачи 1-го типа, i = i

Vt - объем ОП , занимаемый задачей 1-го типа.

L(T) = T/Tcp , где Тср - среднее время решения одной задачи.

m

Тср = I Р1Т1 .Тх -среднее время решения задачи 1-го типа, i = i

Ti = sicp t , где Slcp - среднее количество транзакций в задаче 1-го типа , t - среднее время обработки одной транзакции.

Наличие многопользовательского режима учитывалось с помощью характеристической функции Хго. Надежность ОС оценивалась с помощью показателя работоспособности:

F(Ni,N2......N10)= CCJNÍ + X(N2)C2N2 + X(N3)C3N3 + (34)

+ X(N4)C4N4 + C8N8 + C9N9) X(K5)X(N6)X(N7)X(Nio), где Nj - показатели надежности по характеристикам ОС, X(Nt) - соответствующие характеристические функции. Ct- весовые коэффициенты частных показателей надежности. Nt - показатель, характеризующий время наработки на отказ. N2 - показатель степени развитости средств самовосстановления. N4 - показатель степени развитости средств горячего резервирования. N5 - показатель наличия разграничения доступа в системе. N6 - показатель наличия доступной документации на ОС. N7 - показатель наличия корректного дистрибутива. N8 - показатель возможностей ОС по перенастройке на конкретную конфигурацию. N9 - показатель номера версии ОС (учитываются ошибки, выявленные в предыдущих версиях). N10 - показатель, характеризующий сопровождение данной ОС.

В конечном итоге, был сформирован показатель следующего вида:

( ^оп ~ ^ядра' ^т

ОПЭ = - X(N5)X(N6)X(N7)X(N10)*

т т

( I PiVi ) ( I PiSlcp ) t 1=1 1=1

* (CjN, + X(N2)C2N2 + X(N3)C3N3 + X(N4)C4N4 + CSNB + C9N9)

Для реализации рационального выбора операционной среды в работе использован следующий критерий выбора:

Кэф on3(S3) , где ш- количество рассматриваемых систем.

Далее в четвертой главе осуществляется реализация предложенной методики выбора рациональной операционной среды ACO(АСУ) для одного класса ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) проведен анализ существующих математических моделей, позволяющих описать предметную область организации учебного процесса в условиях информатизации;

2) исследованы стохастические модели теории случайных процессов и

\

теории массового обслуживания для описания различных компонент организационно-функциональной структуры ACO(АСУ);

3) для исследования процессов функционирования подсистем сбора и комплектования информацией, первичной обработки и ввода в автоматизированный контур предложена модель многоканальной системы массового обслуживания с пуассоновским потоком требований на обработку;

4) для описания процессов накопления и хранения информации в информационно-дидактической базе построены математические модели, причем не только в стационарном , но и в неустановившемся режиме;

5) предложены методические схемы по рациональному построению технологии разработки и эксплуатации подсистем ACO на основе построенных моделей;

6) для формального описания информационной модели предметной области правоохранительной деятельности предложен законченный вариант учебно-практического языка общения пользователя с автоматизированной системой, поддерживающий структуру исчисления предикатов;

7) построена "алгебра структур", которую возможно поддерживать на физическом уровне реализации;

8) предложен алгоритм редукции, сводящий лингвистические конструкции типа исчисления предикатов в "алгебру структур", что позволяет на непротиворечивом конструкционно-технологическом уровне связывать лингвистическое и программное обеспечения ACO(АСУ);

9) детально описана совокупность характеристик качества программного обеспечения АСО(АСУ);

10) построено отображение, увязывающее важнейшие функциональные характеристики ACO(АСУ) ввуза с существенными характеристиками качества обеспечивающих компонент на примере общего программного обеспечения;

И) предложена методика построения показателей эффективности программного обеспечения на основе анализа целевого назначения системы и с учетом важнейших характеристик качества;

12) построен конкретный показатель эффективности, в мультипликативной форме интегрирующий в себя показатели пропускной способности, надежности и полезности функционирования системы;

13) разработана методика рационального выбора компонент ПО на основе предложенной системы показателей;

14) проведена реализация данной методики по выбору оптимальной операционной среды для конкретного класса ЭВМ.

Результаты, полученные в работе, позволяют с системных позиций подходить к проблемам разработки и применения различных типов ACO (АСУ) в военных вузах, принимая научно обоснованные проектные и эксплуатаци-

онные решения. Они могут быть использованы для систем различных уровней, реализованных на различных типах ЭВМ, в рамках достаточно широкого круга информационных технологий обучения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Дубинский Ю.М., Жилин В.В., Воронцова Л.В. Компьютеризация учебного процесса в ВШ (учебно-методическое пособие),М.: Академия ФСК РФ -1994г.

2. Дубинский Ю.М., Жилин В.В., Воронцова Л.В. Компьютеризация учебного процесса по специальным дисциплинам, (научно-методические материалы) М.: ВШ КГБ СССР,1990г.

3. Дубинский Ю. М., Жилин В.В., Минаев А.В. Применение электронно-вычислительной техники - одно из важнейших направлений интенсификации учебного процесса в Высшей школе(Из опыта создания автоматизированной обучающей системы "Диско" ) //Использование результатов НИР в контрразведывательной работе органов госбезопасности. М.: НИО ВШ КГБ СССР, 1988.

4. Жилин В.В., Карпов В.П. О возможности применения экспертных систем в предварительном следствии//"Проблемы предварительного следствия в работе органов контрразведки". М.: ВШ КГБ, 1989, с.57-64.

5. Дубинский Ю.М., Жилин В. В., Минаев А.В. Вопросы разработки автоматизированных обучающих систем по специальным дисциплинам контрразведывательного профиля//Труды Высшей школы КГБ СССР. М.:1988, N43.

6. Жилин В.В. Предложения по лексике и синтаксису языка запросов в АИС специального назначения.//"Специальная техника", серия "И" N 5, М.: ВШ-1986.

7. Жилин В.В. и др. Исследование и разработка методики выбора оптимальной операционной среды для реализации АСИОУ.// "Специальная техника", серия "И" N 6,М.: ВШ КГБ СССР-1987.

8. Жилин В.В. и др. Вопросы реализации методики выбора операционной среды для одного класса малых ЭВМ.//"Специальная техника", серия "И" N 6,М.: ВШ КГБ СССР-1987.

Тираж Со у/с^,