Решение частных задач для органов управления образованием при помощи информационной системы

С.В. Смирнов,

с.н.с., к.т.н.,

ИПУ РАН, sapr2006@bk.ru, г. Москва

Аннотация

В статье рассматривается создание системы, предполагающей использование инструментального и аналитического аппарата ГИС (геоинформационных систем) с целью обеспечения мониторинга и поддержки принятия решений в органах управления государственной власти, на примере решения задач формирования системы образовательных услуг региона. Рассматриваются основные модели и методика решения задач, возникающих перед администрацией органов управления образованием, а также архитектура рассматриваемой системы и примеры решения частных задач.

 

Abstract

In article is considered making the system, expecting use instrumental and analytical device GIS (geoinformation system) for the reason ensuring the monitoring and supports decision making in management body state authorities, on example of the decision of the problems of the shaping the system of the educational services of the region. They are considered main models and methods of the decision of the problems, appearing before administration management body by formation, as well as architecture of the considered system and examples of the decision quotient problems.

Введение

Одним из решений проблем информационной недостаточности для органов управления может быть создание справочных информационных систем,  наделённых правами систем-советчиков. Таковой может по праву являться проектируемая специализированная  справочно-советующая  геоинформационная система ((ССС)ГИС), предназначенная осуществлять помощь в управлении. Разрабатываемая система   обеспечивает, к примеру, решение задач  формирования системы  образовательных  услуг  региона (округа, района) т.е. задач, требующих  при решении географической  привязки  к местности. Приведу лишь некоторые  задачи:

·         нахождение оптимального пути от учреждения управления образованием  округа до объектов социально-образовательной сферы  для целей их инспектирования  представителями  органов управления

·         мониторинг объектов  социально-образовательной  сферы и движения педагогических кадров по районам и округу  и т.д.

Основные модели задач

Так как существует мнжество задач в социально-образовательной сфере, то будет целесообразным создание общей модели для всех задач, чем создание индивидуальной модели для каждой из задач. Преимущества создания модели в том, что происходит представление упрощённого образа, который отражает не все свойства прототипа, а только те, которые существенны для исследования.

Сформулируем основные модели, при помощи которых решаются задачи. Это следующие модели: оптимального выбора объекта социально-образовательной сферы, принятия решений администрацией органов управления социально образовательной сферы  и контроля управления объекта социально-образовательной сферы,.

1). Модель оптимального выбора объекта социально-образовательной сферы. Множество вариантов {F} определено, и принцип выбора H строго формализован. Примером задач этого типа являются задачи определения кратчайшего пути между объектами социально-образовательной сферы для целей инспектирования или  доставка специальных грузов в школы округа. Получаемые решения хороши тем, что исключают ошибку руководителя, так как система, решая задачу, выдаёт объективное решение.

2). Модель  принятия решений администрацией органов управления социально образовательной сферы. Множество вариантов {F} может дополняться и видоизменяться, а принцип выбора H не формализован. Задача, решаемая при помощи этой модели, позволяет изменять решение управленцу при обнаружении нового варианта. Задачи этого типа характерны для решения проблем в сложной системе управления средним образованием. Примером такой задачи служит задача наибольшей обеспеченности педагогическими кадрами школ округа, а также задача наблюдения спортзалов и стадионов при школах для выявления их состояния в ходе эксплуатации (вопрос необходимости ремонта зала). Формально модель общей задачи принятия решения выглядит следующим образом:

                                   g={j1, j2 , j3 , j4 , j5, j6}                                 (1)

  где g – множество модели общей задачи принятия решений;

      j1  – цель принятия решения;

      j2  – исходные данные для образования вариантов;

      j3  – множество образованных вариантов;

      j4  – выбранный вариант;

      j5  – правило образования вариантов;

      j6  – правило выбора наилучшего (оптимального варианта).

3). Модель контроля управления объекта социально-образовательной сферы. Частными задачами будут:

-          наблюдение (мониторинг) объекта социально-образовательной сферы;

-          классификация объектов социально-образовательной сферы.

        Решение задачи наблюдения объекта социально-образовательной сферы заключается в отыскании такого отображения (2), которое каждой наблюдаемой реализации выходных характеристик G ставит в однозначное соответствие внутреннее состояние объекта управления l:

                                             

                                                        r  : G→ l                                      (2)

 

Это говорит о том, что для установления контроля необходимо обеспечить потенциальное наблюдение внутренних состояний объекта управления по признакам внешней среды. Другими словами, для установления контроля над объектом наблюдения необходима система, позволяющая проанализировать, как видоизменится внутренняя среда объекта (школы) при внедрении внешних указов, директив, установок из органов управления. В качестве примера этой задачи будет являться задача анализа последствий при увеличении уроков физкультуры за счёт сокращения уроков по другим предметам. С помощью специализированной информационной системы с привязкой к географическим данным, т. е. ГИС это возможно просчитать.

        Решение задачи классификации объектов социально-образовательной сферы состоит в отыскании такого отображения (3), которое обеспечивает разбиение всего множества возможных реализаций выходных характеристик G на ограниченное число классов l2, обладающих теми или иными общими свойствами:

                                              l1: G→ l2                                                            (3)

 

Определенные ранее общие свойства являются своего рода эталонами для распознавания реальных состояний объекта в процессе его контроля. Примером задачи такого типа будут следующие задачи:

-          задача выборки из общего числа педагогов округа тех, которые будут отвечать определённым требованиям (наибольший стаж, высокий разряд, особые заслуги и т.д.) с целью их поощрения;

-          задача разбиения множества объектов социально-образовательной сферы на объекты со сходными характеристиками (гимназии, лицеи, общеобразовательные школы, вечерние школы и т.д.)

        Задачи решаются также при помощи ГИС, используя гиперграфовую модель поиска объекта, которая имеет пространственную привязку и подчиняется объектно-ориентированному подходу.

Методика решения

Основным принципом  методики решения  поставленных задач  является выделение в (ССС)ГИС отдельных  слоев, представляющих  однородную семантическую  информацию[1],  важную  для  решения  задач  формирования системы  образовательных  услуг. Вторым  принципом  решения является обеспечение  возможности объединения  информации,  размещенной    на  нескольких  выделенных  слоях,  на  новом (временном) слое, используемым  для решения конкретной  частной  задачи (например:  слой,  на котором  отмечено  размещение школ, совмещают со слоем, на котором размещены  заведения по дополнительным  видам обучения).  Решаются  задачи  определения среднего времени перемещения  школьника до учебного заведения с дополнительным  видом обучения. Алгоритмы решения этих задач опираются на графовые модели отображения образовательной среды и её геоинформационную привязку.

По основным результатам (ССС) ГИС можно  рассматривать, как информационную  советующую систему, с помощью  которой аналитики  получают  возможность относительно  быстрых  ответов  на  интересующие  их  задачи (вопросы). Варьируя  параметры  в  возникающих  вопросах к географической привязке, существующей информации, аналитик  получает  возможность определять тенденции развития и зависимости, что,  в конце  концов, представляет возможность сформулировать оптимизационную  задачу по   интересующему  вопросу.

Архитектура

Архитектура (ССС)ГИС для разных слоев пользователей будет неоднородной. Как показано на рисунке 1  в зависимости от этого будет расширяться или сужаться круг задач, которые будут решаться системой.

     Несомненно, что человеку, профессионально занимающемуся геоинформационными системами, необходим более сложный интерфейс, который будет отвечать широкому спектру специализированных задач:

создание приложений в пакете прикладных программ, трансляция данных из одного формата в другой, импорт \ экспорт графических и текстовых данных.

рис.1 Архитектура (ССС) ГИС

     Интерфейс  пользователя – аналитика может не включать в себя многие модули ГИС, но в то же время отвечать текущим функциональным потребностям. Аналитику, не имеющему глубоких знаний в этой области, будет вполне достаточно модуля программного средства ГИС (MapInfo) и модуля справочной системы программы.

Если у аналитика возникают более глубокие задачи, которые выходят за рамки функциональных возможностей его интерфейса, он может обратиться за помощью к администратору геоинформационной системы через сеть Internet или связаться с ним по телефону службы технической поддержки пользователей (выбранной программы).

Пример решения

Частной задачей, решаемой при помощи прикладной программы «Графика-01-Т», входящей в набор  (ССС) ГИС является поиск кратчайшего пути для построения оптимального маршрута при централизованном обслуживании объектов социально-образовательной  сферы: развоз завтраков, школьной мебели, инспектирование школ и т.д..   

Поиск кратчайшего пути является задачей трассировки соединений между объектами трассы и  формулируется следующим образом: по входному описанию, содержащему n координат точек начала и конца трасс, определить дополнительные m координат промежуточных точек перегиба трасс таким образом, чтобы ни одна точка трассы не проходила через ранее занятую ячейку модели трассируемого поля.

Алгоритм трассировки соединений между объектами трассы при помощи «Графика-01-Т»  содержит следующие операции:

1). Импорт информации о дорожной сети в прикладную программу (рис.2).

2). Начальные присваивания для длинной и короткой цепи.

3). Восстановление длинной цепи при трассировке без пересечений.

4). Восстановление  длинной  цепи  при  трассировке  с  пересечениями.  

5). Определение кратчайшего пути (рис.3):

а) Кратчайший путь определяется в матрице смежности графа (дискретной модели трассируемого поля).

б) Использование различных соотношений коэффициентов позволяет  получить требуемое качество трассировки.

6). Фиксация кратчайшего пути.

7). Пометка кратчайшего пути определённым цветом и экспорт этой 

     информации в картографическую программу (MapInfo) (рис.4).

 

      

рис.2                                                                                                 рис.3

рис.4

Заключение

     По итогам  разработки (ССС)ГИС для использования в управлении  ряда окружных управлений города Москвы(в частности, окружные управления образованием Северного и Юго-Западного административных округов) были  сделаны  следующие  выводы[2]. Важное значение имеют следующие свойства:

·   открытость системы для манипуляций с графическими объектами и информационными данными (редактирование карты и изменение информации);

·   возможность увеличения объема картографической и семантической информации в процессе эксплуатации системы (нанесение новых интересующих объектов, редакция карты, занесение данных   семантической информации);

·   наличие в системе средств лингвистического и математического обеспечения;

Для дальнейшего усовершенствования системы мжно рекомендовать следующие действия:

1). Привлечь к созданию баз географических данных по недостающим округам г. Москвы (ССС)ГИС школьников и студентов в рамках обучения по предмету   «Геоинформатика».

2). Разработать упрощенный вариант доступа пользователя к (ССС)ГИС   через   Интернет с помощью пиктограмм, содержащих небольшое матричное символическое изображение района округа Москвы ,что  уменьшит время доступа к интересующей области и привязанной к ней базе данных. [3]     

Литература

1.       Артамонов  Е.И., Смирнов С.В.  Разработка алгоритма автоматической трассировки кратчайшего пути в задачах социально-образовательной сферы // Тез. докл. 4-й междунар. конф. и выставки «CAD/CAM/PDM».. - М.: ИПУ РАН 2004 г. – С.27.

2.       Смирнов С.В., Тюкавкин Д.В.  Разработка ГИС-продуктов  для   целей   управления социально-образовательной сферой региона//Сборник  научных  трудов V-й Молодёжной  научно-технической конференции    «Наукоёмкие технологии и  интеллектуальные системы 2003.» В 2-    частях. Часть 1.-Москва:МГТУ им. Н.Э.Баумана,2003.- С.164-165.

3.       Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем.-М.:   Информационно-издательский  дом  «Филинъ», 2003.- 616с.

4.       Смирнов С.В.  Разработка справочной системы для поддержки принятия решений на примере управления объектами среднего образования // Труды междунар. науч.-техн. конф. «Информационные средства и технологии». 16-18 октября 2007 г., в 3-х т.т. Т3. - М.: Янус-К, 2007. – С. 89-97  

5.       Смирнов  С.В.  Анализ  информационных  моделей  при решении  задач  в  социально-образовательной  сфере и рекомендации при разработке информационной системы // V  Всероссийская школа-семинар молодых ученых «УПРАВЛЕНИЕ  БОЛЬШИМИ СИСТЕМАМИ»: Сб. трудов.- Т.1.- Липецк, ЛГТУ, 2008.- С. 123-128