Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа бакалавра.

Пояснительная записка: 102 с., 31 рис., 9 табл., 11 источников, 6 приложений.

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС, ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ, КОМПЕТЕНЦИЯ, СЕМЕСТР, МОДЕЛИРОВАНИЕ НАУЧНЫХ СПОСОБНОСТЕЙ, РАЗВИТИЕ.

Объектом проектирования и исследования является программный комплекс оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре. управление учебный студент

Цель работы - изучить различные подходы к моделированию развития научных способностей личности. Разработать и реализовать программный комплекс оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре.

Разработан программный комплекс, способный моделировать развитие научных способностей, на основе базовой математической модели и находить наилучший вариант моделирования методом подбора значений коэффициентов. Также комплекс может отображать журнал студентов, где преподаватель может оставлять отзыв, а студент просмотреть комментарий, и увидеть свои текущие и оптимальные значения компетенций научной деятельности.

Программный комплекс реализован по методологии UML.

Объект исследования - разработка программного комплекса оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре.

Предмет исследования - исследование изменения стратегии развития у различных личностей.

Методы исследования: сравнительный анализ результатов.

В работе используется концепция организации учебного процесса на основе оптимально управления творческим развитием школьника и студента. Эта концепция предложена и реализована на кафедре ПМиВТ СГАСУ под руководством С.А. Пиявского [1].



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание предметной области

1.2 Обзор аналогов

1.3 Модель анализа UML

1.3.1 Диаграмма вариантов использования

1.3.2 Сценарии вариантов использования

1.3.3 Диаграмма граничных классов

1.3.4 Диаграмма сущностных классов

1.3.5 Диаграмма классов управления

1.3.6 Логическая структура базы данных

2. РЕАЛИЗАЦИЯ

2.1 Архитектура и платформа реализации

2.2 Физическая структура БД

2.3 Расчет КТС

2.3.1 Расчет необходимого объема внешней памяти

2.3.2 Расчет необходимого объема оперативной памяти

2.4 Основные интерфейсы

2.5 Описание программной реализации

2.6 Программа и методика испытаний

2.7 Контрольный пример

3. ВНЕДРЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ

3.1 Описание планируемого объекта внедрения

3.2 Технико-экономическое обоснование внедрения программного комплекса оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре

3.3 Расчет экономического эффекта внедрения программного комплекса оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре

4. ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И САМОРАЗВИТИЕ

4.1 Сведения о деятельности возглавляемого научного микроколлектива

4.2 Сведения о трудовой деятельности

4.3 Перечень публикаций

4.4 Перечень участия в конференциях

4.5 Перечень выполненных в период обучения курсовых работ и проектов

4.6 Портфолио

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ПРИЛОЖЕНИЕ Е



ВВЕДЕНИЕ

Актуальность данной работы обусловлена переходом от квалификационного подхода в профессиональном образовании к компетентностному, что дает возможность описать функциональную характеристику личности выпускника, включающую не только знания, умения и навыки, но и необходимый уровень развития интеллекта, личных качеств, мотивацию и опыт практической деятельности.

В то же время недостаточно решены проблемы математического и информационного обеспечения. Таким образом, актуальной задачей становится создания средств поддержки и контроля развития научных способностей.

Целью выпускной квалификационной работы является разработка и практическая реализация программного комплекса оптимального управления структуры научной деятельности студентов в семестре.

Язык программирования С++, среда разработки Qt, система управления базами данных SQLite3.



1 СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание предметной области

Главная задача высшей школы заключается в достижении студентами качеств, которые должны соответствовать требованиям, предъявляемым личности в современных реалиях, где социально-экономические условия меняются чрезвычайно быстро. Эти требования состоят в ключевых компетентностях, которые позволяют реализовать себя в современном информационном обществе.

Понятие «компетентность», можно объяснить, как уже состоявшееся личное качество, позволяющее решать задачи, возникающие в реальной жизни на накопленных знаниях, жизненного опыта и полученных навыков. Компетентности нужны всем и в любой отрасли, так как они связаны с успехом личности в переменчивом мире.

Чтобы образование достигло нового уровня развития, необходимо усиление личностной направленности образования. Именно в этом могут помочь компетентности. Одним из важных оснований выделения компетентностей является создание наиболее благоприятных условий для саморазвития учащихся в образовательном процессе. Следует учитывать, что для каждого возраста характерна своя система ценностей, которая проявляется в позициях, социальных ролях, значимых проблемах.

Кардинальным образом должна измениться роль преподавателя в образовательном процессе: от простой трансляции знаний он должен перейти к индивидуальной корректировке траектории интеллектуального и личностного роста студента, то есть к развитию его компетентностей.

В соответствии с гипотезой С.А. Пиявского, количественными показателями, описывающими научной квалификацию личности, являются характеристики ее способности реализовывать основные элементы исследовательской деятельности, а именно: девять функций исследовательской деятельности [1].

Список функций исследовательской деятельности:

1) поиск тематики;

2) постановка и формализация темы исследования;

3) формирование идеи и плана решения;

4) выбор, освоение и реализация необходимого обеспечения;

5) реализация отдельных элементов исследования;

6) синтез решения;

7) оформление решения;

8) ввод в научный обиход, защита и сопровождение решения;

9) внутренний критический анализ решения.

Расчеты в программном комплексе проводятся на основе базовой математической модели, применяемой на кафедре ПМИВТ СГАСУ и созданной С.А. Пиявским.

Функция расчета исследовательской деятельности:

,

где i - номер функции исследовательской деятельности (от 1 до 9),

в_i - коэффициенты возрастания i-ой функции,

x_i - значение i-ой функции,

??_i - оптимизируемый параметр (ч/час),

M - уровень мотивации личности.

Данный метод (математическая базовая модель) позволяет моделировать развитие научных способностей личности. На основе моделирования можно заметно облегчить и повысить образовательный процесс молодежи.

Таким образом, это должно способствовать к правильному и высокому развитию компетентностей у студентов, что повлияет на их успехи в научно-исследовательской деятельности.

1.2 Обзор аналогов

Mathcad

Mathcad (рисунок 1) -- система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением, отличается легкостью использования и применения для коллективной работы.

Mathcad был задуман и первоначально написан Алленом Раздовом [2] из Массачусетского технологического института (MIT), соучредителем компании Mathsoft, которая с 2006 года является частью корпорации PTC (Parametric Technology Corporation).

Mathcad имеет интуитивный и простой для использования интерфейс пользователя. Для ввода формул и данных можно использовать как клавиатуру, так и специальные панели инструментов.

Работа осуществляется в пределах рабочего листа, на котором уравнения и выражения отображаются графически, в противовес текстовой записи в языках программирования. При создании документов-приложений используется принцип WYSIWYG (What You See Is What You Get -- «что видишь, то и получаешь»).

Несмотря на то, что эта программа, в основном, ориентирована на пользователей-непрограммистов, Mathcad также используется в сложных проектах, чтобы визуализировать результаты математического моделирования путем использования распределённых вычислений и традиционных языков программирования. Также Mathcad часто используется в крупных инженерных проектах, где большое значение имеет трассируемость и соответствие стандартам.

Рисунок 1 - Скриншот программы Mathcad 15

Mathcad достаточно удобно использовать для обучения, вычислений и инженерных расчетов [3]. Открытая архитектура приложения в сочетании с поддержкой технологий .NET и XML позволяют легко интегрировать Mathcad практически в любые ИТ-структуры и инженерные приложения.

Mathcad содержит сотни операторов и встроенных функций для решения различных технических задач. Программа позволяет выполнять численные и символьные вычисления, производить операции со скалярными величинами, векторами и матрицами, автоматически переводить одни единицы измерения в другие.

Среди возможностей Mathcad можно выделить:

- решение дифференциальных уравнений, в том числе и численными методами;

- построение двумерных и трёхмерных графиков функций (в разных системах координат, контурные, векторные и т. д.);

- использование греческого алфавита как в уравнениях, так и в тексте;

- выполнение вычислений в символьном режиме;

- выполнение операций с векторами и матрицами;

- символьное решение систем уравнений;

- аппроксимация кривых;

- выполнение подпрограмм;

- поиск корней многочленов и функций;

- проведение статистических расчётов и работа с распределением вероятностей;

- поиск собственных чисел и векторов;

- вычисления с единицами измерения;

- интеграция с САПР-системами, использование результатов вычислений в качестве управляющих параметров.

С помощью Mathcad инженеры могут документировать все вычисления в процессе их проведения.

Mathcad относится к системам компьютерной алгебры, то есть средств автоматизации математических расчетов.

Разработчики Mathcad сделали ставку на расширение системы в соответствии с потребностями пользователя. Для этого назначены дополнительные библиотеки и пакеты расширения, которые можно приобрести отдельно и которые имеют дополнительные функции, встраиваемые в систему при установке, а также электронные книги с описанием методов решения специфических задач, с примерами действующих алгоритмов и документов, которые можно использовать непосредственно в собственных расчетах. Кроме того, в случае необходимости и при условии наличия навыков программирования в C, есть возможность создания собственных функций и их прикрепления к ядру системы через механизм DLL.

Mathcad изначально создавался для численного решения математических задач, он ориентирован на решение задач именно прикладной, а не теоретической математики, когда нужно получить результат без углубления в математическую суть задачи.

IOSO NM

Программный комплекс IOSO NM (рисунок 2), предназначен для повышения эффективности сложных технических систем на основе многокритериальной и многопараметрической оптимизации проектных параметров. Базируется на принципиально новой стратегии решения задач оптимизации - IOSO, имеющей следующие отличительные особенности:
- высокой эффективностью решения для сложных многопараметрических задачи, что позволяет существенно сократить сроки решения этих задач;
- простотой использования процедур оптимизации [4].

Реализованные адаптивные алгоритмы не требуют предварительных настроек и задания параметров, что позволяет их использовать специалистам не владеющими специальными знаниями в теории оптимизации.

В пакете IOSO NM используются мощные структурно-параметрические методы оптимизации, которые обладают низкой чувствительностью к топологии целевых функций и позволяют успешно решать задачи для гладких унимодальных, многоэкстремальных и недифференцируемых функций. Это позволяет исследователю не задумываться о математических особенностях решаемой задачи и быть уверенным в корректности получаемого решения. На рисунке 1 приведен пример решения двухкритериальной задачи, когда одна целевая функция является унимодальной, а вторая - многоэкстремальной.

Алгоритмы оптимизации IOSO NM позволяют успешно решать задачи даже при наличии областей невычисляемости критериев и ограничиваемых параметров (аварийное завершение работы комплекса математических моделей), что избавляет пользователя от необходимости обеспечения устойчивой работы моделей во всем диапазоне поиска и сокращает время оптимизационных исследований.

Рисунок 2 - Скриншот программы IOSO NM

Скорость сходимости алгоритмов оптимизации IOSO NM сопоставима с наиболее быстрыми градиентными алгоритмами для гладких унимодальных функций и значительно превосходит все известные методы для сложных функций. Это дает возможность решения задач оптимизации при приемлемых затратах времени даже, когда время одного расчета составляет несколько часов, а количество независимых переменных составляет порядка 100. Возможность решения серии задач оптимизации в рамках одного проекта приводит к дополнительному сокращению времени проведения оптимизационных исследований.

В системах осуществляется непрерывная поддержка баз данных документов в актуальном состоянии, что требует больших организационных усилий поставщика ресурсов и резко удорожает условия использования систем.

Таблица 1 - Сравнительный анализ аналогов

	Mathcad	ОМС	OPTCON	ПК ТАУ	МАПР	IOSO NM
Количество пользователей	1	1	10	~100	1	1
Взаимодействие с БД	-	-	+	+	-	+
Актуальность	+	+	-	-	-	+
Поддержка обновлений	+	+	-	-	-	-
Поддержка языков	+	+	+	-	-	-
Максимальное количество критериев	?	-	>10	5	7	>10
Максимальное количество переменных	?	?	>100	5	11	>200
Управление структурой научной деятельности	-	-	-	-	-	-
Моделирование научных способностей	-	-	-	-	-	-
Возможность нагрузки функций	-	-	-	-	-	-
Легкость в освоении	+	-	+	-	-	+
Мобильная версия	-	-	-	-	-	-
Свободное распространение	-	+	-	+	+	-

Другие АИС оптимального управления

Так же был проведен анализ других аналогичных систем:

· ОМС [10];

· OPTCON [11];

· ПК ТАУ [12];

· МАПР [13].

Сравнительный анализ

Из всех выбранных аналогов Mathcad и IOSO NM представляют собой очень сильные инструменты в плане решения задач оптимального управления. В них можно рассчитать и графически показать оптимальные значения функций научно-исследовательской деятельности. Но главным недостатком Mathcad и IOSO NM является чрезвычайно высокая цена.

Также существенным недостатком всех вышеперечисленных систем является то, что они созданы только для одной операционной системы (обычно это Windows). Для решения задачи расчета оптимальных значений функций научно-исследовательской деятельности практически нет доступных средств. Для этих целей можно воспользоваться средствами Microsoft Excel, но необходимо будет сделать довольно сложные расчеты. Также Excel осуществляет свою работу в однопоточном режиме, что замедляет работу.

Поэтому необходимо разработать комплекс, который сможет рассчитывать оптимальные значения научно-исследовательских компетенций. Также в комплексе желательно иметь журнал студентов, чтобы преподаватель мог контролировать процесс обучения студентов.

Комплекс разработан на языке программирования С++ с использованием фреймворка Qt и базы данных SQLite. С++ обеспечивает работу программы в режиме нескольких потоков, что значительно увеличивает быстродействие. База данных SQLite является встраиваемой, поэтому она идеально подходит для однопользовательских приложений без выхода в сеть, потому что практически не требует ресурсов и очень быстро взаимодействует с программой. Фреймворк Qt позволяет портировать приложение практически на все существующие операционные системы.

1.3 Модель анализа UML

Эта модель позволит понять, как программный комплекс должен быть спроектирован, какие в нем должны быть части и как они должны взаимодействовать между собой. Основное ее назначение - определить направление реализации функциональности, выявленной на этапе сбора требований и сделать набросок архитектуры системы.

В отличие от создаваемой в дальнейшем модели проектирования, модель анализа является в большей степени концептуальной моделью и только приближает разработчиков к классам реализации. Эта модель не должна иметь возможных противоречий [5].

1.3.1 Диаграмма вариантов использования

Актанты:

«Пользователь» - обобщение для всех видов пользователей.

«Студент» - пользователь, который имеет доступ к своим значениям функций научно-исследовательской деятельности. Может просматривать сообщение, которое оставил преподаватель.

«Преподаватель» - может рассчитывать оптимальные значения функций исследовательской деятельности студентов. Также может просматривать журнал студентов и писать им комментарии.



Рисунок 3 - Диаграмма вариантов использования

«Администратор» - может вести справочную информацию, управлять пользовательскими настройками и встраивать в систему некий набор стандартных данных.

1.3.2 Сценарии вариантов использования

Сценарий - текстовое описание последовательности действий, необходимых для выполнения экземпляра варианта использования. Сценарий пишется по определённому шаблону. При создании сценариев тщательно прорабатывается интерфейс системы, и учитываются отношения между вариантами использования [5]. Для абстрактных вариантов использования, являющихся обобщениями конкретных вариантов, сценарии не пишут.

Вариант использования. Формирование отчета об оптимальных значениях функций исследовательской деятельности.

Краткое описание. По запросу Преподавателя формируется отчет об оптимальных значениях функций научно-исследовательской деятельности в табличной форме.

Актант. Преподаватель

Предусловия. Вариант использования «Вход в систему» выполнен с правами Преподавателя. На экране - главная форма приложения с пунктами меню, настроенными на права Преподавателя: «Журнал студентов», «Расчет», «Справка» и «Выход».

Основной поток событий

1. Преподаватель выбирает пункт меню «Расчет»

А1: Журнал студентов

А2: Справка

А3: Выход

2. Система выводит на экран форму «Расчет». На форме имеются поля для ввода переменных: «Тета», «Бета», «Альфа», «а0», «M max», «h», «t» и «Мотивация». На форме имеются кнопки: «Далее» и «Закрыть».

3. Преподаватель вводит переменные в соответствующие поля и нажимает кнопку «Далее».

А4: Закрытие формы

А5: Данные введены неверно

1. Система проверяет правильность ввода данных, производит расчет и вычисленные данные в виде таблицы в поля: «Ф1», «Ф2», «Ф3», «Ф4», «Ф5», «Ф6», «Ф7», «Ф8» и «Ф9».

5. Преподаватель просматривает таблицу и нажимает кнопку «Далее».

А4: Закрытие формы

6. Система закрывает форму «Расчет» и выводит на экран главное окно с пунктами меню, настроенными на права Преподавателя. Вариант использования завершается успешно.

Альтернативы

А1: Журнал студентов

А1.1. Преподаватель выбирает пункт меня «Журнал студентов».

А1.2. Выполняется вариант использования «Вести журнал исследовательской деятельности студентов».

А2: Справка

А2.1. Преподаватель выбирает пункт меню «Справка».

А2.2. Система выводит на экран форму «Справка по системе» с кнопкой «ОК».

А2.3. Преподаватель просматривает справку и щёлкает на кнопку «ОК».

А2.4. Система закрывает форму «Справка по системе» и выводит на экран главное окно приложения с пунктами меню, настроенными на права Преподавателя.

А2.5. Выполняется пункт 1 основной последовательности.

А3. Выход

А3.1. Преподаватель выбирает пункт меню «Выход» .

А3.2. Система закрывает главную форму приложения и осуществляет выход в ОС. Вариант использования завершается.

А4. Закрытие формы

А4.1. Преподаватель нажимает кнопку «Закрыть» .

А4.2. Система закрывает форму «Расчет» и выводит на экран главное окно приложения с пунктами меню, настроенными на права Преподавателя.

А4.4. Выполняется пункт 1 основной последовательности.

А5. Данные введены неверно

А5.1. Преподаватель вводит некорректные данные.

А5.2. Система выводит на экран форму «Ошибка» с предупреждающим сообщением «Введены некорректные данные» с кнопкой «ОК».

А5.3. Преподаватель просматривает сообщение и щёлкает на кнопку «ОК».

А5.4. Система закрывает форму «Ошибка» и выводит на экран форму «Расчет».

А5.5. Выполняется пункт 3 основной последовательности.

1.3.3 Диаграмма граничных классов

Диаграмма граничных классов (рисунок 4) (англ. Static Structure diagram) -- диаграмма, демонстрирующая классы системы, их атрибуты, методы и взаимосвязи между ними. Входит в UML.

Классы по своей роли в системе делятся на группы. Сам по себе язык UML жестко не оговаривает эти группы, оставляя группировку на усмотрение разработчиков. На основе опыта, накопленного при создании автоматизированных систем, целесообразно выделить следующие группы (категории, стереотипы) классов. Объекты граничных классов реализуют интерфейсы системы с внешней средой и различными пользователями (не следует их путать с внутренними интерфейсами взаимодействия классов, упоминавшихся ранее).

1.3.4 Диаграмма сущностных классов

Сущностные (entity) классы (рисунок 5): объекты этих классов представляют собой блоки длительно хранимой информации, используемые для организации баз данных и знаний, файловых систем хранения данных различной логической структуры; в основном в этих классах развит атрибутный раздел, однако имеется небольшое число операций контроля ограничений целостности, как стандартных, так и специфичных для данной предметной области.

Рисунок 4 - Диаграмма граничных классов

Рисунок 5 - Диаграмма сущностных классов

1.3.5 Диаграмма классов управления

Классы управления (control) (рисунок 6): объекты этих классов являются активными, берущими на себя управление и организацию вычислительных процессов; чаще всего это стандартные компоненты операционных систем и систем управления базами данных (СУБД), таймеры, координаторы и т.п.

Рисунок 6 - Диаграмма классов управления

1.3.6 Логическая структура базы данных

Логический уровень - это абстрактный взгляд на данные, на нем данные представляются так, как выглядят в реальном мире, и могут называться так, как они называются в реальном мире, например "Автор", "Издательство" или "Авторский гонорар". Объекты модели, представляемые на логическом уровне, называются сущностями и атрибутами (подробнее о сущностях и атрибутах будет рассказано ниже). Логическая модель данных может быть построена на основе другой логической модели, например на основе модели процессов. Логическая модель данных является универсальной и никак не связана с конкретной реализацией СУБД [3].

Логическая структура БД информационной системы показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Логическая структура БД



2. РЕАЛИЗАЦИЯ

2.1 Архитектура и платформа реализации

Программный комплекс оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре реализуется при помощи языка программирования С++ с использованием Фреймворка Qt Creator 3.4.0 (кроссплатформенная свободная IDE для разработки на С, С++ и QML). В системе используется СУБД SQLite в качестве программного средства, предназначенного для создания структуры новой базы, хранения системной информации, редактирования содержимого и отбора данных в соответствии с заданными критериями, упорядочения, оформления и последующей выдачи данных на устройства вывода. Также использовались инструментальные средства UML - моделирования - StarUML 2.2.0.

Программный комплекс создавался для рабочей станции преподавателя, где преподаватель сможет просматривать текущие значения компетенций научной деятельности и рассчитывать оптимальные значения, что сможет сэкономить время, если бы он рассчитывал вручную.

Таблица 2 - Характеристики объекта автоматизации

Объект автоматизации	Оптимальное управление
Тип используемой сети	Автономное приложение
Тип организации взаимодействия	Настольное приложение
Срок службы АПК	5 лет

2.1.1 Библиотека Qt 5.2.1

Qt -- кросс платформенный инструментарий разработки ПО на языке программирования C++.Qt позволяет запускать написанное с его помощью ПО в большинстве современных операционных систем путем простой компиляции программы для каждой ОС без изменения исходного кода. Включает в себя все основные классы, которые могут потребоваться при разработке прикладного программного обеспечения, начиная от элементов графического интерфейса и заканчивая классами для работы с сетью, базами данных и XML. Qt является полностью объектно-ориентированным, легко расширяемым и поддерживающим технику компонентного программирования [6].

2.1.2 Библиотека Qwt 6.1.2

Qwt -- набор Qt-виджетов и вспомогательных классов, необходимых для создания графического представления числовых данных. Помимо виджета для двумерного отображения данных (QwtPlot) он включает в себя классы для отображения данных в разных масштабах осей, различные стили отображения кривых и маркеров на виджете QwtPlot, а также некоторые другие вспомогательные виджеты [7].

2.1.3 Язык программирования C++

C++ -- компилируемый статически типизированный язык программирования общего назначения. Поддерживает такие парадигмы программирования как процедурное программирование, объектно-ориентированное программирование, обобщённое программирование, обеспечивает модульность, раздельную компиляцию, обработку исключений, абстракцию данных, объявление типов (классов) объектов, виртуальные функции. Стандартная библиотека включает, в том числе, общеупотребительные контейнеры и алгоритмы. C++ сочетает свойства как высокоуровневых, так и низкоуровневых языков. В сравнении с его предшественником -- языком C, -- наибольшее внимание уделено поддержке объектно-ориентированного и обобщённого программирования. C++ широко используется для разработки программного обеспечения, являясь одним из самых популярных языков программирования. Область его применения включает создание операционных систем, разнообразных прикладных программ, драйверов устройств, приложений для встраиваемых систем, высокопроизводительных серверов, а также развлекательных приложений (игр). Существует множество реализаций языка C++, как бесплатных, так и коммерческих и для различных платформ. Например, на платформе x86 это GCC, Visual C++, Intel C++ Compiler, Embarcadero (Borland) C++ Builder и другие. C++ оказал огромное влияние на другие языки программирования, в первую очередь на Java и C#. Синтаксис C++ унаследован от языка C. Одним из принципов разработки было сохранение совместимости с C. Тем не менее, C++ не является в строгом смысле надмножеством C; множество программ, которые могут одинаково успешно транслироваться как компиляторами C, так и компиляторами C++, довольно велико, но не включает все возможные программы на C [8].

2.2 Физическая структура БД

Физическая модель данных зависит от конкретной СУБД, фактически являясь отображением системного каталога. В физической модели содержится информация о всех объектах БД. Поскольку стандартов на объекты БД не существует (например, нет стандарта на типы данных), физическая модель зависит от конкретной реализации СУБД. Следовательно, одной и той же логической модели могут соответствовать несколько разных физических моделей. Если в логической модели не имеет значения, какой конкретно тип данных имеет атрибут, то в физической модели важно описать всю информацию о конкретных физических объектах - таблицах, колонках, индексах, процедурах и т. д [3].

В качестве СУБД для разработки базы данных системы использовался SQLite. Физическая структура БД соответствует разработанной ранее логической структуре.

В таблице 3 приведено соответствие имен сущностей логической структуры и таблиц физической структуры БД.



Таблица 3 - Соответствие сущностей таблицам БД

Сущность на логическом уровне	Сущность на физическом уровне
Пользователь	User
Функция	Function
Студент	Student
Группа	Group
Семестр	Semestr
Значение функции в семестре	Value

На рисунке 7 изображена разработанная физическая структура базы данных.

Рисунок 8 - Физическая модель БД

2.3 Расчет КТС

2.3.1 Расчет необходимого объема внешней памяти

По формуле (1) был проведен расчёт ресурсов внешней памяти.

(1)

Где V_ВП - общий объем внешней памяти, Гбайт.

V_ОС - объем внешней памяти, требуемый для хранения файлов

операционной системы, Гбайт;

V_СУБД - объем внешней памяти, требуемый для хранения файлов

СУБД, Гбайт;

V_данных - объем внешней памяти, требуемый для хранения записей

базы данных и результатов выполнения функций, Гбайт;

V_{программы} - объем внешней памяти, необходимой для хранения

текстов и библиотек приложений, Гбайт.

VОС- объем внешней памяти, по паспорту для операционной системы Windows 7 x64 - 16 гб;

VСУБД - объем внешней памяти, требуемый для хранения файлов СУБД по паспорту для SQLite - 0.03 гб

В таблице 4 показан расчёт максимального объема базы данных.

Таблица 4 - Расчёт объема БД

Таблица БД	Размер записи, байт	Макс. кол-во записей	Размер индекса, байт	Всего, байт
Таблица пользователей	528	50	30000	30578
Таблица функций исследовательской деятельности	260	9	15060	15329
Таблица студентов	516	1000	501728	503244
Таблица значений функций в семестре	224	9000	2016788	2026012
Таблица групп студентов	260	15	10124	20399
	Итого:	2155562

V данных - объем памяти, требуемый для хранения записей базы данных - 0,002 гб;

V программы - объем внешней памяти, необходимой для хранения текстов и библиотек приложений -0,014 гб.

Vвп = VОС(16) + VСУБД(0,03) + Vданных(0,002) + Vпрограммы(0,014) = 16,046 гб.

2.3.2 Расчет необходимого объема оперативной памяти

По формуле (2) был проведен расчёт ресурсов оперативной памяти

, (2)

где V_ОП - общий объем оперативной памяти, Мбайт;

V_ОС - объем оперативной памяти, требуемый для установки операционной системы, Мбайт;

V_СУБД - объем оперативной памяти, требуемый для установки СУБД, Мбайт;

V_данных - объем оперативной памяти, требуемый для хранения записей

базы данных и результатов выполнения функций, Мбайт;

V_{программы} - объем оперативной памяти, необходимой для хранения

текстов и библиотек приложений, Мбайт.

VОС- по паспорту для операционной системы Windows 7 x64 -2048 мб;

VСУБД - по паспорту для СУБД SQLite - 34.5 мб:

V данных - 4.2 мб (Таблица 2);

V программы - 12 мб.

V_ОП = V_ОС (2048) + V_СУБД (34.5) + V_данных (4.2) + V_{программы} (12)= 2098.7 Мб



2.4 Основные интерфейсы

В разработанном комплексе пользователь с правами Администратора имеет доступ к следующим справочникам:

1) справочник пользователей;

2) справочник групп;

3) справочник функций исследовательской деятельности.

Ведение справочников подразумевает под собой добавление, удаление и редактирование записей в таблицах БД. Окно работы Администратора представлено на рисунке 9.

Рисунок 9 - Окно Администратора БД

Для пользователя Преподаватель предусмотрен просмотр журнала студентов, где Преподаватель может просмотреть список студентов, выбрать и перейти в окно написания комментария выбранному студенту (рисунок 10).



Рисунок 10 - Журнал студентов

Рисунок 11 - Расчет компетенций

Также Преподаватель может рассчитать оптимальные значения функций научно-исследовательской деятельности выбранному студенту. Значения переменных для расчета вставляются из базы данных, но Преподаватель может их изменить. После расчета отображается график оптимального роста функций научно-исследовательской деятельности (рисунок 11).

2.5 Описание программной реализации

Диаграммма компонемнтов, Component diagram -- статическая структурная диаграмма, показывает разбиение программной системы на структурные компоненты и связи (зависимости) между компонентами. В качестве физических компонентов могут выступать файлы, библиотеки, модули, исполняемые файлы, пакеты и т. п. На диаграмме компонентов (рисунок 12) представлены исполняемый файл «pk_opt.exe», «операционная система Windows 7» и файл базы данных «database_vkr.sqlite3».

В таблице 5 приведены основные классы, используемые в программном комплексе.

Таблица 5 - Основные классы

Класс	Описание
QApplication	Класс, управляющий потоками и основными настройками графического пользовательского интерфейса
QComboBox	Класс виджета, совмещающий в себе кнопку и всплывающий список
QMessageBox	Класс, вызывающий модальный диалог для информирования пользователя
QTableWidgetItem	Класс, обеспечивающий объект для использования с классом QTableWidget
QDebug	Класс, обеспечивающий поток вывода для отладочной информации
QSqlDatabase	Класс, предоставляющий соединение к базе данных
QWidget	Класс, являющийся базовым для всех объектов пользовательского интерфейса
QSqlQuery	Класс, обеспечивающий представление выполнения и управления SQL выражений
QTableView	Класс, обеспечивающий стандартную модель/представление информации просмотра таблицы
QLineEdit	Класс виджета - однострочный текстовый редактор
QStringList	Класс, предусматривающий использование массива строк
QTableWidget	Класс, обеспечивающий просмотр объектно-основанной таблицы со стандартной моделью
QString	Класс, обеспечивающий создание строки символов в кодировке Unicode
QwtPlot	Класс, позволяющий создавать графики
QwtPlotCurve	Класс, ответственный за построение кривых
QStackedWidget	Класс, позволяющий создавать стек виджетов
QTextBrowser	Класс для отображения текста и тегов HTML
QInputBox	Класс, вызывающий модальное окно для ввода данных
QSqlTableModel	Класс, обеспечивающий редактируемую модель данных для единичной таблицы базы данных

Диаграммма развёртывания , Deployment diagram в UML моделирует физическое развертывание артефактов на узлах. Например, чтобы описать веб-сайт диаграмма развертывания должна показывать, какие аппаратные компоненты («узлы») существуют (например, веб-сервер, сервер базы данных, сервер приложения), какие программные компоненты («артефакты») работают на каждом узле (например, веб-приложение, база данных), и как различные части этого комплекса соединяются друг с другом (например, JDBC, REST, RMI).

Узлы представляются как прямоугольные параллелепипеды с артефактами, расположенными в них, изображенными в виде прямоугольников. Узлы могут иметь подузлы, которые представляются как вложенные прямоугольные параллелепипеды. Один узел диаграммы развертывания может концептуально представлять множество физических узлов, таких как кластер серверов баз данных.

Диаграмма развёртывания представлена на рисунке 13. Она отображает программный комплекс оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре, операционную систему Windows, файл базы данных database_vkr.sqlite3 и драйвер принтера.



Рисунок 12 - Диаграмма компонентов

Рисунок 13 - Диаграмма развёртывания

2.6 Программа и методика испытаний

Объектом испытания является разработанный программный комплекс оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре.

Цель испытаний - проверка работоспособности основных функций программного комплекса, а именно:

- авторизация пользователей;

- ведение журнала;

- вычисление максимально возможного значения компетенций исследовательской деятельности у студентов.

Состав и порядок испытаний:

1. Запустить программный комплекс;

2. В главном окне программы ввести логин, пароль и нажать на кнопку «Авторизация»;

3. В открывшемся окне работы Преподавателя нажать на кнопку «Журнал»;

4. В открывшейся таблице выбрать студента;

5. В открывшейся форме нажать на кнопку «Нагрузить» напротив функции научно-исследовательской деятельности, на которую студенту необходимо обратить внимание, и написать сообщение в текстовое поле «Комментарий»;

6. Нажать на кнопку «ОК»;

7. Введенные данные будут занесены в БД;

8. Система открывает форму работы Преподавателя;

9. Нажать на кнопку «Расчет»;

10. В открывшейся форме ввести или изменить значения переменных: «а0», «М_max», «h», «T», «Тета», «Бета», «Альфа», «Начальные значения» и «Мотивация»;

11. Нажать на кнопку «Расчет»;

12. Система выдаст график оптимизации значений компетенций исследовательской деятельности студентов;

13. Нажать на кнопку «Выход»;

14. Система вернет форму авторизации;

15. В открывшемся окне программы нажать на кнопку «Выход» (закрытие приложения и выход в операционную систему).



2.7 Контрольный пример

В данной программе разработано разграничение прав доступа, поэтому пользоваться системой имеют право только определенный ряд пользователей: Администратор БД, Преподаватель, Студент.

После запуска программы появляется окно авторизации с полями «Пользователь» и «Пароль» (рисунок 14).

Рисунок 14 - Окно авторизации

При неправильном вводе полей «Пользователь» и «Пароль» программа выдает ошибку (рисунок 15).



Рисунок 15 - Ошибка при неправильном логине или пароле

Рассмотрим работу программы с правами доступа "Администратор БД". При правильной авторизации после нажатия кнопки "Авторизация" открывается главное окно Администратора БД (рисунок 13).

Рисунок 16 - Окно работы Администратора БД

В выпадающем списке «Справочник» указать необходимый справочник и нажать на кнопку «Выбрать». Система выводит таблицу с данными выбранного справочника.

Администратор БД может добавить новую запись при нажатии на кнопку «Добавить строку» и заполнив необходимые поля. Удаление записи происходит после нажатия на кнопку «Удалить строку».

Завершив свои операции, Администратор БД нажимает на кнопку «Применить», тогда все изменения в таблице редактируются в БД.

При нажатии на кнопку «Выход» программа выходит на окно авторизации (рисунок 14).

Далее рассмотрим работу программы с правами доступа «Преподаватель». При правильной авторизации после нажатия кнопку «Авторизация» открывается окно работы Преподавателя (рисунок 17).

Рисунок 17 - Главное окно Преподавателя

На форме располагаются две кнопки: «Журнал» и «Расчет». При нажатии на кнопку «Журнал» программа выводит таблицу для выбора студента (рисунок 18).



Рисунок 18 - Журнал студентов

При двойном нажатии на строку со студентом открывается форма с данными о студенте, полем «Комментарий» и кнопками: «Нагрузить» и «ОК».

Рисунок 19 - Страница с информацией о студенте

После ввода информации в поле «Комментарий» Преподаватель нажимает на кнопку «ОК». Введенные данные записываются в БД. Программа отображает главное окно работы Преподавателя.

При нажатии на кнопку «Расчет» программа отображается форму с полями для ввода переменных: «а0», «М_max», «h», «T», «Тета», «Бета», «Альфа», «Начальные значения» и «Мотивация» (рисунок 20).

Рисунок 20 - Расчет компетенций

После ввода всех переменных Преподаватель нажимает на кнопку «Расчет». Если введены корректные данные, то программа рассчитывает максимально возможные значения компетенций исследовательской деятельности для каждого студента и формирует отчет в виде графика.

Далее рассмотрим программу с правами доступа «Студент». При правильной авторизации после нажатия на кнопку «Авторизация» появляется окно, которое требует указать идентификатор студента (рисунок 22).



Рисунок 21 - Экран

После того, как пользователь ввел идентификатор, программа отображает главное окно Студента, на котором отображены компетенции научной деятельности студента и комментарий преподавателя (рисунок 23).

Рисунок 22 - Окно работы Студента



3. ВНЕДРЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ

3.1 Описание планируемого объекта внедрения

Программный комплекс оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре разрабатывался в соответствии с требованиями технического задания.

В техническом задании были обозначены следующие функции:

- разграничение прав доступа к функционалу системы путем авторизации пользователей при запуске программного комплекса (на основе взаимодействия со справочником «Пользователи»);

- ведение справочной информации по пользователям, студентам, компетенциям;

- расчет оптимальных значений функция научной деятельности студентов;

Информационная система проектировалась по методологии UML. Реализовывалась на языке программирования C++ c использованием фреймворка Qt 5 и СУБД SQLIte для хранения данных. Работает под управлением операционной системы Microsoft Windows 7 и выше.

3.2 Технико-экономическое обоснование внедрения программного комплекса оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре

В практике процесса управления выполняются управленческие функции, которые требуют затрат трудовых, материальных, технических.

В экономике они группируются в виде оборотных средств:

- заработная плата;

- материалы - бумага, ручки, карандаши и т.д.;

- услуги - отопление, водоснабжение и т.д.;

Другая группа затрат, капитальные затраты - инвестиции:

- Приобретение оборудования;

- вычислительной техники;

- мебели;

- капитальный ремонт помещения;

- проектирование.

Структура капитальных вложений включает:

- строительно-монтажные работы (фундамент, стены, отопление, крыша, проводка и др.);

- стоимость технологического оборудования (лифт, насосы, кондиционеры и др.);

- прочее (проектирование).

Совершенствование системы управления на основе информационной системы позволяют экономить косвенные расходы затрат производства.

Косвенные расходы включают в себя все затраты на управление:

- фонд оплаты труда по штатному производству;

- дополнительные затраты на обслуживание сотрудников

(страхование, повышение квалификации и др.)

- обслуживание производства.

На определенном этапе управления предприятие планирует совершенствование структуры управления в связи с увеличением объема работ, сложности управленческих функций, территориального расположения и других факторов.

Как правило, предприятия создают несколько видов структур:

1) производственная, которая учитывает специфику производства

отраслей;

2) организационная (функциональная, иерархическая).

В процессе совершенствования структуры управления меняются затраты на управление. Как правило, затраты на структуру на определенном этапе не меняются. Поэтому удельный вес затрат на управление, в расчете на единицу продукции уменьшается до определенного времени. В дальнейшем эта экономия снижается по ряду объективных причин. Поэтому на определенном этапе необходимо совершенствовать структуру, а именно:

- меняем функции;

- меняем должности;

- территориальные изменения;

- меняем вид продукции и т.д..

В качестве мероприятий совершенствования структуры управления предлагается разработка и внедрение программных продуктов.

Рисунок 23 - Затраты на управление



Рисунок 24 - Схема изменения структуры

В проекте предлагается совершенствование структуры принятия управленческих решений. В качестве мероприятий совершенствования структуры предлагается на факультет ИСТ внедрить программный комплекс оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре, который позволит моделировать развитие научных способностей.

3.3 Расчет экономического эффекта внедрения программного комплекса оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре

Основная задача, поставленная перед разработчиком - это создание программного комплекса оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре. Разработка не имела ранее подобных аналогов и является специализированным ПО, которое обеспечивает следующие функции:

- заполнение электронной ведомости результатами промежуточной аттестации студентов;

- позволяет пользователю производить анализ полученных данных;

- повышает эффективность работы методического работника за счет наглядного представления данных на экране монитора и тем самым сокращает работу с бумагами.

Приведём расчёт эффективности внедрения разработанной информационной системы для совершенствования работы отдела.

,

где - трудоёмкость до внедрения системы;

- трудоёмкость после внедрения системы.

,

где - фонд рабочего времени одного работника;

- число работников до внедрения системы.

,

где - праздничные и выходные дни (примерно 115 дней);

- другие потери рабочего времени (примерно 20 дней).

Исходя из этого, фонд рабочего времени одного работника в год равен:

.

А, следовательно, трудоёмкость расчётов до внедрения системы равна:

,



где - фонд рабочего времени одного работника;

- число работников до внедрения системы;

- коэффициент снижения трудоёмкости в результате внедрения программного продукта

А, значит, трудоёмкость расчёта после внедрения программного продукта равна:

Исходя из вышеприведённого, можно найти снижение трудоёмкости и уменьшения числа работников в результате внедрения программного продукта по расчёту финансово экономических показателей.

Это значит, что - число работников после внедрения системы составит:

Экономия годового фонда заработанной платы составит:

Средняя заработанная плата одного сотрудника в месяц = 10 тыс.руб.

Теперь, мы имеем возможность рассчитать экономию административно-хозяйственных расходов, учитывая, что величина экономии дополнительной заработанной платы составит 20%, а величина экономии прочих затрат около 40% от экономии годового фонда заработанной платы. Следовательно:

Использование программного продукта на предприятии влечёт за собой затраты на внедрение, которые рассчитываются по формуле:

,

где - затраты на внедрение программного продукта;

- затраты на разработку программного продукта;

- затраты на повышение квалификации работников после внедрения программного продукта.

,

где N - число разработчиков;

С - заработанная плата одного работника;

K - количество месяцев, необходимых для разработки программного продукта.

В данном расчёте:

N=2 человека;

С = 10 тыс. руб.

К = 3 месяца.

Следовательно,

Затраты на повышение квалификации работников для работы на внедренном программном продукте рассчитываются по формуле:

,

где N - число работников, повышающих квалификацию;

S - количество денег, необходимых для повышения квалификации одного работника.

В данном расчёте:

Следовательно,

Из этого следует, что

Подводя итог выше представленным расчётам, возвращаемся к формуле расчёта общего экономического эффекта за один год от снижения трудоёмкости обработки экономической информации в результате разработки и внедрения на предприятии продукта для расчёта финансово-экономических показателей.

Таким образом, предприятие сэкономило 501 тыс. руб. внедряя данный программный продукт. Кроме того, это позволило сократить трудоёмкость работы, улучшить условия труда работников и повысить статус работника, что можно отнести к социальному эффекту.

Результаты данного расчёта можно представить в сводной таблице.

Таблица 6 - Результаты расчётов

Показатель	Единица измерения	Значение до внедрения информационной системы	Значение после внедрения информационной системы
Число работников	Человек	4	3
Заработанная плата одного работника в месяц	Рубли	6000	6000
Фонд рабочего времени за год	Дни	230	230
Трудоёмкость расчётов	Человек/день		460
Снижение численности работников	Человек	-	1
Экономия годового фонда заработанной платы	Тыс. руб.	-	360
Экономия административно-хозяйственных расходов	Тыс. руб.	-	576
Затраты на внедрение	Тыс. руб.	-	75
Общий годовой эффект информационной системы в сфере управления	Тыс. руб.	-	501



4. ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И САМОРАЗВИТИЕ

4.1 Сведения о деятельности возглавляемого научного микроколлектива

Данная глава различается по стилю повествования от остальных частей выпускной работы. Глава имеет скорее художественный стиль, а не научный.

Здесь рассказывается о моем микроколлективе за осенний семестр 2014 года, так как в весеннем семестре у меня его не было из-за отсутствия третьекурсника, который бы в дальнейшем возглавил микроколлектив.

В мой микроколлектив входили: Алексей Егоров, Евгения Кутепова (первый курс), Никита Федорин (второй курс) и Дмитрий Мавричев (магистрант первого года обучения). С Димой я был знаком и ранее - мы вместе отходили полный год обучения в учебно-научный центр «Netcracker». С остальными членами коллектива я познакомился уже в процессе занятий научных групп.

В первый день встречи с научной группой я поговорил с Лешей и Никитой и понял, что они хорошие и умные ребята. Я начал рассказывать Алексею об учебе на нашем факультете - про дисциплины, преподавателей, экзамены. Вначале меня краем уха слышали остальные первокурсники, а потом уже начали с интересом внимать моим слова. На следующее занятие Евгения перевелась к нам в микроколлектив. Она оказалась активной и усердной студенткой.

На парах обучения в научных группах мы с Димой раздавали задания и помогали с их выполнением. У нас даже оставалось время на житейские беседы, которые ничуть не расслабляли, а наоборот сплочали коллектив, потому что мы всегда были лидирующей командой по рейтингу в кабинетах научных групп.

Этот микроколлектив оставил у меня только светлые воспоминания, которые появились после научных дискуссий, совместного выполнения еженедельных заданий и разговорах о жизни вне коллектива. После семестра первокурсники были не зелеными новичками, а полноценными студентами. Я же получил ценные советы по выпускной работе, которые мне дал Дмитрий.

4.2 Сведения о трудовой деятельности

На данный момент я работаю в компании Ланит. Сфера деятельности департамента - создание IT-решений для государственного сектора. Компания реализует концептуальное и техническое проектирование, а также управление проектами по созданию информационных систем. Моя должность - инженер отдела контроля качества программного обеспечения. В отделе я являюсь специалистом по автоматизированному тестированию. В мои обязанности входит: автоматизированное, функциональное, регрессионное, нагрузочное тестирование, написание различной документации (программа и методика испытаний, тест-кейсы, сценарии для автоматизированного тестирования).

4.3 Перечень публикаций

1. Информационная система оптимального управления структурой научной деятельности студентов в семестре // Труды международной научно-п...