Разработка информационного базиса системы дистанционного обучения

LookOut представляет собой систему мониторинга и управления технологическими процессами: работа в реальном времени, поддержка большого количества стандартных измерительных и управляющих устройств, несколько уровней секретности и объявления нештатных ситуаций. Программная система в LookOut строится по принципу логической схемы, что оптимально для технологического процесса и абсолютно не приемлемо для более сложных задач (например, научных исследований), так как не позволяет строить сложные алгоритмы управления различными устройствами, осуществлять серьезную математическую обработку данных и многое другое. Поэтому для разработки программного обеспечевіия исследовательского оборудования LookOut непригоден.

LabView функционально ничем не уступает другим продуктам National Instruments (LabWindows/CVI или Component Works). LabView содержит подобные инструменты для создания интерфейса пользователя, работы с измерительным и управляющим оборудованием, математической обработки данных, работы в сети и т.д. К LabView также можно подключать программные модули, созданные в других средах программирования, например, C++ или LabWindows/CVL Программирование в LabVIew ведется на уровне диаграмм. Диаграммы в LabView - это схемы алгоритмов. Основные элементы "алгоритмического языка" LabView практически повторяют основные конструкции языка программирования Си.

При наличии определенных навыков создание достаточно сложной программы на LabView занимает у разработчика времени примерно на два порядка меньше, чем разработка такой же программы, например, на C++. Однако, основу LabView составляет runtime-engine, подобный аналогичному средству в LabWindows/CVI. Но в LabView оно выполняет значительно больше задач, благодаря чему LabView является практически самой быстрой и самой надежной системой в своем классе.

Однако LabView при всей своей привлекательности предназначена для создания небольших измерительно-управляющих систем, работающих в реальном времени, и не предназначена для разработки мощных, развитых программных комплексов, а тем более системного программного обеспечения, так как для этого LabView слишком громоздкая и медленная система. При создании подобных систем LabView будет проигрывать программам, созданным на C++, как по скорости работы, так и по необходимым компьютерным ресурсам. Поэтому LabView не подходит для создания программного обеспечения исследовательского оборудования.

BridgeView представляет собой построенную на основе LabView систему управления предприятиями и технологическими процессами с элементами разграничения доступа и системы предупреждений, заимствованных из LookOut, и ее использование при создании программного обеспечения для исследовательского оборудования также нецелесообразно.

Средства разработки баз и хранилищ данных

В настоящее время особенно остро ощущается потребность в информационной поддержке образовательного процесса. Для этого необходимо создание и внедрение обширных распределенных баз и хранилищ данных как основы такого информационного обеспечения. Внедрение такой системы кроме количественного роста объема доступной информации позволяет решить следующие задачи, стоящие перед образовательными учреждениями:

- активизация самостоятельной работы студентов;

- интенсификация и индивидуализация обучения;

- унификация аттестационных требований по дисциплинам на основе государственных образовательных стандартов;

- объективизация оценки эффективности профессиональной деятельности преподавателей;

- проведение внутривузовских аттестаций по отдельным элементам образовательных программ;

- организация обучения и аттестации для различных форм образования.

Анализ требований, предъявляемых образовательными учреждениями к создаваемым распределенным базам и хранилищам данных, показал, что такая база должна быть универсальной и масштабируемой. Кроме того, она должна точно соответствовать своему назначению, иметь понятный интерфейс для пользователей всех уровней, обеспечивать широкую доступность к информации, при одновременном усилении защиты конфиденциальной информации, максимально использовать имеющиеся технические средства.

Создание системы, удовлетворяющей таким жестким требованиям, возможно только при внедрении новейших технологий разработки. В настоящее время активно развиваются направления создания традиционных клиент-серверных баз данных, использующих для обмена данными Интернет и локальные сети, и баз данных, использующих собственно Интернет-технологии для обмена данными.

Для создания современных баз данных широко используются и могут быть рекомендованы к применению системы Быстрой Разработки Приложений (RAD), позволяющие вести разработку средств поэтапно, на каждом этапе предъявляя пользователю для согласования результаты работы. К таким системам относятся широко распространенные Delphi, C++ Builder, PowerBuilder, a также пока не так широко распространенные специализированные системы RAD типа системы JAM фирмы JYACC (США). Для создания Web-ориентированных баз данных существуют собственные средства разработки, такие как WebSpeed 2.x фирмы Progress Software, Baiconur Web Application Server, Jbuilder Client-Server Edition, Symantec Visual Cafe Database Engine и др.

Независимо от используемого средства создания распределенной базы данных, сложность разработки такой системы вызывает необходимость применения специальных программных средств для описания структуры проектируемой системы. Использование таких программных средств позволяет создавать детальные описания проектируемых систем, что значительно снижает трудоемкость создания за счет исключения ситуаций, когда программно реализуется система, отличающаяся от требуемой из-за ошибок в описании структуры. К таким средствам относятся система Silverrun и другие системы, реализующие методику описания сложных распределенных систем DATARUN.

В целом использование таких систем позволяет в короткие сроки создать действующую систему, которая будет совершенствоваться в процессе эксплуатации с учетом новых требований и выявленных недостатков. Возможность развития, заложенная на стадии проектирования, позволит такой системе долгое время выполнять требуемые функции с максимальной эффективностью.

1.4 Средства телекоммуникационных технологий

Телекоммуникационные технологии базируются на 3-х компонентах, среди которых: физическая среда передачи информации между абонентами (каналы), организационные структуры передачи информации (сети) и процедуры формирования информационных потоков (протоколы). При этом различают следующие виды названных компонентов:

Каналы имеют следующие разновидности:

- проводные (кабельные) - многожильные параллельные, телефонные, витые пары, коаксиальные, оптоволоконные;

- беспроводные - радиорелейные, спутниковые, оптические.

Сети могут быть локальными, корпоративными, глобальными. Протоколы принято различать на протоколы компьютерных сетей и полевые протоколы.

Перечисленные особенности организации телекоммуникационных подсистем необходимо знать, поскольку в конкретных регионах страны исторически сложились их конкретные виды. Принимая решение об организации образовательного процесса в соответствующем регионе, следует использовать существующие структуры или стремиться к переходу на применение более перспективных технических решений. Знание предельных возможностей используемой телекоммуникационной подсистемы позволяет более эффективно построить образовательный процесс в открытой образовательной среде.

В настоящее время происходит интенсивный процесс становления новых образовательных технологий, основанных на коллективном доступе к распределенным информационным и техническим ресурсам с использованием корпоративных образовательных сетей [7,8]. Однако отсутствие единой нормативной базы приводит к информационному засорению корпоративных сетей. Как было сказано ранее, широко рекламируемый режим телеконференций, порождая большие потоки информационного обмена, практически не привносит нового качества в процесс познания объекта изучения. Применение такого режима обмена учебной информацией объективно необходимо только в тех случаях, когда в ходе активного воздействия на удаленный объект появляется необходимость визуальной оценки результата, если его практически невозможно зафиксировать инструментальными средствами.

Проводные каналы.

Параллельные каналы связи физически реализуются с помощью многожильного кабеля (или печатной платы), причем число жил (печатных проводников) выбирается в соответствии с требуемой разрядностью передаваемой информации (адресов, данных) - обычно 16, 24, 32, 64, В целях обеспечения компактности, расстояние между проводниками стараются уменьшать, однако при этом увеличиваются межпроводные емкостные связи, что приводит к возрастанию взаимных помех, особенно при больших скоростях передачи информации. Это обстоятельство и является естественным ограничением области применения параллельного канала связи. Как правило, он используется для организации высокоскоростных магистралей между отдельными функциональными устройствами, удаленными друг от друга в пределах от нескольких сантиметров до 1…2 м.

Диапазон скоростей передачи данных по параллельному каналу очень широк - от 10 Мбит/с (внешние магистрали повышенной протяженности 1-2 м) до 1000 Мбит/с (например, короткие внутри компьютерные магистрали).

Последовательные каналы связи различного типа, содержат преимущественно два проводника, взаимное размещение которых имеет следующие разновидности:

- Проводники размещены параллельно друг другу на некотором фиксированном расстоянии (телефонный кабель). Каналы, использующие телефонный кабель, самые дешевые (порядка О, 1 $/м), однако они наименее защищены от внешних помех, у них наиболее высокий показатель межпроводной емкости, а, следовательно, -низкая скорость передачи данных (не более 19200 бит/с);

- Проводники перевиты между собою с определенным шагом и помещены в экранирующую оплетку (витая пара). Такое решение позволяет значительно снизить уровень внешних помех, несколько уменьшить межпроводную емкость и увеличить скорость передачи данных до 10 Мбит/с. Стоимость такого кабеля несколько выше (порядка 0, 5 $/м);

- Проводники располагаются таким образом, что один из них образует центральную жилу, а другой - гибкую оболочку (оплетку) вокруг центральной жилы с использованием промежуточного изолятора (коаксиальный кабель). Данный кабель имеет практически такую же степень защиты от внешних помех, как витая пара, близкое значение межпроводной емкости и, следовательно, - аналогичную скорость передачи данных до 10 Мбит/с. Стоимость такого кабеля еще выше (порядка 1,0 $/м).

Уникальными возможностями для передачи данных обладает оптоволоконный кабель. Здесь отсутствует межпровсдная емкость, поскольку информация передается модуляцией светового потока. Скорость передачи данных возрастает до 100 Мбит/с и ограничивается не самим кабелем, а электронными системами преобразования информации. Практически обеспечивается полная защита от внешних помех. Стоимость такого кабеля наиболее высокая (порядка 2,0 $/м), но в пересчете на передаваемый бит информации оптоволоконный кабель является экономически наиболее выгодной проводной линией связи, естественно, при условии полного использования его возможностей.

Передача данных по последовательному каналу происходит последовательно бит за битом, поэтому при прочих равных условиях скорость передачи данных здесь, как минимум, в десять раз ниже, чем скорость передачи данных по параллельному каналу. В зависимости от организаций формирования и передачи данных принято несколько международных стандартов:

- Стандарт RS-232 является самым простым и надежным средством связи двух электронных устройств на расстояниях до 15 м. Он имеет возможность варьирования скорости передачи данных от 1,2 до 38Э4 Кбит/с, в зависимости от быстродействия подключаемых устройств. При создании исследовательского оборудования нового поколения последовательный канал, построенный на стандарте RS-232, становится удобным средством связи автоматизированного оборудования, снабженного интеллектуальными микроконтроллерами, и компьютера, выполняющего служебные функции (сервера), поскольку практически каждый компьютер в своем составе имеет стандартный порт RS-232.

- Стандарт RS-485 позволяет создавать систему связи сетевой структуры, т.е. включать на один канал связи более двух устройств. Технические средства поддержки данного стандарта позволяют обеспечить скорость передачи информации до 500 Кбит/с при удалении абонентов до 1500 метров. RS-485 следует применять в распределенных микроконтроллерных системах, когда расстояние между отдельными микроконтроллерами составляет более двух метров.

- Стандарт I2С также предназначен для включения в сеть нескольких устройств, но на расстояниях до 1 - 1,5 м. Контроллер шины I 2С, как правило, входит в состав специализированных микроконтроллеров, например, РСВ80С552 фирмы Philips, что делает его применение простым и удобным. Преимуществом стандарта I 2С для межпроцессорного обміена на малом удалении (около 1 м) является наличие встроенного аппаратного контроля ошибок и конфликтов на уровне приемопередатчиков, значительно снижающего количество ошибок при передаче данных и позволяющего существенно повысить скорость работы системы связи в целом (до 115 Кбит/с).

Беспроводные каналы.

С семидесятых годов началось развитие беспроводных линий связи для передачи данных. Первоначально наибольшее развитие получили радиорелейные линии, способные обеспечить передачу потоков информации со скоростями 32, 64, 128 бит/с. В дальнейшем скорости передачи информации по радиорелейным линиям были увеличены до 2048 Кбит/с и более. Недостатком радиорелейных систем является работа только в пределах прямой видимости и относительно высокая стоимость, поэтому они преимущественно используются при передаче потоков информации для привязки к мощным кабельным или спутниковым магистралям передачи информации.

Делались попытки строительства линий передачи информации по лазерным каналам передачи данных. Например, экспериментальная лазерная линия связи "МГУ - Главпочтамт", построенная в 80-е годы, работает и в настоящее время.

В ряде случаев используются комбинированные системы, когда в кабельные линии при преодолении больших преград, например, водных (крупные реки), делают лазерные вставки. Однако широкого распространения лазерные линии связи не получили из-за нестабильности связи при изменении погодных условий.

Наибольшее развитие в последние 10-15 лет получили спутниковые системы связи, где наблюдается устойчивый прогресс по следующим причинам:

- полнота охвата поверхности Земли;

- независимость от климатических и погодных условий;

- высокая надежность;

- возможность получения практически неограниченной пропускной способности. Например, система спутниковой связи "Ямал" имеет полную пропускную способность 12500 дуплексных каналов по 32 Кбит/с. При этом пользователям предоставляются каналы различных типов: 2, 4; 4, 8; 9, 6; ...; 2048 Кбит/с;

- приемлемые показатели по стоимости.

Здесь необходимо уточнить экономь Іескле особенности использования радиорелейной и спутниковой связи. Если не малых расстояниях радиорелейный канал в 6А Кбит/с (илі ствол в 2048 Кбит/с) выгоднее спутникового, на больших расстояниях сравнительная стоимость передачи информации по спутниковому каналу становится в 5 - 6 раз более выгодной.

Во всем мире широко развиваются системы сотовой радиосвязи. Первоначально они предназначались для ведения телефонных переговоров, но в последнее время все больше захватывают и область передачи "всех видов информации, предоставляя абоненту услуги по передаче данных с пропускной способностью от 96 до 2048 Кбит/с.

Стоимость передачи информации в сотовых сетях гораздо выше, чем в радиорелейных или проводных (до 1,0 $/мин за передачу данных со скоростью 64 Кбит/с), но предоставляемые пользователю удобства и простота сопряжения с глобальными сетями передачи информации даже при движении являются привлекательными для многих пользователей.

Перспективным направлением во всем мире признано создание гибридных систем передачи информации на базе ATM-технологий (Asynchronous Transfer Mode - тип коммутационной технологии, при котором по сети передаются небольшие порции данных фиксированного размера), в первую очередь, объединяющих достоинства сотовой и спутниковой связи.

В настоящее время развиваются программы по созданию всемирных сетей спутниковой связи ( «Иридиум», «Глобалстар», «Ростелесат» и др.) на низко летящих спутниках (одновременно от 40 до 120 спутников на орбите), позволяющих обеспечить доступ для передачи и приема всех видов информации (голос, данные, изображение) с мобильных или стационарных объектов.

Перспективным является создание линий лазерной связи в диапазонах инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Во многих странах, в том числе в России, проводятся исследования в этой области, в том числе для передачи информации рассеянным или отраженным от верхних слоев атмосферы излучением.

Определенная номенклатура устройств для этих целей уже выпускается как за рубежом, так и в странах СНГ. Главным преимуществом этой техники является отсутствие затрат на использование частотного диапазона, составляющих существенную часть стоимости сотовых и спутниковых каналов связи.

Однако дальность подобных линий связи в настоящее время невелика (в среднем до 1,5-3 км), и они подвержены промышленным помехам. Ориентировочно стоимость использования каналов связи, построенных по этому принципу, будет от 1,5 до 3 раз меньше стоимости применения традиционных каналов.

В целом, беспроводные линии связи в последнее время получили мощный импульс развития, вызванный, с одной стороны, растущими в геометрической прогрессии потребностями в передаче больших объемов информации в минимальные сроки, при; обеспечении пользователю удобного, простого и экономически привлекательного доступа к информационным ресурсам; с другой стороны - бурным прогрессом цифровых методов передачи и обработки информации, появлением принципиально новых технологий обработки, организации передачи и сжатия информации, дальнейшей миниатюризацией электронных компонентов. Как показывает статистика, каждые десять лет потребность в передаче информации увеличивается в десять раз.

Поэтому в 1998-1999 годах ряд ведущих государств мира подписали Соглашение о совместном строительстве единого глобального информационного пространства, призванного как облегчить пользователям обмен информацией, так и обеспечить широкий доступ к уже созданным информационным ресурсам для всестороннего укрепления международного сотрудничества и доверия между странами.

Основные сетевые технологии

Сетевая топология описывает структуру объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям:

- режиму доступа к сети;

- средствам контроля, передачи и восстановления данных;

- возможности изменения числа узлов сети.

Основными применяемыми топологиями являются "звезда", "кольцо" и шина. В звездообразной топологии вся информация передается через некоторый центральный узел. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения (каналы связи, программная поддержка). Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимуществом этой структуры является то, что на среду передачи не может влиять никто, кроме ее собственника. С другой стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством. Кроме того, расширение сети возможно только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу.

В кольцевой структуре информация передается от узла к узлу по физическому кольцу Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информации была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контролера (так называемый маркер ) на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а, следовательно, и к остановке всех передач.

В любой шинной структуре все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине. В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников. Процесс подключения к шине дополнительных узлов не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии "звезда". Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Существует два метода регулирования такого доступа - "шинного арбитража":

- "фиксированный мастер" (централизованный контроль шины), в соответствии с которым доступ к шине контролируется центральным мастер-узлом;

- "плавающий мастер" (децентрализованный контроль шины) - благодаря собственному интеллекту каждое устройство само определяет регламент доступа к шине.

Протоколы компьютерных сетей.

Среди протоколов информационных компьютерных сетей наибольшее распространение получило семейство (стек) протоколов TCP/IP (Transmission

Control Protocol / Internet Protocol). Его лидирующая роль объясняется следующими свойствами:

- это наиболее завершенный стандартный и в то же время популярный стек сетевых протоколов, имеющий многолетнюю историю;

- почти все большие сети передают основную часть своего трафика с помощью протокола TCP/IP;

- это метод получения доступа к сети Internet;

- этот стек служит основой для создания Intranet - корпоративной сети, использующей транспортные услуги Internet и гипертекстовую технологию WWW, разработанную в Internet;

- все современные операционные системы поддерживают стек TCP/IP;

- это гибкая, технология для соединения разнородных систем как на уровне транспортных подсистем, так и на уровне прикладных сервисов;

- это устойчивая масштабируемая межплатформенная среда для

- приложений клиент-сервер.

Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня:

Уровень IV поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней:

- для локальных сетей - это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN;

- для глобальных сетей - протоколы соединении «точка-точка» SLIP

- и РРР, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, Frame Relay;

- разработана спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня;

- при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC (Request for Comment) - серии документов, описывающих сетевые сервисы и протоколы.

Уровень III - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов данных с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т.п.:

- В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке используется протокол IP (Internet Protocol), который первоначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи.

- К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации! RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний из перечисленных протоколов предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета данных. С помощью специальных пакетов ІСМР сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных значениях параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Уровень II называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Уровень I называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня, к которым относятся:

- Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol) реализует удаленный доступ к файлу. Для того чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений - TCP. Кроме пересылки; файлов протокол . FTP предлагает и другие услуги. Так, пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль. Для доступа к публичным каталогам FTP- архивов Internet парольная аутентификация не требуется, и ее обходят за счет использования для такого доступа предопределенного имени пользователя Anonymous.

- В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP? могут использовать другой, более экономичный простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения - UDP.

- Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессорами, а также между процессором и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленного компьютера. При использовании сервиса telnet пользователь фактически управляет удаленным компьютером так же, как локальный пользователь, поэтому такой вид доступа требует хорошей защиты. Поэтому серверы telnet всегда используют как минимум аутентификацию по паролю, а иногда и более мощные средства защиты, например, систему Kerberos.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol) используется для организации сетевого управления. Протокол SNMP был разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet (шлюзами). С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для управления любым коммуникационным оборудованием - концентраторами, мостами, сетевыми адаптерами и т.д.

Полевые протоколы

Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием промышленные сети или полевая шина (Field-Bus). Протоколы, по которым работают полевые шины, относят к полевым протоколам.

Основная задача полевых сетей (следовательно, и полевых протоколов) -обеспечить совместимость на уровне сети аппаратных средств от разных производителей.

Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:

- объем передаваемых полезных данных;

- время передачи фиксированного объема данных;

- удовлетворение требованиям задач реального времени;

- максимальная длина шины;

- допустимое число узлов на шине;

- помехозащищенность.

Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, то есть при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности. Наиболее распространенными полевыми протоколами являются:

Протокол MODBUS разработан фирмой Gould Inc. для построения промышленных распределенных систем управления. Специальный физический интерфейс для него не определен и может быть выбран самим пользователем: RS-232С, RS-422, RS-485 или токовая петля 20 мА.

Протокол работает по принципу Master/Slave. В сети могут находиться одновременно один Master-узел и до 247 Slave-узлов. Master-узел инициирует циклы обмена данными двух видов: запрос/ответ (адресуется только \один из Slave-узлов) и широковещательная передача данных.

Протокол описывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде, обработку ошибок и исключительных состояний, коды функций. Каждый запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т.д.), адрес абонента, размер ноля данных, собственно данные и контрольный код. В набор команд входят чтение/запись данных, функции диагностики, программные функции и т.п. Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Он привлекателен своей простотой и независимостью от физического интерфейса.

Протокол BITBUS разработан фирмой Intel в 1984 году для построения распределенных систем, в которых должны быть обеспечены высокая скорость передачи и надежность. Протоколу был присвоен статус стандарта IEEE 1118. Используется принцип Master/Slave. Физический интерфейс основан на RS-485. Протокол не дает возможности построения сложных систем из-за простоты, структуры его информационных пакетов. Он определяет два режима передачи данных по шине:

- Синхронный режим используется для работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях: от 500 до 2400 кбит/с на расстоянии до 30 м. При этом в сеть может быть включено до 28 узлов;

- Режим с самосинхронизацией, когда передача возможна на скоростях 375 Кбит/с (до 300 м) и 62, 5 Кбит/с (до 1200 м). Используя шинные повторители, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на каждом). Тогда общее число узлов можно довести до 250, а длину шины - до нескольких километров.

Протокол PROFIBUS (Process Field Bus) первоначально предназначался для выполнения следующих действий:

- организации связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ;

- создания простой и экономичной системы передачи данных, основанной на стандартах;

- реализации интерфейса между протоколами передачи данных и пользователем.

В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, 32 из которых могут быть Master-узлами. В среде Master-узлов передается маркер - право проведения циклов передачи данных по шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм аутов [10].

Протокол PRGFIBUS является наиболее развивающимся и завоевывает все большую популярность.

В заключении следует отметить, что для региональной ИТС, предназначенной для целей ДО, наиболее предпочтительными являются беспроводные каналы и оптоволоконные линии связи.

В ближайшей перспективе достаточно эффективно будут использоваться системы сотовой связи с применением для ДО VIP-технологии.

2. Математическое и программное обеспечение формирования информационного базиса в системе дистанционного обучения

2.1 Создание информационно-образовательной среды системы дистанционного обучения

Цель создания информационно-образовательной среды - повышение эффективности образования за счет использования новых информационных технологий, средств телекоммуникаций, создания баз электронных учебных и контрольно-измерительных материалов, разработанных в разных системах дистанционного обучения.

В рамках поставленной цели необходимо решить ряд задач, связанных с разработкой концепции информационной среды непрерывного образования на основе системы дистанционного обучения, структуры среды, модели непрерывного образования, метода формализации электронных учебно-методических материалов (ЭУММ).

В качестве основных требований к информационно-образовательной среде рассматриваются:

Информационная среда должна обеспечить методическую и технологическую поддержку всего процесса непрерывного образования, включая доступ к различным ЭУММ, формирование ЭУММ с учетом требований пользователей, организацию непрерывного мониторинга качества знаний за счет использования тестов контроля знаний и других контрольных материалов.

Персонализация различных типов пользователей и организация доступа обучаемых к различным сервисам и информационным ресурсам среды в соответствии с их статусом (школьник, абитуриент, студент, аспирант, специалист, преподаватель, администратор) через настраиваемый интерфейс.

Организация обратной связи с преподавателями посредством традиционных видов связи, видеоконференций, электронной почты, форумов и
семинаров.

Обеспечение защиты информации с использованием программных и
физических способов обеспечения безопасности (установление подлинности,
управление доступом, конфиденциальность и целостность данных и т.д.).

Структура информационно-образовательной среды системы дистанционного обучения (ИОС СДО), разработанная в соответствии с требованиями, изложенными выше представлена на рисунке 2.

Информационный модуль включает сведения об образовательном учреждении (ОУ) и его потенциале. Основная задача - информирование потенциальных пользователей ИОС о программах, курсах, специальностях и формах обучения, по которым ведется подготовка слушателей.

База ЭУМ содержит формализованный набор различных учебных материалов (тексты, иллюстрации, видеоматериалы и пр.), из которых, в соответствии с запросом пользователя (обучаемого или обучающего), формируются электронные учебники по различным предметам.

Модуль «Электронные библиотеки» обеспечивает доступ пользователей к ресурсам электронных библиотек различных образовательных учреждений (ОУ).

Сетевой модуль обеспечивает доступ к подразделениям ОУ, доступ и обмен информационными, методическими и учебными ресурсами между ОУ.

Модуль интеграции обеспечивает интегрирование разработанных разными авторами для различных СДО учебных материалов в единую базу ЭУМ среды за счет формализованного описания учебных материалов.

Модуль организации учебного процесса состоит из модуля создания ЭУМ, модуля проверки знаний и модуля обратной связи.

Модуль создания ЭУМ предоставляет инструментарий для автоматизированного создания ЭУМ (учебников, задачников, тестов контроля и самоконтроля).

Модуль проверки знаний предназначен для проведения текущего, рубежного и итогового контроля знаний посредством тестирования обучаемых.

Модуль обратной связи обеспечивает возможность проведения дискуссий, консультаций, обсуждений и пр. в режиме on-line и off-line посредством проведения форумов, чатов, системы переписки и видео-конференцсвязи.

Модуль управления учебным процессом включает административный модуль и модуль контроля за успеваемостью.

Модуль администрирования предназначен для учета контингента обучающихся (школьники, студенты, специалисты). Информационное наполнение базы данных этого модуля включает документы, регламентирующие подготовку школьников, студентов и специалистов по отдельным предметам, направлениям и специальностям ОУ (государственные образовательные стандарты, учебные планы, квалификационные характеристики и др.) [17].

Модуль контроля за успеваемостью содержит сведения об участии обучаемого в образовательных мероприятиях, уровне прохождения учебного плана, результатах выполнения контрольных мероприятий и пр.

В предлагаемой нами модели организации непрерывного обучения в ИОС СДО, ориентированной на расширение возможностей традиционных форм образования, выделены следующие категории участников: обучающие - преподаватели ВУЗов, средних профессиональных учреждений; учителя школ, колледжей и лицеев; обучаемые -- абитуриенты, студенты очного и заочного направления, специалисты; администраторы -- специалисты, обеспечивающие поддержку и функционирование ИОС.

Предлагаемая модель непрерывного образования включает интеграцию очных и дистанционных форм обучения для всех уровней традиционного образования. Функциональное назначение такой модели состоит в организации широкого использования технологий обучения по индивидуальным программам, расширении возможных форм тестирования, контроля знаний, проведения консультаций с использованием Интернет-конференций и форумов, расширение самостоятельной работы за счет реферативных и проектных видов деятельности, что создает условия для творческого развития обучаемых.

Представленная модель сочетает в себе черты моделей «Обучение на основе кейс-технологий» и «Сетевое обучение» и является расширением возможностей и способов организации занятий в традиционном обучении. Рассмотрим модель организации обучения в ИОС СДО.

Представленный процесс обучения может быть реализован для всех уровней (среднее, высшее, дополнительное) и форм (очное, заочное) обучения и позволяет повысить качество учебного процесса за счет предоставления обучаемым расширенного набора учебных материалов. Это обеспечивает для студентов сокращение сроков изучения учебных дисциплин, для школьников -расширение спектра профильного обучения и обучение по индивидуальным программам, «приближение» заочной формы обучения к очной. На теоретических занятиях преподаватель в классе или/и с использованием Интернет-конференций излагает основные аспекты нового материала - цели и задачи, основные понятия, практическую применимость новых знаний, контрольные вопросы. Далее, обучаемый приступает к изучению нового материала посредством работы с ЭУМ и подготовки вопросов для обсуждения. На консультациях происходит обсуждение этих вопросов, проводятся дискуссии по интересующим темам, анализируются способы решения задач и формулируются контрольные задания. Далее, обучаемый выполняет контрольные задания, тесты контроля и самоконтроля. Аттестационные мероприятия (экзамены, защиты курсовых и дипломных работ и т.п.) при обучении в информационно-образовательной среде проводятся либо традиционно, либо при организации Интернет-конференций.

2.2 Моделирование информационного базиса СДО с использованием цепей Маркова

В соответствии с принятым формализмом цепей Маркова, освоение информационного базиса может рассматриваться как динамическая система, находящаяся в каждый из моментов - в одном из п состояний:

Переменная , определяет номер шага в формирования структуры
базиса и не связана непосредственно со временем. Эта переменная
принадлежит некоторому множеству рассматриваемых моментов времени
Т.

Основное дoпущение, принятое в теории цепей Маркова-независимость вероятностей перехода из одного состояния в другое от предыстории процесса, т.е. состояния изменяются со временем случайным образом. Это изменение определяется матрицей переходных вероятностей

…

p11(tk) p12(tk) … p1(tk)

p21(tk) p22(tk) … p2(tk)

… … … … …

p(tk) p(tk) … p(tk) (2.1)

Каждый элемент матрицы показывает вероятность того, что если система в момент tk находилась в состоянии Si, то в момент tk+1 она окажется в состоянии Sj: .

Каждая строчка матрицы Р соответствует состоянию, в кoтopoм процесс находится нa данном шаге, а каждый столбец - состоянию, в которое переходит процесс в следующем шаге.

Процесс случайного перехода системы из одного состояния в другое
называют цепью Маркова.

Переходы во все возможные состояния (в том числе в себя) образуют полную группу событий, поэтому для всех i=1,…,n,

В дальнейшем предполагается, что вероятности не зависят от времени,
т.е.цепь Маркова однородна.

Пусть вектор-строка X(tk)=[x1(tk),..,ХN(tk)] - описывает распределение вероятностей нахождения системы в соответствующих состояниях в момент tk, то есть xi(tk) - это вероятность того, что в момент tk система находится в состоянии Si. При этом . Тогда по теореме об умножении вероятностей и с учетом основного свойства Марковского процесса получим:

(2.2)

где pij(tk) выступают в роли условных вероятностей перехода в состояние Sj, при условии, что система находится в состоянии Si.

В матрично-векторной форме (2.2) примет вид:

X(tk+l)=X(tk)P (2.3)

Должно также быть заданным начальное условие: X(t0)=X0, которое определяет состояние процесса на начальном шаге формирования информационного базиса.

Вычисляя последовательно X(tl), X(t2),…,X(tk) мы можем получить вероятностный прогноз графика построение системы базиса.

Множество состояний системы S подразделяется на множество невозвратных состояний и множество поглощающих состояний S2. Состояния, относящиеся к множеству S2, соответствуют завершению процесса. Поэтому, исключив из матрицы Р строки и столбцы, соответствующие состояниям из , и, обозначив оставшуюся матрицу Q, можем вычислить так называемую фундаментальную матрицу цепи Маркова:

(2.4)

где I-единичная матрица.

Каждый элемент матрицы N представляют coбoй среднее число пребываний процесса в состоянии Si при старте из состояния Si . В нашем случае старт всегда происходит из состояния Ss, поэтому достаточно рассматривать только первую строку матрицы N.

Зная , можно вычислить среднюю трудоемкость формирования структуры частотного словаря по формуле:

(2.5)

где - трудоемкость j-го шага процесса освоения информационного базиса УMM в часах.

В ряде случаев освоения ИБ УMM разработчика может интересовать оценка дисперсии трудоемкости курса. Для этой цели вычисляется матрица дисперсий числа пребываний процесса во множестве невозвратных состояний по формуле:

 (2.6)

где индексы dg и sq обозначают соответственно выделение диагональных элементов матрицы N и возведение в квадрат каждого элемента этой матрицы.

Если исследователя интересует не дисперсия, а среднеквадратичное отклонение числа пребываний процесса от среднего, которое вычисляется по известной формуле:

или в матричной форме:

(2.7)

Рассмотрим модель динамики освоения информационного базиса интерактивного курса на основе цепей Маркова с дискретным временем. Представление процесса формирования базиса в виде цепи Маркова основано на ряде допущений. Кроме указанного выше основного допущения приняты следующие: допущение об однородности цепи Маркова (т.е. о независимости вероятностей от времени); о независимости трудоемкости шага формирования информационно - терминологического базиса от числа обращений к нему; о строгом следовании предписанному порядку выполнения шагов формирования информационного базиса.

В настоящей работе внимание сосредоточено на изучении отдельного ИБ для УММ интерактивной обучающей технологии. Предлагаемая в работе методика позволяет вычислить следующие оценки:

-распределение вероятностей прохождения различные наборов блоков
ИБ УММ (различные блочно-модульных структур ИБ) на каждом шаге
процесса интерактивного обучения, в том числе вероятность завершения
интерактивного курса студентом за заданное число шагов;

распределение вероятностей различных вариантом завершения
процесса интерактивного обучения, если такая возможность предусмотрена;

средняя трудоемкость освоения информационного базиса УММ;

дисперсия трудоемкости освоении ИБ.

Кроме того, возможны более тонкие исследования блочно-модульной структуры ИБ курса интерактивного обучения, например, зависимость общей трудоемкости прохождения курса от степени дробления его ИБ УММ на блоки и сборки их в модули УММ.

Исходная информация для модели включает список узлов (шагов процесса интерактивного обучения), граф связи между ними, матрицу вероятностей перехода от узла к узлу и оценку средней трудоемкости каждого шага. Список шагов процесса формирования информационного базиса, трудоемкости их выполнений в часах и связи между ними определяются, как правило, рабочей программой курса (например, для ВУЗов).

Вероятности переходов могут первоначально оцениваться преподавателем экспертно на основе опыта работы с данным обучающим курсом и контингентом учащихся, а впоследствии уточняться по результатам оценки блочно-модульной структуры информационного базиса УММ на основе собранных статистических данных. То же касается и оценок трудоемкости отдельных шагов освоения ИБ интерактивного курса.

2.3 Оптимизация блочно- модульной структуры информационного базиса адаптивно - обучающих систем

Ранее уже отмечалась актуальность решения задачи оптимального дробления структуры информационного базиса УММ адаптивно-обучающих систем на модули. Далее покажем, как мы можем определить оптимальные характеристики ИБ при дроблении его на модули. Для дальнейшего анализа структуры ИБ УММ, сделаем следующие дополнительные предположения:

-Материал базиса достаточно однородный, что позволяет дробить его
на модули произвольного объема.

-Вероятность успешного выполнения контрольных мероприятий зависит от объема информационного модуля базиса, и при его увеличении она уменьшается.

Следуя часто используемой дидактической модели процесса интерактивного освоения ИБ УММ, можно принять гипотезу об экспоненциальном характере зависимости вероятности успешного прохождения контрольных мероприятии от объема базиса. Если объем информационного материала (УМИ в целом по курсу) некоторого базиса составляет часов, то вероятность успешного выполнении контрольных мероприятий может быть представлена в виде [22]:

(2.8)

где (1/час) - константа, показывающая скорость снижения вероятности успешного завершения процесса освоения материала информационного базиса УММ в зависимости от его объема.

Зависимость (2.8) соответствует интуитивному представлению об
успешности процесса прохождения интерактивного курса Если объем
информационного базиса мал (), то вероятность освоения этого базиса
стремится к единице, а если он весьма велик (то вероятность его
освоения стремится к нулю.

Величина зависит от вида (содержательного, структурного и т.п.) базиса, она может быть оценена экспертно или экспериментально на основе опыта работы с определенным видом информационно-терминологических базисов. Остановимся на оценке этого параметра.

В простейшем случае достаточно одного эксперимента. Пусть процесс
формирования информационного базиса определен объемом часов. При
этом оценка вероятности успешного его завершения составила р. Из (2.8)
следует, что

(2.9)

Если число экспериментов больше одного, то эту задачу можно решить с использованием метода наименьших квадратов. Предположим, проведено m экспериментов по прохождению базиса объемом часов и получены вероятности успешного завершения этого процесса pl,...,pm. Тогда оценка параметра может быть получена по формуле:

(2.10)

Здесь не рассматриваются статистические оценки достоверности полученных результате. Они могут быть получены на основе стандартных методик.

Рассмотрим цепь Маркова, описывающую вероятностный процесс изучения отдельного модуля информационного базиса УММ.

В данной модели выделены следующие состояния:

S1 - изучение теоретического материала ИБ УММ;

S2 - получение справок и консультаций при изучении теоретического материала,

S3 - выполнение контрольных мероприятий;

S4-завершение изучения модуля ИБ УММ.

Зададим вероятности переходов из одного состояния в другое:

r-вероятность обращения за справками или консультациями при изучении УММ интерактивного курcа;

s - вероятность перехода к контрольным мероприятиям;

р - вероятность успешного выполнения контрольных мероприятий и завершения освоения модуля курса;

q - вероятность неудачи при выполнении контрольных мероприятий и повторного изучения модуля.

В рассматриваемой схеме выполняются очевидные соотношения:

r+s=1, p+q=1 (2.11)

Матрица вероятностей переходов между состояниями:

s1 s2 s3 s4

s1 0 r s 0s2 1 0 0 0 P=s3 q 0 0 ps4 1 0 0 0 (2.12)

Выделим в Р матрицу вероятностей переходов между состояниями невозвратного множества, которая обозначается Q.

s1 s2 s3 s1 0 r s Q = s2 1 0 0 s3 q 0 0 (2.13)

Тогда матрица среднего числа пребываний процесса и состояниях невозвратного множества определяется по формуле (2.14):

N= (I-Q)= 1 -r -s

-1 1 0 (2.14)

-q 0 1

где I - единичная матрица размерности 3х3.

Поскольку процесс всегда стартует из состояния Si, нам достаточно определить только первую строчку матрицы N; ее элементы обозначим п1,..,п4. Проделав вычисления обратной матрицы (I-Q) , получим оценки среднего числа попыток изучения всех компонентов информационного базиса УММ - среднее число пребываний процесса соответственно в состояниях {S1,…,S4} при старте из состояния Si:

(2.15)

при этом здесь n1 - среднее число попыток изучения информационно материала; п2 - среднее число обращений за справками и консультации при изучении информационного материала; n3 - среднее число попыток выполнения контрольных мероприятий.

Обозначим трудоемкости изучения всех компонентов информационного базиса УММ (в часах):

-трудоемкость изучения информационного материала (состояние S1);

1 -трудоемкость получения справок и консультаций при изучении информационного материала (состояние S2);

2- трудоемкость выполнения контрольных мероприятий (состояние S3);

Суммарная трудоемкость прохождения информационного базиса УММ с учетом (2.15) определяется выражением:

(2.16)

Рассмотрим оценки параметров: входящих в формулу (2.16).

Вероятность r определяются экспертно или на основе обработки протоколов прохождения интерактивных учебных курсов. Вероятность р определяется формулой (2.11). Трудоемкость определяется объемом учебного курса, для которого формируется ИБ УММ, трудоемкость 1 может быть взята как некоторая доля величины :

(2.17)

где - доля затрат ид получение справок и консультаций, определяемая экспертно или на основе статистики.

Трудоемкость 2 может быть представлена как сумма постоянной и переменной составляющих:

(2.18)

где т (часов) - трудоемкость работы по выполнению контрольных мероприятий и не зависящая от размеров ИБ УMM; - доля затрат на выполнение контрольных мероприятий.

В результате подстановки значений параметров (2.17), (2.18) формула (2.16) приобретет вид:

(2.19)

- затраты на изучение ИБ УММ.

- затраты времени на выполнение контрольных мероприятий. Обозначим:

(2.20)

С учетом (2.20) выражение для суммарной трудоемкости (2.19) упростится

(2.21)

Ниже рассмотрим задачу разбивки некоторого информационного базиса УММ с общим объемом материала часов на п модулей, каждый из которых имеет объем часов, так что

(2.22)

Трудоемкость изучения каждого модуля в соответствие с (2.21) составит:

(2.23)

а общая трудоемкость освоения базиса

(2.24)

...