Моделі та інформаційна технологія управління розвитком розподілених ієрархічних систем (на прикладі вищого навчального закладу)

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.06 - автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

Моделі та інформаційна технологія управління розвитком розподілених ієрархічних систем (на прикладі вищого навчального закладу)

Харків - 2007

Актуальність теми. Виходячи з досвіду високо розвинутих країн, однією з важливих функцій держави є надання освіти її громадянам. Рівень освіти населення виступає одним з головних показників добробуту населення країни. Експерти ООН рівень добробуту населення держави визначають наступними трьома головними критеріями: розмір прибутку на душу населення, середня тривалість життя, рівень освіти.

Система вищої освіти України відноситься до класу великих соціально-економічних систем (СЕС), управління функціонуванням і розвитком яких неможливе без використання системного аналізу, програмно-цільового планування, ідеології системної оптимізації. В нових умовах господарювання Міністерство освіти і науки України (МОНУ), яке відображає державні інтереси, повинно стати не керуючим, а координуючим органом, який вирішує задачі узгодження функціонування вищих навчальних закладів (ВНЗ). В свою чергу на рівні ВНЗ необхідно вирішувати питання управління і координації функціонування їх окремих підрозділів (кафедри, факультети, навчально-наукові інститути та інші функціональні підсистеми). При цьому вид координації буде залежати від статусу, який має підрозділ ВНЗ. Тому важливою є проблема розробки локальних моделей, алгоритмів та інформаційних технологій для окремих підрозділів ВНЗ і координації їх функціонування з точки зору інтересів усього університету. У теперішній час не існує моделей і технології розподіленого управління розвитком ВНЗ України. Все це говорить про актуальність досліджень, які проведено у дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі автоматизованих систем управління Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” (НТУ “ХПІ”) у межах державних бюджетних тем: “Розробка інформаційних моделей для реалізації процедур структурного синтезу в комп'ютерно-інтегрованих системах”, затвердженої МОН № 633 від 05.11.2002, ДР №0103U001543; “Розробка інформаційно-аналітичного забезпечення процедур підтримки прийняття рішень в комп'ютерно-інтегрованих системах”, затвердженої наказом МОНУ № 654 від 16.11.2006 р., ДР № 0106U001518.

Здобувач брав особисту участь у виконанні зазначених робіт як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності управління розвитком соціально-економічних систем на прикладі вищого навчального закладу України шляхом розробки і дослідження розподілених моделей та інформаційної технології системи підтримки прийняття рішень (СППР). У ході досягнення поставленої мети були розв'язанні наступні задачі:

- поставлена задача розподіленого управління розвитком ВНЗ;

- розроблено принципи побудови розподіленої моделі управління розвитком ВНЗ, орієнтованої на якість освіти;

- на основі методології бенчмаркінгу сформовано базові критерії управління розвитком ВНЗ;

- розроблені локальні моделі управління розвитком ВНЗ;

- розроблені моделі горизонтальної і вертикальної координації локальних задач управління розвитком ВНЗ;

- розроблено інформаційну технологію СППР для вирішення задачі управління розвитком ВНЗ;

- проведено перевірку працездатності розподіленої моделі та інформаційної технології у межах СППР на прикладі НТУ “ХПІ”.

Об'єктом дослідження є соціально-економічна система на прикладі ВНЗ України.

Предмет дослідження - розподілена модель управління розвитком ВНЗ.

Методи дослідження. Досягнення мети дисертаційної роботи базується на комплексному використанні теорії системного аналізу, програмно-цільового планування, математичного програмування для вирішення задач: квадратичного програмування, багатокритеріальної оптимізації, прийняття рішень.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає у постановці та вирішенні актуальної проблеми управління розвитком ВНЗ на основі розподіленої моделі. У результаті вирішення цієї проблеми одержано нові наукові результати:

1) одержала подальший розвиток постановка задачі управління розвитком вищого навчального закладу на основі розподіленої моделі ;

2) вперше запропоновано базові квадратичні критерії управління розвитком ВНЗ на основі методології бенчмаркінгу, які дозволяють підвищити стійкість рішення задачі розвитку ;

3) вперше запропоновано розподілену модель управління розвитком ВНЗ, яка дозволяє раціонально розподіляти ресурси на різних рівнях управління, а також підвищити активність функціонування окремих структурних підрозділів ВНЗ;

4) одержала подальший розвиток інформаційна технологія управління розвитком ВНЗ, яка ураховує активність функціонування окремих структурних підрозділів ВНЗ.

Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення проведеної роботи складається з наступного. Розроблено: 1) технологію розподіленої оцінки якості технологічного процесу навчання у ВНЗ, яка базується на формуванні квадратичних критеріїв ступеню забезпечення ресурсами. Запропонована технологія може бути використана для різноманітних ієрархічних розподілених систем; 2) розподілену модель управління розвитком ВНЗ, яка складається з локальних моделей окремих функціональних підсистем, а також моделей горизонтальної та вертикальної координації; 3) інформаційну технологію розподіленого управління розвитком ВНЗ.

Практичне значення результатів роботи підтверджується довідкою НТУ “ХПІ” про можливість та доцільність використання розробленої СППР у межах інтегрованої АСУ НТУ “ХПІ”. Результати досліджень, проведених у дисертаційній роботі, використовуються у навчальному процесі кафедри АСУ НТУ “ХПІ” у дисциплінах: “Теорія прийняття рішень”, “Менеджмент в державних організаціях”.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати, що виносяться на захист, одержані особисто здобувачем. Серед них: постановка задачі розподіленого управління розвитком ВНЗ; базові квадратичного критерії управління розвитком ВНЗ, які побудовано на основі методології бенчмаркінгу; розподілена модель управління розвитком ВНЗ; інформаційна технологія розподіленого управління розвитком ВНЗ.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися та обговорювалися на: міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я” (Харків 2003, 2005), міжнародній науково-технічній конференції “Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, 2005), міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии” (Одеса, 2006), наукових семінарах кафедри автоматизованих систем управління і кафедри системного аналізу і управління Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Публікації. За результатами наукових досліджень опубліковано 8 наукових праць, з них 4 статті - у фахових наукових виданнях ВАК України та 4 роботи - у збірниках праць наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4-х розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації складає 170 сторінки. Робота містить 9 ілюстрацій за текстом; 9 таблиць за текстом; 15 ілюстрацій на 12 сторінках; 4 таблиці на 3 сторінках; 2 додатки на 23 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано основну мету та задачі дослідження, охарактеризовано наукову новизну, наукове та практичне значення одержаних результатів, наведено інформацію про впровадження результатів роботи, їхню апробацію та публікації.

У першому розділі проведено аналіз основних проблем у задачах управління розвитком ієрархічних розподілених систем. Розглянуто моделі, алгоритми та інформаційні технології, що використовуються для вирішення цих задач.

У першому підрозділі розглянуто основні класи задач управління розвитком складних систем. До них відносяться: задача індивідуального вибору; дворівнева задача вибору; задача формування припустимих рішень; розподілена задача формування рішень. Основні проблеми, які виникають при їх рішенні є: декомпозиція системи та її агрегування; координація підсистем; невизначеність параметрів та змінних; труднощі повної формалізації задачі; урахування ступеню інформованості підсистем; несумісність обмежень; необхідність декомпозиції алгоритмів у розподілених системах і т.і.

У другому підрозділі розглянуто різноманітні підходи до вирішення задач управління розвитком розподілених систем, до яких відносяться: системна оптимізація (оптимізація на системі моделей), траєкторний підхід, різноманітні методи теорії активних систем.

Третій підрозділ присвячено постановці задачі розробки розподіленої моделі та інформаційної технології управління розвитком вищого навчального закладу. Ця задача розглядається у межах розподіленої системи управління розвитком вищої освіти України. Основним показником діяльності ВНЗ є якість освіти, яка розглядається з точки зору тотального менеджменту якості - TQM (Total Quality Management).

Другий розділ присвячено розгляду основних принципів побудови розподіленої моделі управління розвитком ВНЗ, яка орієнтована на якість освіти. Сформовано базові критерії, які використовуються у локальних моделях управління розвитком ВНЗ.

Згідно з постановкою задачі дисертаційного дослідження модель ВНЗ розглядається з точки зору технології TQM. Виходячи з основних положень TQM на рівні ВНЗ необхідно вимірювати якість чотирьох складових системи освіти: вхід, вихід, процеси, ресурси. Однією з основних складових є процеси. Умовно можна виділити шість макропроцесів (рис. 1). У свою чергу кожний макропроцес складається з групи процесів і т.д. Розглянуто основні контури макропроцесу управління ВНЗ (часовий аспект). На першому етапі проводиться стратегічний аналіз, основою якого є діагностика зовнішнього та внутрішнього середовища ВНЗ. У якості вихідних методів дослідження зовнішнього середовища ВНЗ запропоновано SWOT-аналіз (Strengths, Weaknesses, Opportunities, Threats) та PEST-аналіз (Policy, Economy, Society, Technology). У якості інструменту стратегічного аналізу внутрішнього середовища ВНЗ запропоновано використовувати SNW-аналіз (Strength, Neutral, Weakness).

Після проведення стратегічного аналізу розробляється корпоративна стратегія (КС) ВНЗ (рис. 2) на основі стратегічних пріоритетів, різного виду обмежень, а також прийнятих основних етапів КС. Далі розробляється стратегічна програма дій, яка деталізується і реалізується при поточному та оперативному управлінні.

У дисертаційній роботі управління розвитком ВНЗ також розглядається у просторовому аспекті. Це означає побудову ієрархічної розподіленої системи управління, визначення: механізмів управління на кожному рівні, управляючих впливів, критеріїв, обмежень (у тому числі і ресурсних). У роботі розглядається трьохрівнева організаційна структура. На третьому рівні ієрархії (ректорат) реалізується управління з точки зору інтересів усього університету. Другий рівень ієрархії відповідає навчально-науковому інституту (ННІ), який об'єднує споріднені спеціальності у межах окремого навчально-наукового напрямку ВНЗ. Основною структурною складовою ВНЗ та ННІ є кафедра, яка проводить навчання по одній або декільком спеціальностям.

Навчальний процес по кожній спеціальності розглядається у вигляді трьох структурних складових: “Абітурієнт”, “Бакалавр”, “Магістр”. Перша складова пов'язана з довузівською підготовкою школярів. Друга і третя - відповідають освітньо-кваліфікаційним рівням (ОКР) бакалавра і магістра. Навчальний процес на ОКР “Бакалавр” і “Магістр” складається з окремих елементів: лекції, практичні заняття, лабораторні роботи і т.і. На кожному ОКР розглядається п'ять видів ресурсів: кадрове, методичне, інформаційне, технічне та програмне забезпечення. Базуючись на ідеології бенчмаркінгу для кожної спеціальності використовуються наступні поняття: ліцензійний, поточний та еталонний рівень забезпечення ресурсами. Ліцензійний рівень заздалегідь визначається Державною акредитаційною комісією (ДАК) МОНУ. Еталони для кожної спеціальності на трьох рівнях управління, а також для трьох структурних складових навчального процесу формуються на основі корпоративної стратегії ВНЗ. Поточне забезпечення ресурсами визначається на основі їх вихідного стану та поточних фінансів, які використовуються для кожного виду ресурсів.

На основі введених понять розглянуто технологію формування базових критеріїв, які далі використано при синтезі локальних моделей управління розвитком ВНЗ. Критерії сформовано для кожної спеціальності на трьох рівнях управління для кожної структурної складової навчального процесу. Вони визначають у безрозмірному виді квадрат ступеню відхилення поточного стану ресурсного забезпечення від еталонів.

Третій розділ присвячено синтезу розподіленої моделі і технології управління розвитком ВНЗ, яка складається з двох основних етапів.

Етап 1. На основі алгоритмів, які заздалегідь задаються, формування базових фінансових ресурсів на трьох рівнях управління: - на рівні університету; - на рівні -го ННІ; - на рівні -ї кафедри -го ННІ.

Етап 2. Оптимізаційна задача розподілу фінансів між основними видами ресурсів у трьохрівневій розподіленій організаційній системі управління розвитком ВНЗ.

Розглянуто формування локальних моделей і моделей горизонтальної координації на різних рівнях управління. Спочатку розглянемо локальну модель на рівні кафедри. Будемо вважати, що шляхом експертної оцінки для кожної спеціальності визначено вагові коефіцієнти впливу окремих видів ресурсів на якість освіти та ступінь важливості забезпечення ресурсами на різних рівнях управління.

(1)

Вагові коефіцієнти відповідають наступним умовам: кожен з них більш нуля, а відповідні суми рівні одиниці. Ця умова використовується і для всіх вагових коефіцієнтів, які наведено нижче.

Кожен з трьох етапів технологічного процесу підготовки фахівців має свій рівень важливості. Таким чином, векторний критерій управління розвитком кафедри на плановому періоді має наступний вигляд

. (2)

Перейдемо до формування обмежень локальної задачі управління розвитком кафедри. З точки зору постановки задачі метою є досягнення еталону по кожному виду ресурсів. Тому

 (3)

Обмеження на фінансові ресурси мають наступний вигляд

, (4)

де - поточні фінансові витрати попереднього року; управляючий параметри визначає фінанси, які виділяються -м ННІ -ій кафедрі у -році.

Таким чином, векторний критерій управління розвитком ННІ на плановому періоді має наступний вигляд

. (5)

Обмеження для локальної моделі управління розвитком ННІ формується по аналогії з (3), (4).

(6)

, (7)

При вертикальній та горизонтальній координації задається параметр , який задовольняє наступному обмеженню

. (8)

Тоді локальна задача управління розвитком -го ННІ може бути записана у наступному вигляді. Для заданих вагових коефіцієнтів моделі, управляючих параметрів верхнього рівня та вихідної інформації з рівня кафедр -го ННІ необхідно знайти такі вектори

, , (9)

які мінімізують векторний критерій (5) при обмеженнях (6)-(8).

Критерій горизонтальної координації формується на основі компромісу між рівнями забезпечення ресурсами окремих кафедр ННІ з урахуванням ступеню їх важливості з точки зору керівництва ННІ. Вирішення цієї проблеми досягається на основі ітераційного процесу розв'язання двох типів задач:

1) локальних задач управління розвитком кафедр і ННІ;

2) раціонального розподілу фінансів .

Вертикальна координація у дворівневій системі „кафедри - ННІ” визначає формування таких управляючих змінних, при яких досягається однакова максимальна ступінь забезпечення ресурсами на рівні кафедр -го ННІ і на рівні самого ННІ з урахуванням вагових коефіцієнтів важливості кожного рівня (компромісне рішення). З цією метою у дисертаційній роботі синтезовані відповідні критерії. Шляхом ітераційного процесу передач частки фінансів з рівня ННІ на рівень кафедр вирішується задача формування компромісного рішення.

Моделі та алгоритми координації, локальна модель управління розвитком на рівні ВНЗ формуються аналогічно тому, як це було розглянуто для рівня ННІ.

У третьому підрозділі моделі та алгоритми для локальних задач і задач координації об'єднані у єдину технологію, починаючи від використання бенчмаркінгу на рівні окремих дисциплін спеціальностей до аналізу результатів розподіленого управління розвитком ВНЗ.

Четвертий розділ присвячено питанням розробки інформаційної технології системи підтримки прийняття рішень при розподіленому управлінні розвитком ВНЗ. Функціональну схему інформаційної технології СППР наведено на рис. 3. Інтерфейси реалізовано засобами мови Java JDK 1.5. У якості системи управління базами даних (СУБД) було використано СУБД Oracle 10.1 Express Edition, яка забезпечує інформаційним ресурсом як користувачів, так і прикладні функціональні підсистеми СППР на всіх етапах прийняття рішень, організує збереження даних, цілісність та безпеку баз даних.

Для перевірки працездатності розробленої інформаційної технології використано тестову вихідну інформацію факультету інформатики і управління НТУ „ХПІ”, на якому функціонує дев'ять кафедр і проводиться навчання за 15-ма спеціальностями.

На рис. 4-6 наведено результати ітераційного процесу координації при управлінні розвитком факультету інформатики і управління. На першій ітерації (рис.4) забезпечення ресурсами на рівні факультету краще, ніж на рівні кафедр. При цьому кафедри факультету (рис. 6), з урахуванням коефіцієнтів важливості кожної з них, мають різний рівень забезпечення ресурсами. На рис. 5 показано перерозподіл базових ресурсів між рівнем факультету і кафедр. Як видно з рис. 6, горизонтальна координація досягається на 12-ій ітерації алгоритму координації. При цьому всі кафедри отримують рівень забезпечення ресурсами, який був у кафедри з кращим показником. У нашому випадку - це кафедра автоматизованих систем управління. Однак при цьому не досягається вертикальної координації (рис. 4). Після 12-ої ітерації фінанси розподіляються між кафедрами таким чином, щоб зберегти досягнуту горизонтальну координацію. При цьому, як видно з рис. 6, рівень забезпечення ресурсами поліпшується. У результаті на 19-ій ітерації забезпечується вертикальна координація із збереженням горизонтальної.

У результаті вирішення задачі координації визначається розподіл фінансів між кафедрами факультету по рокам планового періоду, а для кафедр, які мають декілька спеціальностей, між окремими спеціальностями. Ця інформація може бути використана завідувачем кафедри для прийняття рішень при визначенні напрямків фінансування. З метою більш детального вивчення цього питання ця інформація може бути отримана по відношенню до структурних складових навчального процесу: „Абітурієнт”, „Бакалавр”, „Магістр”. Аналогічна інформація утворюється на рівні факультету, що дає можливість керівництву приймати обґрунтовані рішення.

Підбиваючи підсумок аналізу отриманих результатів, можна зробити висновок, що розроблена інформаційна технологія СППР може бути використана для вирішення задачі розподіленого управління розвитком ВНЗ на всіх рівнях управління, починаючи з кафедр до рівня усього університету.

ВИСНОВКИ