Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Шахгельдян Карина Иосифовна

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ ОНТОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (образование)

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва

2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО Владивостокский государственный университет экономики и сервиса

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Клещев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Игнатова Ирина Гургеновна

доктор технических наук, профессор, Куракин Дмитрий Владимирович

доктор технических наук, профессор, Ретинская Ирина Владимировна

Ведущая организация:

Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Защита состоится «___» ________ 20__ г. в.___ч. на заседании диссертационного совета ДМ 008.004.02 при Учреждении Российской академии образования «Институт информатизации образования» по адресу: 119121, г. Москва, ул. Погодинская, д.8

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке учреждения Российской академии образования «Институт информатизации образования»

Автореферат разослан «____»____________20_ г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 008.004.02

доктор педагогических наук, кандидат технических наук,

профессор О.А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

автоматизация вуз ресурсы данные

Актуальность темы исследования. Основной задачей автоматизации высшего образовательного учреждения является разработка, внедрение, сопровождение и эксплуатация автоматизированной информационной системы (АИС). В настоящее время АИС является обязательным компонентом деятельности образовательного учреждения, поддерживает управление процессами, обеспечивает доступ к данным и принятие решений.

Основной задачей АИС является автоматизация ключевых областей деятельности вуза: управление учебным процессом, поддержка проведения образовательного процесса, управление научными исследованиями, административное управление, управление финансами и управленческий учет, управление информационными ресурсами.

Российские вузы в настоящее время функционируют в условиях модернизации отечественного образования и претерпевают кардинальные изменения, связанные с вхождением России в Болонский процесс, расширением деятельности вузов на области среднего, начального и дополнительного образования, внедрением ЕГЭ, модульной, кредитной и рейтинговой систем. Анализ процессов деятельности вуза позволяет выделить несколько закономерностей.

Во-первых, большинство процессов вуза подвержены постоянным изменениям, особенно остро эта задача стоит в управлении учебным процессом. Во-вторых, в вузе имеется большое число процессов, причем из разных областей, и они жестко связаны друг с другом по данным и по функциональности. В-третьих, активную роль в процессах вуза играют все сотрудники и студенты, а также абитуриенты и их родители, поэтому число пользователей АИС велико, и, кроме того, контингент пользователей постоянно меняется. В-четвертых, требования к срокам автоматизации являются достаточно жесткими и не могут быть изменены, что обусловлено производственной необходимостью (графиком учебного процесса, приказами Министерства образования и науки).

Основными требованиями к АИС вуза, исходя из анализа процессов, являются:

· поддержка автоматизации широкого спектра процессов деятельности вуза, их постоянных изменений в ограниченные сроки;

· поддержка интеграции данных и приложений, реализующих функциональность процессов, для обеспечения жестких взаимосвязей между процессами и данными;

· поддержка управления большим числом часто меняющихся пользователей и правилами их доступа к ресурсам АИС;

· обеспечение решения всех требований к АИС на основе единого подхода, позволяющего реализовать эффективные разработку, сопровождение (в том числе и модификацию) и эксплуатацию системы в ограниченные сроки.

Эти требования значительно повышают сложность АИС, а также сложность процессов ее разработки, сопровождения и эксплуатации, поэтому проблема эффективности процесса автоматизации вуза, включающего разработку, сопровождение и эксплуатацию АИС, приобретает особую важность. Эффективность автоматизации определяется объемом затрат (временных и людских ресурсов, а также программно-технических средств), необходимых для обеспечения процессов разработки, сопровождения и эксплуатации АИС вуза. Повышение эффективности возможно за счет снижения объема необходимых для реализации этих процессов затрат.

Большинство работ по методам повышения эффективности автоматизации связаны с проектированием и программированием информационных систем (ИС). Но как показали работы зарубежных ученых (C. Herring, C.В. Seaman, T.M. Pigosky) основные усилия (более 80%) тратятся на этапы сопровождения и эксплуатации ИС. Методы, которые рассматриваются в литературе для решения проблем сопровождения, связаны с эффективностью модификации кода программ, выявлением ошибок в программах. Но часто этого недостаточно для обеспечения эффективного сопровождения и эксплуатации АИС вуза.

Учеными В.Н. Васильев, И.Г. Игнатова, Л.А. Крукиер, Г.С. Курганская, Р.Л. Смелянский, A. Berg, J. Kohutkova исследуются особенности разработки АИС вузов: вопросы автоматизации в области административного управления вузом, управления учебным процессом и научными исследованиями. Как показал анализ, существующие АИС вузов далеки от вышеопределенных требований, и им свойственно основное противоречие: чем больше процессов автоматизировано, тем сложнее автоматизировать новые процессы, так как необходимы большие затраты по обеспечению функционирования (сопровождения и эксплуатации) уже автоматизированных процессов. Во многих случаях в хорошо развитой АИС (когда система является действительным инструментом труда сотрудников, средством обучения студентов, автоматизирует широкий спектр процессов вуза) автоматизация новых процессов прекращается ввиду отсутствия для этого ресурсов. Но даже в такой ситуации сопровождение и эксплуатация АИС вызывает большие затруднения, так как частота и масштаб необходимых изменений велики.

Чтобы снизить затраты на сопровождение и эксплуатацию, архитектура АИС вуза должна поддерживать быстрые изменения и расширения функциональности, а также позволять автоматически распределять нагрузку и обеспечивать высокую производительность, качество данных, безопасность доступа. В качестве подхода к построению адаптируемой архитектуры C. Herring предлагает использовать компонентную модель. Однако за рамками исследований остаются вопросы управления компонентами, реализующими функциональность, когда их количество делает невозможным ручное управление, распределения нагрузки в системе с компонентной архитектурой, обеспечения безопасного доступа к компонентам.

Важнейшей задачей обеспечения эффективного сопровождения АИС является обеспечение настраиваемых процессов. Для управления процессами предложены коммерческие решения класса BPMS. Тем не менее, не решена проблема полной настройки процессов на уровне пользователей (задачи маршрутизации, управления доступом и контроля исполнения).

В АИС вуза задача управления пользователями с точки зрения проблем сопровождения и эксплуатации стоит особенно остро, так как число пользователей и изменений не допускает ручного управления, поэтому несмотря на наличие ролевых моделей управления доступом, предложенных D. Ferraiolo, R. Sandhu, актуальным остается проблема управления доступом на основе правил и автоматизация поддержки актуальности прав доступа.

В АИС вуза проблема интеграции данных, обусловленная необходимостью поддержки жесткой интеграции между процессами, особенно остро стоит на этапах сопровождения и эксплуатации системы. В решение проблем интеграции данных и связанных с ними проблем качества данных большой вклад внесли такие ученые как: А.Н. Бездушный, Л.А. Калиниченко, В.А. Серебряков, A. Halevy, Y. Wand, R.Wang. Тем не менее, за рамками исследований остались отдельные вопросы автоматизации интеграции данных и поддержки качества.

В последние годы все больший интерес представляют методы описания предметной области, основанные на онтологиях. Большой вклад в разработку и использование таких методов внесли российские и зарубежные ученые А.Н. Бездушный, Т.А. Гаврилова, Л.А. Калиниченко, А.С. Клещев, В.А. Серебряков, T.R. Gruber, N. Guarion, L. Stojanovic, М. Uschold, Y. Wand, ученые компаний Hewlett Packard, Oracle, IBM, Microsoft, Sun Microsystems.

С точки зрения разработки эффективно сопровождаемой системы интерес к онтологическому подходу обусловлен следующими факторами: во-первых, онтологии позволяют формализовать описание предметной области, а также правил поведения системы, что в свою очередь позволяет легко их модифицировать. Во-вторых, онтологии являются адаптером между пользователем и системой, что позволяет автоматически менять поведение системы при изменении формальных описаний. В-третьих, онтологии позволяют описать любые взаимосвязи между компонентами, что в свою очередь позволит разработать комплексную модель системы, автоматизирующей деятельность образовательного учреждения, о необходимости которой свидетельствуют исследования некоторых ученых. Поэтому в качестве основного подхода построения модели автоматизированной системы, обеспечивающей решение основных задач, стоящих перед разработчиками эффективно сопровождаемой и эксплуатируемой АИС вуза, выбран онтологический подход.

Таким образом, проблема, решение которой рассматривается в работе, состоит в повышении эффективности автоматизации, а, следовательно, в снижение затрат, необходимых для разработки, сопровождения и эксплуатации автоматизированной информационной системы вуза.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка теоретических принципов и методов повышения эффективности автоматизации учреждений высшего профессионального образования, обеспечивающих эффективные сопровождение, эксплуатацию и разработку автоматизированной информационной системы вуза: методов автоматизации процессов, доступа к ресурсам вуза, интеграции данных и приложений, а также единой комплексной модели системы.

Основные задачи исследования

Для достижения цели работы поставлены и решены следующие основные задачи.

Разработать теоретические принципы повышения эффективности автоматизации учреждения высшего профессионального образования.

Разработать комплексную онтологическую модель автоматизированной информационной системы вуза, обеспечивающую одновременное решение задач управления процессами, интеграции данных, управления функциональными компонентами и доступом к ресурсам системы.

Разработать метод управления процессами, обеспечивающий их эффективное исполнение, изменение и настройку, а также контроль исполнения и безопасность доступа.

Разработать методы интеграции данных, включающие автоматизацию репликации данных, интеграции данных по требованию, поддержки качества данных.

Разработать структурную схему управления функциональными компонентами автоматизированной информационной системы вуза.

Разработать модель системы автоматизированного управления правами доступа к ресурсам информационной системы.

Разработать эффективно сопровождаемую информационную систему вуза, автоматизирующую основные процессы деятельности вуза из разных предметных областей (управление учебным процессом, поддержка учебного процесса, управление научными исследованиями, административное управление, управление ИТ).

Объект исследования

Объектом исследования является процесс автоматизации деятельности вуза.

Предмет исследования

Предметом исследования являются методы, модели и алгоритмы повышения эффективности автоматизации вуза.

Методы исследования

В работе используются онтологический подход, методы теории множеств и матричная алгебра, логика предикатов, системный анализ, теория графов, теория принятия решений, технологии функционального проектирования IDEF0, объектно-ориентированного программирования.

На защиту выносятся

Теоретические принципы повышения эффективности автоматизации образовательного учреждения, обеспечивающие эффективные разработку, сопровождение и эксплуатацию автоматизированной информационной системы вуза.

Комплексная онтологическая модель автоматизированной информационной системы вуза, обеспечивающая реализацию предложенных в работе методов, моделей, алгоритмов и схемы.

Метод управления процессами, обеспечивающий их эффективное исполнение, изменение и настройку, в том числе позволяющий формировать на основе онтологических представлений составные процессы, реализовывать их выполнение, обеспечивать доступ к их реализации и контроль исполнения.

Методы интеграции данных, включающие автоматизацию репликации данных, интеграции данных по требованию, поддержки качества данных.

Структурная схема управления функциональными компонентами автоматизированной информационной системы вуза, включающая алгоритм автоматической маршрутизации запросов к компонентам, схему безопасного доступа, алгоритм автоматического распределения нагрузки.

Модель системы автоматизированного управления правами доступа к ресурсам информационной системы, включающая автоматическое назначение прав доступа на основе настраиваемых правил.

Методы разработки информационных систем и встраивания сторонних приложений в автоматизированную информационную систему вуза, разработанная и апробированная информационная система вуза, автоматизирующая ключевые области деятельности, и результаты оценки повышения эффективности автоматизации.

Научная новизна

Научная новизна работы представлена следующими результатами.

Разработаны теоретические принципы повышения эффективности процесса автоматизации деятельности образовательного учреждения на основе онтологического подхода, включающие методы управления автоматизированными процессами деятельности вуза, интеграции данных и обеспечения их качества, схему управления функциональными компонентами, модель автоматизированного управления правами доступа в АИС вуза. Принципы универсальны как для стадии разработки, так и для стадий сопровождения и эксплуатации.

Разработана комплексная онтологическая модель автоматизированной информационной системы вуза, которая включает онтологии предметной, ИТ-области, области управления процессами деятельности вуза, предложена также математическая модель системы, описывающая взаимосвязи между всеми ее элементами. В рамках единой онтологической модели предлагается, во-первых, решить одновременно проблему сопровождения и эксплуатации за счет настраиваемого описания понятий, процессов, правил поведения системы, условий, требований, во-вторых, интегрировать все элементы АИС, обеспечивая единый взгляд на систему.

Разработан метод управления автоматизированными процессами, включающий алгоритмы формирования составных процессов, контроля исполнения процессов, управления доступом к элементарным процессам на основе описания понятий и отношений между ними, отличающийся возможностью полной настройки, адаптации и управления процессами специалистами-предметниками.

Разработаны алгоритмы поддержки качества данных в распределенной гетерогенной среде, отличительной особенностью которых является автоматизация мониторинга и обеспечения качества, выполненная на основе онтологической модели.

На основе онтологического подхода разработана структурная схема управления функциональными компонентами, включающая алгоритм маршрутизации запросов, автоматизацию управления доступом к функциональным компонентам, алгоритм баланса нагрузки.

Разработана модель системы управления правами доступа к ресурсам АИС, которая расширяет модель ролевого доступа для автоматизации назначения прав доступа и поддержки их в актуальном состоянии.

Практическая значимость

Практическая значимость диссертационной работы заключается в автоматизированной информационной системе вуза, базирующейся на предложенных в работе моделях, методах и алгоритмах. Разработанная АИС является эффективно сопровождаемой и эксплуатируемой, т.е. обеспечивает

эффективную автоматизацию процессов по различным направлениям деятельности вуза (управление учебным процессом, поддержка учебного процесса, административное управление, управление финансами, управление ИТ), что позволяет поддерживать интенсивный путь развития АИС и обеспечивает масштабируемость системы на уровнях пользователей, данных, систем, функциональных компонентов, инфраструктуры;

создание новых, изменение существующих понятий предметной области деятельности вуза и внедрение их в АИС в ограниченные сроки;

автоматизированное управление пользователями и их правами на основе правил, что позволяет сформировать среду «для всех» с актуальными правами доступа;

автоматическое выполнение процедур поддержки качества данных, в том числе и автоматическую репликацию данных, что снижает потребности в ручной корректировки данных, настройки и ручном управлении репликациями;

автоматическое управление функциональными компонентами с целью повышения производительности, поддержки масштабирования по серверам, базам данных, компонентам, системам;

объединение информационных систем, технологий, СУБД в единую АИС, что позволяет использовать унаследованные и сторонние приложения, которые не были специально разработаны для АИС;

Результаты внедрения показывают, что, несмотря на рост числа автоматизированных процессов в 12 раз, число разработчиков не увеличилось. Время автоматизации процессов сократилось в 5 раза, время внесения изменений сократилось в 5 раз.

Результаты работы используются в преподавании курсов «Объектно-ориентированное программирование», «Распределенные информационные системы», читаемых во Владивостокском государственном университете экономики и сервиса (ВГУЭС), «Системы реального времени», читаемого в Дальневосточном государственном университете.

Достоверность и обоснованность

Достоверность и обоснованность научных результатов диссертационной работы подтверждается использованием онтологического и теоретико-множественного подходов, методов системного анализа, теории графов, теории предикатов, а также успешной разработкой, внедрением, эффективным сопровождением и эксплуатацией информационных систем, автоматизирующих широкий спектр процессов вуза во Владивостокском государственном университете экономики и сервиса и в Якутском государственном университете им. М.К. Аммосова.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены во Владивостокском государственном университете экономики и сервиса (ВГУЭС), в Якутском государственном университете им. М.К. Аммосова и рассмотрены в нескольких научно-исследовательских работах, выполненных во ВГУЭС. Отдельные результаты исследования получены при выполнении работ по следующим научным программам

· 2009-2010 ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)». Проект «Разработка информационной системы планирования и отчетности работы преподавателей на основе рейтинговой системы»;

· 2008-2009 Договор на внедрение в Якутском государственном университете им. Аммосова информационной среды вуза;

· 2007 Договор на внедрение в Якутском государственном университете им. Аммосова информационной среды вуза;

· 2006 НФПК «Развитие образовательных учреждений, ведущих заочную работу со школьниками». Проект «Очно-заочная школа Малая-компьютерная академия»;

· 2006 Грант АТЭС «Создание цифровых образовательных ресурсов и сети доступа к знаниям для молодежи, проживающей в Тихоокеанской зоне Дальнего Востока России»;

· 2004 ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы». Проект «Исследование и разработка технологических решений интеграции информационно-образовательных сред вузов и других образовательных учреждений»;

· 2002-2005 ФЦП «Интеграция». Проект «Параллельные и распределенные методы, алгоритмы и прикладные программные комплексы для решения задач высокой сложности»;

· 1997-2000 ФЦП «Интеграция». Проект «Центр информационных технологий».

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных, российских и региональных конференциях: на международной конференции European University Information System (EUNIS) в 2004 и 2005 гг. (Словения, Англия), на всероссийской научно-методической конференции «Телематика» в 2002-2004, 2007-2009 гг. (Санкт-Петербург), на всероссийской научной конференции «Научный сервис в сети Интернет» в 2002, 2003, 2008 гг. (Новороссийск), на международном конгрессе конференций «Информационные технологии в образовании» (ИТО) в 2003 и 2006 гг. (Москва), на международной научной конференции «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании и науке» в 2005, 2007 гг. (Турция), на международной конференции «Информационная среда вуза XXI века» в 2007, 2009 гг. (Петрозаводск), на международной конференции IEEE Advanced Learning Technologies в 2002 г. (Казань), на международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» в 2004 г. (Гурзуф), на межрегиональной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании и научной деятельности» в 2008 г. (Хабаровск), на международной конференции Distance Learning and Internet Conference в 2005 г. (Владивосток), на всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» в 2005, 2008, 2009 гг. (Улан-Удэ), на международной конференции «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании и науке» в 2006 г. (Владивосток).

Публикации

По материалам диссертационной работы сделаны 63 публикации, из них 14 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, одна монография, участие в двух коллективных монографиях в качестве автора раздела.

СТРУКТУРА РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи работы, приводятся основные результаты исследования, формулируются защищаемые положения и практическая значимость.

В первой главе дается обзор состояния автоматизации высших учебных заведений и решений проблем повышения эффективности процессов разработки, сопровождения и эксплуатации автоматизированной информационной системы.

Решение проблем сопровождения и эксплуатации лежит в нескольких направлениях. Во-первых, интерес представляют решения, которые обеспечивают участие специалистов-предметников в проблеме изменения АИС (в том числе ее поведения) в соответствии с изменениями требований реального мира, во-вторых, необходимы решения, которые обеспечивают простое расширение функциональности АИС, в-третьих, важным аспектом является вопрос такой архитектуры АИС, которая позволяет повысить масштабируемость и устойчивость АИС, в-четвертых, рассматривается проблема изменения поведения системы при изменениях в инфраструктуре, пользователях, подсистемах и данных.

В главе анализируется архитектура АИС российских и зарубежных вузов и делается заключение о недостаточной эффективности сопровождения и эксплуатации в существующих АИС вузов.

Во второй главе рассматриваются основные проблемы разработки, сопровождения и эксплуатации АИС вуза, определяются задачи и требования к системе, предложены принципы повышения эффективности автоматизации вуза.

Основной задачей АИС является автоматизация ключевых областей деятельности вуза: управление учебным процессом (формирование образовательных программ, учебных планов, приемная комиссия, управление контингентом студентов, их успеваемостью, расчет нагрузки на кафедру и распределение ее по преподавателям, составление расписания, управление учебно-методической обеспеченностью, отчетность преподавателя, расчет рейтинга преподавателя и т.п.), собственно образовательный процесс (поддержка проведения занятий, контроль знаний, хранилища цифровых материалов и т.п.), управление научными исследованиями (управление научно-исследовательскими проектами, контингентом аспирантов, публикациями, научно-исследовательской работой студентов и т.п.), административное управление (управление персоналом и организационной структурой, штатное расписание, управление недвижимостью, общежитием, доступом в помещения, документооборотом, планирование и отчетность работы подразделений, поддержка принятия решений и т.п.), управление финансами и управленческий учет (расчет заработной платы, начисление стипендии, управление договорами, материальными ресурсами, бюджетирование и т.п.), управление информационными ресурсами (управление пользователями, данными, системами, инфраструктурой, сервисами, сайтом, веб-страницами преподавателей и студентов и т.п.).

Процессы вуза имеют несколько общих свойств. Вузу, как никакой другой организации, присущи постоянные изменения процессов и понятий предметной области. В вузе широкий спектр видов деятельности, и соответствующих им процессов, но эти процессы часто оперируют одними и теми же понятиями, и делают это одинаковым способом. В вузе в процессах участвует большая часть сотрудников и студентов, при этом участие носит не только ознакомительный, но и созидательный характер (т.е. в процессе сотрудниками и студентами создаются новые данные). Дополнительной проблемой здесь является периодическая и случайная смена контингента студентов и сотрудников, достигающая 25% в год. Многие процессы вуза, особенно связанные с образовательной деятельностью, имеют временные ограничения, и это предъявляет жесткие требования к срокам автоматизации и внесения изменений в процессы и понятия деятельности вуза.

Основными требованиями к АИС вуза, исходя из анализа процессов, являются: поддержка автоматизации процессов широкого спектра деятельности вуза, их постоянных изменений в ограниченные сроки, поддержка интеграции данных и приложений, реализующих функциональность процессов, для обеспечения повторного использования процессов и понятий, поддержка большого числа часто меняющихся пользователей и правил их доступа к ресурсам АИС, обеспечение решения всех требований к АИС на основе единого подхода, позволяющего реализовать эффективные разработку, сопровождение и эксплуатацию системы в ограниченные сроки.

Для того чтобы обеспечить АИС с вышеопределенными требованиями необходимо разработать методы и алгоритмы, которые позволяют управлять автоматизированными процессами, функциональными компонентами, данными, пользователями, инфраструктурой вуза.

Анализ процессов разработки и сопровождения ИС для вузов показывает, что все они имеют общие функциональные составляющие: управление пользователями систем, управление понятиями предметной области систем, управление процессами (в том числе элементарными процессами, реализованными с помощью функциональных компонентов (ФК)), управление качеством данных и управление отчетами систем. Вынесение этой функциональности в отдельные подсистемы, результаты работы которых доступны во всех системах АИС, позволяет сократить время разработки и усилия по сопровождению. На долю новой ИС остается только разработка специфичной для ИС функциональности.

Чтобы обеспечить выделение общей функциональности, необходимо чтобы все ИС «понимали» пользователей, понятия и процессы, сформированные с помощью выделенных обобщенных подсистем, а для этой цели необходимо иметь некоторую общую модель всех компонентов АИС. Эта модель является также единой основой всех методов и алгоритмов, обеспечивающих управление процессами, пользователями, данными и функциональностью. Для представления единой модели АИС предлагается использовать онтологическое моделирование.

Таким образом, чтобы разработать эффективно сопровождаемую и эксплуатируемую АИС вуза, необходимо разработать модель системы, представляющую собой онтологическое описание понятий и отношения между понятиями, расширяемый семантический базис и механизм изменения онтологического описания. Семантический базис представляет собой элементарную функциональность (ФК), которая может использоваться в различных подсистемах АИС. Онтологическое описание содержит онтологии предметных областей деятельности вуза, управления процессами и описание понятий ИТ-области, а также отношения между понятиями. Возможность изменения онтологических описаний реализуется с помощью инструмента создания понятий, отношений между понятиями, ограничений на атрибуты и создание, редактирование и удаление экземпляров понятий. В обобщенную функциональность АИС входит управление пользователями и их правами в АИС, маршрутизация запросов, управление эффективной работой ФК, интерпретация понятий и отношений между ними, создание и редактирование экземпляров понятий и отношений, в том числе создание маршрутов составных процессов и управление ими, процедуры поддержки качества данных, а также механизм создания отчетов из различных систем на основе интерпретации понятий и отношений между понятиями.

Структурная схема повышения эффективности автоматизации вуза представлена на рисунке 1. В основе предлагаемых принципов лежит онтологический подход, обеспечивающий разработку АИС с использованием онтологической модели. Элементарная функциональность, входящая в семантический базис, реализует управляющие функции АИС (авторизацию, аутентификацию, поиск подходящего сервера, извлечение экземпляра понятия и т.п.) и функциональность предметной области (расчет нагрузки, расчет штатного расписания, составление пакета вопросов для тестирования, расчет рейтинга преподавателя, утверждение отчета и т.п.). Кроме этого в семантический базис входят компоненты интерпретации правил поведения системы.

Для реализации метода управления процессами онтологическая модель содержит онтологии предметных областей деятельности вуза, области управления процессами и ИТ-области, а также отношения между онтологиями. Возможность изменения онтологической модели реализуется с помощью инструмента создания понятий, отношений между понятиями, ограничений на атрибуты и создание, редактирование и удаление экземпляров понятий.

Рисунок 1. Структурная схема повышения эффективности автоматизации вуза

В третьей главе рассматривается онтологическая модель АИС. Определены основные онтологии АИС - онтология предметной области, онтология ИТ-области, онтология управления процессами, а также отношения между ними (рисунок 2.а).

Среди понятий области управления процессами выделены понятия: элементарный процесс, составной процесс, условие, согласованное условие, элементарное условие, тип события, событие. Среди понятий ИТ-области выделены понятия области управления ИТ и инфраструктуры. Область управления ИТ включает пользователей АИС, проекты АИС, роли в проектах, фильтры выбора пользователей, объекты баз данных, ФК и отношения между этими понятиями (рисунок 2.б). Инфраструктура объединяет компьютеры, коммуникационные устройства, виртуальные подсети и отношения.

К базовым понятиям онтологии предметной области относятся понятия подразделение, сотрудник, работа сотрудника в подразделении, студент, образовательная программа, учебный план, дисциплина, обучение студента на учебном плане, а также те понятия, с которыми связаны через атрибуты базовые понятия (уровень и форма образования, квалификация, направление, специальность, специализация и т.п.).

Рисунок 2. Онтологическая модель АИС

В рамках онтологической модели рассмотрены различные отношения. Наследование как отношение между понятиями и : определено в случае, если понятие имеет все те же атрибуты, что и понятие , но на некоторые из которых могут быть наложены более жесткие ограничения (описанные понятием - условие), чем на атрибуты понятия , при этом у так же могут быть дополнительные атрибуты.

Проекция - это отношения, описывающие соответствие между любым понятием и экземпляром понятия Источник данных. Определены производные от отношений проекции:

· отношение проекции с правом на чтение/запись как ;

· отношение проекции с правом на чтение .

Для отношений проекции и наследования доказаны 5 теорем, которые позволяют автоматически генерировать отношения проекции в иерархии понятий, если для некоторого понятия в иерархии уже определены такого рода отношения. Автоматическая генерация отношений позволяет при описании модели использовать необходимый минимум описаний отношений проекции.

Между двумя понятиями и могут существовать отношение включения , которое подразумевает, что экземпляр понятия содержит экземпляр понятия . Для отношения включения определена аксиома и доказана теорема, которые позволяют автоматически генерировать новые экземпляры отношений включения.

Модель системы управления правами пользователей в АИС представляет собой описание понятий проектов, ролей, пользователей, их отношений между собой, в том числе отношений доступа, а также описание правил автоматической генерации отношений доступа, сформулированных в виде аксиом и теорем. Доступ к ресурсам АИС и реализация процессов осуществляется через проекты (рисунок 3). Между проектом и ролью определены отношения включения . Роли могут быть связаны между собой отношениями обобщения и отношениями администрирования роли . Отношения обобщения позволяют автоматизировать назначение ролей на группы областей видимости. Отношения администрирования позволяют делегировать право назначения ролей различным пользователям АИС, не являющимся администраторами системы, например, заведующим кафедрой, деканам, сотрудникам учебно-методического управления и другим.

Рисунок 3. Онтологическая модель управления правами пользователей

Транзитивные отношения обобщения предполагают, что если пользователю назначена роль , то ему автоматически назначена и роль (наличие характеристики транзитивности позволяет автоматизировать процесс генерации назначений для иерархической цепочки ролей). Отношения администрирование роли предполагают, что если пользователю назначена роль , а роли связаны отношением администрирования , то этот пользователь имеет право назначить роль .

Роль может иметь область видимости, которая позволяет ограничивать доступ к данным, выделенным по некоторому признаку (принадлежность кафедре, связь с учебным планом, проживание в определенном общежитии и т.п.). Определены отношения «ограничена» между экземплярами роли и любым понятием АИС : . Определены отношения между пользователями и ролями - пользователю назначена роль , пользователь имеет право назначать (администрирует) роль . Определены 6 аксиом и доказаны 15 теорем, которые описывают правила автоматической генерации отношений назначения роли пользователям.

На основании аксиом и теорем выполняется автоматическое назначение по определенным правилам ролей, связанных отношениями обобщения для случаев, когда:

· обе роли не связаны с областями видимости;

· обе роли связаны с областями видимости, и эти области видимости совпадают или связаны между собой (производная роль автоматически назначаются на все экземпляры области видимости, которые связаны с экземпляром области видимости обобщающей роли);

· с областью видимости связана только одна из ролей (производная роль назначается либо без области видимости, если она не имеет таковой, либо на все области, если область видимости не связана с обобщающей ролью);

· цепочка ролей связана транзитивными отношениями обобщения (обобщающая роль может выступать в качестве производной от другой обобщающей роли и все роли в цепочке будут назначены автоматически).

Аксиомами определяются и правила автоматической генерации назначений для случая, когда роль имеет область видимости и пользователь имеет отношения с некоторым понятием, связанным с областью видимости роли. В этом случае пользователю, связанному с некоторой областью видимости, роль будет автоматически назначена с ограничением по той же области видимости.

В рамках аксиом и теорем определяются правила генерации назначений прав администрировать роль для случаев:

· обе роли не связаны с областями видимости;

· обе роли связаны с областями видимости, и эти области видимости совпадают или связаны между собой (права администрировать роль по некоторой области видимости дается пользователю, имеющему роль с областью видимости , связанной с областью видимости );

· с область видимости связана только одна из ролей (права администрировать роль дается пользователю с ролью либо без ограничений по области видимости, если роль не ограничивается, либо на все области видимости, если ограничения не имеет роль ).

Дополнительно доказаны теоремы генерации отношений администрирования при наличии отношений обобщения. Права на администрирование производной роли автоматически генерируются при наличии прав администрировать обобщающую роль . Права на администрирование роли автоматически генерируются при наличии обобщающей роли , производная от которой роль имеет административный доступ к роли .

Между ролью и итоговым условием определены отношения правила выборки. Аксиома позволяет автоматически назначать роль пользователям на основе связи пользователей с экземплярами областей видимости роли.

Необходимость описания сетевой инфраструктуры и ФК в онтологической модели обусловлена требованием эффективной эксплуатации АИС. ФК часто являются реализацией некоторого элементарного процесса, поэтому определены отношения , которые подразумевают, что элементарный процесс реализуется методом ФК . Эти отношения обеспечивают реализацию доступа пользователей к компонентам и поиск подходящей компоненты в режиме реального времени.

Основное отношение между компьютерами и коммуникационным оборудованием , между компьютерами, а так же между коммуникационным оборудованием, - это «соединен с»: соответственно (рисунок 4). Отношение «соединен с» является транзитивным и симметричным. Между виртуальными сетями и компьютерами определены отношения включения: .

Рисунок 4. Онтологическая инфраструктуры АИС

Характеристикой отношения «соединен с» является пропускная способность канала . Определена аксиома, задающая правила генерации отношений соединения и пропускной способности канала между любыми двумя узлами сети вуза.

Понятие виртуальных подсетей имеет отношение доступа с самим собой . Это позволяет для каждой подсети определить те подсети, доступ к которым разрешен из подсети. Отношения доступа для виртуальных сетей являются симметричными, но не транзитивными.

Между узлами и коммуникационными устройствами, а также между самими узлами могут быть определены отношения доступа. Сформулирована аксиома, определяющая правила генерации отношения доступности двух узлов - узлы доступны, если между ними есть отношения соединения и узлы находятся, либо в одной виртуальной сети, либо в сетях, имеющих доступ друг к другу. Отношения доступности узлов используются в задачах поиска подходящего сервера для распределения нагрузки, а также для реализации политик безопасности на серверах и коммуникационных устройствах.

ФК используются в различных проектах АИС: проекты обращаются к методам ФК для выполнения некоторого запроса (в том числе для реализации элементарного процесса). С проектом ассоциируется пользователь , что дает возможность проекту обращаться к методам ФК с правами, которые назначены пользователю через отношения . Аналогично проекту к методам ФК могут обращаться другие ФК, с которыми ассоциируется пользователь. Отношения ассоциации пользователя с проектами и ФК позволяют управлять безопасным доступом к приложениям и данным АИС, поскольку обращение к источникам данных выполняется также от имени пользователя, ассоциированного с проектом или ФК.

Между ФК и серверами определены отношения использования. Между сервером и базой данных, базой данных и объектом базы данных определены транзитивные отношения включения. Правила генерации отношений использования, сформулированные в виде аксиомы, позволяют автоматически формировать список тех серверов, которые могут рассматриваться в списке альтернативных серверов при распределении нагрузки.

Между различными понятиями ИТ-области возможны отношения доступа. - означает, что экземпляр понятия имеет доступ к экземпляру понятия . Отношения доступа могут быть определены для проекта и методов ФК, ФК и методов ФК, метода ФК и понятия, метода ФК и источника данных, проекта и понятия, проекта и источника данных, понятия и источника данных, пользователя и проекта, пользователя и методов ФК, пользователя и понятия, пользователя и источника данных, между виртуальными подсетями, между узлами (компьютерами и серверами) в сети (рисунок 5). Аналогично отношениям проекции, отношения доступа определены на чтение/запись и отношения доступа на чтение .

Рисунок 5. Онтологическая модель отношений доступа в АИС

Для отношений доступа определены аксиомы и доказаны теоремы, которые позволяют автоматически генерировать отношения доступа между различными компонентами АИС.

Для удобства определения результирующего доступа, а также для доказательства некоторых теорем доступа в работе используются матричные вычисления с матрицами доступа. Каждая матрица отражает наличие отношений доступа между соответствующими понятиями. Значение элементов матриц определено в домене {2, 1,0,-1}, что соответствует отношениям доступа {чтение/чтение-запись/не определено/запрещено}. С помощью матриц доступа определяются косвенные связи, а путем умножения матриц, описывающих связь между функциональными компонентами, могут быть получены отношения доступа любого порядка между любыми компонентами АИС.

Для управления процессами определены транзитивные отношения следования одного процесса за другим: (рисунок 6). Процесс может включать процесс : . Между понятиями условие и процессом определены отношения «истинности»: , т.е. процесс выполняется в случае истинности условия. Наряду отношениям истинности, существуют отношения ложности: . Отношения истинности и ложности определены и для условий: . Отношения истинности и ложности определены в рамках составного процесса: .

Рисунок 6. Онтологическая модель управления процессами

Для управления процессами в онтологической модели сформулированы аксиомы, которые определяют доступ пользователя к процессу, доступ процесса к понятию, доступ реализующего процесс метода ФК к понятию, доступ пользователя процесса к понятию. Эти аксиомы определяют, каким образом пользователь получает доступ к процессу, позволяют автоматически генерировать отношения доступа между методом и понятием на основании описания метода, поддерживают автоматическую генерацию прав доступа пользователя к понятию. Это обеспечивает доступ пользователя к одним и тем же понятием из различных систем. Кроме этого определена аксиома, которая устанавливает правила передачи управления процессу , если произошел процесс и между ними определены отношения следования .

Для управления процессами используются понятия тип события и событие. В онтологической модели сформулированы аксиомы, которые описывают правила генерации событий при создании, удалении и изменении экземпляра понятия, нарушении ограничений на число экземпляров понятий или отношений, а также правила генерации зависимых событий. Сформулированы аксиомы, определяющие правила обработки событий, и позволяющие управлять доступом пользователя к методу, если необходима генерация события.

Между базовыми понятиями предметной области определены отношения: включения - для подразделений, содержит - для учебного плана и дисциплин, наследования - для подразделения и кафедры, закрепления - для студента, учебной группы и учебного плана (рисунок 7). С помощью отношений аттестации студент связан с дисциплиной и преподавателем, который является производным от сотрудника.

Рисунок 7. Онтологическая модель базовых понятий предметной области

В четвертой главе диссертационной работы рассматриваются алгоритмы и методы, которые на основе онтологического представления позволяют решать проблемы поддержки качества данных, интеграции данных, управления ФК и процессами.

В АИС вуза операторами, обеспечивающими ввод данных, является большое число пользователей (около 80% всех сотрудников вуза). Кроме этого, в вузе имеется сложная распределенная гетерогенная инфраструктура, объединяющая сеть филиалов и требующая дополнительных усилий по обеспечению синхронизации данных между различными базами данных. Это приводит к необходимости автоматизации поддержки качества данных в АИС.

Процедуры поддержки качества данных обеспечивают полноту, достоверность, корректность, непротиворечивость, доступность.

Определены аксиомы и доказаны теоремы в качестве критериев полноты. Критерии основываются на ограничениях, задаваемых на число элементов в множестве (для критерия полноты используется минимальное и точное ограничение). Отдельно рассматривается вопрос полноты, связанный с контекстно-зависимыми отношениями и условиями при формировании маршрута составных процессов. Условия, которые можно представить в виде дизъюнктивной нормальной формы (ДНФ) из атрибутов понятия, должны обеспечивать полноту множества допустимых значений атрибутов. Доказан критерий полноты на основании тождества множеств допустимых ДНФ.

На основании отношений проекции сформулирована аксиома критерия актуальности данных в различных источниках. Сформулированы аксиомы и доказаны теоремы, определяющие порядок действия при удалении экземпляра понятия (правила удаления или изменения отношений), при удалении экземпляра отношений понятий, правила актуализации атрибутов понятий на основании отношений соответствия. Для создания новых отношений и для актуализации атрибутов вводятся отношения эквивалентности экземпляров понятий, и определяются аксиомы. На основании аксиом разработан алгоритм процедуры актуализации данных.

Корректность данных чаще всего связана с вводом данных - ручным или автоматическим. Для обеспечения корректности в отдельных ситуациях требуется определение связи между экземплярами понятий. Отношения, описывающие связь между экземплярами, являются транзитивными и симметричными. С помощью теоретико-множественного представления доказана теорема о полной связи между экземплярами. На основании таких отношений в АИС реализуются проверка корректности ввода или корректные ограничения при выборе данных в интерфейсе.

Для решения проблемы непротиворечивости используются отношения эквивалентности и репликации, доказана теорема о критерии непротиворечивости, которая позволяет обеспечить непротиворечивость условий во всех задачах АИС (маршрутизация процессов, контекстно-зависимые отношения между понятиями). Это позволяет не допускать противоречивые условия при задании их пользователями.

Для оценки доступности данных доказана теорема и определены коэффициенты, которые позволяют количественно оценить доступность данных в АИС, а также сформулированы критерии доступности.

Проблема репликации данных связана с большим количеством и разнообразием объектов баз данных, используемых в АИС вуза, где инфраструктура объединяет филиалы, ведущие свои данные, где используются отдельные серверы баз данных для обеспечения безопасности или для повышения производительности. Большое число репликаций, взаимозависимость реплицируемых понятий, требует автоматического выполнения всех процедур репликации. Для этого используются отношения проекции на чтение и на чтение/запись и отношения наследования.

В отношении проекции определены соответствия между ограничениями понятий и характеристиками источников данных. Отношения проекции с реляционными источниками могут описываться на основании уже существующих таблиц и представлений, поэтому все возможные ограничения на поля таблиц могут быть транслированы в описания понятий и отношений в АИС, в работе приведены правила трансляции.

Разработан алгоритм автоматической репликации данных. Сформулированы аксиомы генерации автоматической репликации, которые определяют критерий выполнения репликации (рисунок 8). В аксиомах используются отношения проекции на чтение/запись и отношения наследования между понятиями.

Для корректного выполнения репликаций необходимо определить порядок их следования и возможность параллельного выполнения. Для этого разработан алгоритм синхронизации репликаций, который определяет порядок выполнения репликаций на основании отношений между понятиями и определяет условие выполнения параллельных репликаций. Алгоритм автоматической репликации решает также проблему уникальности ключей, основываясь на ограничениях на атрибут уникальности экземпляра. Алгоритм также учитывает проблему целостности данных, которую предлагается решать, используя значения по умолчанию для атрибутов и свойств понятия, описанных в онтологической модели.

Рисунок 8. Схема генерации репликации

В сложной АИС вуза данные часто расположены на различных серверах и управляются разными СУБД. Поэтому связь между ними носит логический, а не физический характер. Для запросов в этом случае необходимы алгоритмы интеграции по требованию. Семантика понятий и отношений между понятиями часто меняется. В тоже время большое число приложений используют одни и те же понятия, поэтому для работы с понятиями используется промежуточный слой ФК, которые на основании онтологической модели формируют запросы к понятиям. Большой интерес для вуза представляет возможность формирования отчетов по различным направлениям деятельности образовательного учреждения пользователями самостоятельно. Для этой цели необходим алгоритм формирования запросов к данным на основании онтологического описания отношений между понятиями предметных областей, отношений проекции. Отношения реализации между серверами и базами данных, отношения доступа между узлами используются в алгоритме для формирования эффективных запросов.

Первая часть алгоритма решает проблему выбора источника данных на основе приоритетов. Приоритет источника данных зависит от того, имеет ли источник отношения проекции с доступом только на чтение или на чтение/запись, а также от пропускной способности канала между сервером, имеющим отношения реализации с ФК, и сервером, с которого генерируется запрос.

Алгоритм описывает извлечение экземпляра понятия , а также отношений по любой ДНФ, составленной из ограничений на атрибуты . Рассмотрено извлечение экземпляров понятий для контекстно-зависимых отношения. Для всех случаев определен алгоритм формирования запроса.

...