Архитектура информационных систем в научных исследованиях

•    качественным характером знаний о системе, большой долей экспертных знаний при описании, структуризации объекта моделирования;

•    высоким уровнем неопределенности исходной информации. (Различают

     внутреннюю  и внешнюю неопределенность. Внутренняя неопределенность – это совокупность тех факторов, которые не контролируются лицом, принимающим решение полностью, но он может оказывать на них влияние. Внешняя неопределенность определяется характером взаимодействия с внешней средой или зависимостью от внешних неуправляемых внутрисистемных решений – это те факторы, которые находятся под слабым контролем лица принимающего решение рамках данной системы (например, сменяемость перечня и состава специальностей ВШ, регулируемая ведомством);

•    совокупная взаимосвязь образования, творчества и науки представляет собой сложную динамическую систему.

 

 

Компьютерное моделирование систем обучения, творчества и научного поиска

       Из приведенного выше описания  особенностей обучения, творчества и научных исследований с позиций системного подхода напрашивается вывод, что в качестве метода моделирования этих систем, а точнее, комплексной многофункциональной мегасистемы, целесообразно выбрать метод компьютерного моделирования, поскольку он позволяет адекватно отразить структуру рассматриваемой сложной динамической системы, привнести в модель факторы неопределенности. Для образовательных и научных технологий очень привлекательно то обстоятельство, что метод компьютерного моделирования обеспечивает итеративный процесс разработки модели, характеризующийся постепенным углублением знаний о системе с участием экспертов и специалистов предметной области. Безусловно, в сферах образования и науки такими специалистами в первую очередь являются видные ученые, профессора и доценты вузов, передовые педагоги-новаторы, научные лидеры соответствующих научных школ и областей знаний, которые только во взаимодействии со специально подготовленными технологами – специалистами в сфере системотехники и проектирования ИС могут создать и реализовать средствами ИС действенные модели современной эффективной информационно-аналитической поддержки научных исследований, творчества и обучения в соответствующих областях науки и образования. Здесь же следует отметить, что подготовка специалистов высшей школой по специальностям «Информационные системы», «Информационные технологии в образовании» и «Информационные системы в научных исследованиях» и им подобных нацелена именно на решение этой важной народнохозяйственной задачи. Уместно отметить также, что достаточные темп и продуктивность работ в указанном направлении могут быть достигнуты только в случае массового участия в качестве специалистов и экспертов по моделированию, проектированию и сопровождению систем сотрудников, преподавателей, студентов и аспирантов учреждений образования и науки. Флагманом в развитии этого направления деятельности безусловно должна стать высшая школа России, причем немалый вклад в части поиска и апробаций новых решений в этом направлении может принадлежать системе дополнительного образования, отличающейся высокой концентрацией творчески одаренных и ищущих людей, относительной свободой творчества, углубленным развивающим образованием и инноватикой.

 

       Компьютерное моделирование –  это метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели. Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов на основе имеющейся модели.

       Под компьютерной моделью понимают:

• условный образ объекта или некоторой системы, описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и т.д., и отображающий структуру и взаимосвязи между элементами объекта – структурно функциональная модель;

• отдельные программы, совокупность программ, программных комплекс, позволяющие с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) и текстуально описывать процессы функционирования объекта при условии воздействия на него различных (включая случайные) факторов – имитационные модели.

       Компьютерное моделирование имеет  ряд преимуществ по сравнению с другими подходами. В частности, оно дает возможность учитывать большое количество переменных, предсказывать развитие нелинейных процессов, возникновение синергетических эффектов, имеющих достаточно сложные и не всегда предсказуемые проявления в дидактике. Компьютерное моделирование позволяет не только получить прогноз, но и определить, какие управляющие воздействия приведут к наиболее благоприятному развитию событий, например, к быстрейшему разрешению той или иной научной проблемы или к интенсивной подготовке заданного числа специалистов по новой востребованной специальности.

       Качественные    выводы,    сделанные    по   результатам    компьютерного моделирования, позволяют обнаружить такие свойства сложной системы, как ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность, производительность взаимодействия с другими системами, объектами и субъектами и другие..

Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения прошлых значений переменных и факторов, характеризующих систему.

Одно из основных направлений использования компьютерного моделирования – поиск оптимальных вариантов внешнего воздействия на объект с целью получения наивысших показателей его функционирования, в том числе в результате планируемых целенаправленных видоизменений системы как путем видоизменения связей в ней, так и путем изменения ее наполнения обрабатываемой информации.

      Компьютерное  моделирование – эффективный  метод решения задач анализа и синтеза сложных систем. Методологической основой компьютерного моделирования является системный анализ (в то время как у моделирования на ЭВМ фигурируют те или иные разделы теории математических моделей), - именно поэтому в ряде источников наряду с термином «компьютерного» используется термин «системного моделирования», а саму технологию системного моделирования призваны осваивать системные специалисты - аналитики.

      Однако, ситуацию не стоит представлять  так, что традиционные виды моделирования противопоставляются компьютерному моделированию. Наоборот, доминирующей тенденцией сегодня является взаимопроникновение всех видов моделирования, симбиоз различных информационных технологий в области моделирования, особенно для сложных приложений и комплексных проектов по моделированию. Так, например, имитационное моделирование включает в себя концептуальное моделирование (на ранних этапах формирования имитационной модели), логико-математическое (включая методы искусственного интеллекта) – для целей описания отдельных подсистем модели, а также в процедурах обработки и анализа результатов вычислительного эксперимента и принятия решений; технологии проведения, планирования вычислительного эксперимента с соответствующими математическими методами привнесена в имитационное моделирование из физического (натурного) моделирования; наконец, структурно-функциональное моделирование используется при создании стратифицированного описания многомодельных комплексов.

 

 

 

 

Некоторые практические рекомендации по анализу и разработке социально-экономических моделей, поддерживаемых ИС, проектируемыми в интересах образования и научных исследований

      Фундаментальные  представления по созданию динамических  моделей социально-экономического типа подробно рассмотрены в работах Дж. Форрестера и других известных авторов, а потому в данном материале не приводятся. Здесь уместнее сделать несколько реплик практического свойства, которые надо иметь ввиду в процессе дипломного проектирования и при выполнении курсового проекта по дисциплине «Проектирование информационных систем».

      Прежде  всего, следует сосредоточить внимание  на четком и однозначном понимании цели анализа и моделирования системы.

  Согласно Форрестеру в число возможных целей могут входить:

• на модели предсказать поведение сложной системы,

• определить эффективность административных, управленческих программ в долгосрочной перспективе, показать противоречия между долгосрочными и краткосрочными целями;

• решить проблему пересмотра и усовершенствования подготовки по

  специальностям  образования, отдельным предметам  и проблемам и т.п.

      В  сложных системам образовательных  технологий, особенно в случае  третьей из упомянутых целей, присутствуют различные подсистемы (или входящие частные системы), например, подсистемы учебных дисциплин в системе специальности в целом или подсистемы специальностей, в системе целостного направления (группы смежных специальностей), или подсистемы «предметная область обучения», «кадры», «успеваемость», «обратные связи в обучении» и т.п. В зависимости от того, какой идеологии подчиняется структурирование системы. Подсистемы в проекте следует выделить, ранжировать и описать.

      Далее  полезно сосредоточить внимание  на выявлении воздействия внешней среды и внешних факторов, ранжировать и описать их.

      Важным  моментом, заслуживающим пристального  внимания, является утверждение Дж.Форрестера и других исследователей о том, что природа комплексных систем контринтуитивна. Таковые, настаивают они, включают взаимодействие слишком многих переменных, чтобы человеческий ум мог удерживать их в правильном порядке и обозримом виде.

      По  этой причине в данной ситуации  при принятии решений необходимо использовать алгоритмы, а не полагаться на интуитивные суждения. Это неизбежно, когда приходится иметь дело со сложной динамической моделью с множеством прямых и обратных связей между подсистемами. Такой подход позволяет сравнивать между собой различные альтернативные программы развития социально-экономического объекта или системы. Следовательно, сравниваемые программы должны быть единообразно формализованы и описаны с учетом возможных отношений между ними и вводимых ограничений на их действие.

      В  результате реализации такого  подхода на первоначальных этапах системного анализа вырисовываются контуры создаваемой комплексной системы (далее «комплекса»). В состав такого комплекса входят:

      Аналитическая  база данных

      Аналитическая  база данных в составе комплекса  предназначена для хранения иерархически структурированной многомерной динамической информации. В наиболее общем виде комплекс может быть ориентирован на многомерное представление данных, однако допускается прямая обработка традиционных реляционных таблиц или логическое преобразование таблиц в многомерные объекты.

      Интерфейс

      Интуитивно  понятный интерфейс в составе  комплекса предоставляет пользователю удобные средства составления нерегламентированных запросов, генерации отчетов, анализа и преобразования данных. При этом особенностями

аналитической базы можно считать:

• Возможность использования в качестве хранилища данных таблиц пользователей, пополняемых внешними по отношению к комплексу средствами. Таким образом, существенно облегчается взаимодействие между средствами сбора информации и средствами ее анализа (различные блоки программного комплекса и уже используемое программное обеспечение других производителей);

• Развитые      возможности     по   преобразованию    данных.     В    частности, предусматривается ряд механизмов, позволяющих производить вычисления, сравнения и агрегирование данных базы в реальном времени, что обеспечивает актуальность данных и не требует дополнительных объемов дискового пространства.

       Источники данных

       Необходимость в постоянной "подпитке" информацией из различных гетерогенных источников данных обуславливает целесообразность наличия в рамках комплекса инструментария гибкой настройки на внешние информационные массивы.

Уместно ставить вопрос о поддержке шлюзов к SQL-ориентированным СУБД (Oracle, Informix, MS SQL Server и др.), СУБД класса персональных (Access, FoxPro, Paradox), электронным таблицам (Excel) и файлам (txt). При этом желательна загрузка информации из таблиц и файлов произвольной структуры в таблицы, используемые комплексом и предполагающие специальные представления данных.

       Имитационное моделирование

       Интерфейс блока моделирования  предоставляет пользователю набор визуальных и программных средств для построения моделей исследуемых процессов и явлений. Графические средства и макроязык комплекса призваны обладать достаточной гибкостью и в то же время доступностью пользователю – непрограммисту, каковым в массовом плане является учащийся, преподаватель, научный работник, инженер, методист, управленческий работник. Хорошо, если основой всего блока является макроязык, ориентированный на обработку многомерных матриц и векторов. Кроме того, такой язык обладает стандартным набором управляющих конструкций, содержит специальные наборы математических функций, функций обработки файлов, статистических вычислений и обработки матриц с учетом иерархической структуры информации из аналитической базы. Так же в макроязык встраивается блок, позволяющий конструировать специальные диалоговые формы, которые могут быть вызваны в процессе моделирования и использованы для доопределения различных параметров моделей или вывода промежуточных результатов и которые фактически незаменимы в образовательных технологиях и творчестве.

       Комплексный подход к построению  социально-экономических моделей предполагает сочетание имитационных, целевых, оптимизационных и статистических методов моделирования и прогнозирования.

       Многовариантные расчеты

       Возможность выполнения многовариантных  сценарных и целевых расчетов ("Что будет, если…?" и "Что нужно, чтобы…?" - анализ) на основе имитационных, оптимизационных и целевых моделей позволяет находить различные варианты стратегий, сравнивать между собой потенциальные результаты их реализации, ранжировать варианты по произвольным экономическим и иным критериям.

      

 

Конструктор отчетов

       Конструктор отчетов комплекса  может быть выполнен в форме  электронной таблицы, что позволяет пользователю достаточно легко создавать аналитические и нормативные отчеты произвольной формы. Конструктор может иметь поддержку многомерного представления данных и специальные функции, обеспечивающие его тесную интеграцию с другими компонентами комплекса. Кроме этого, конструктор может располагать достаточно развитой подсистемой построения графиков и диаграмм, возможностей импорта и экспорта отчетов в различные форматы, в том