CC BY
13
УДК 378.14; 004.94
ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫМ ПРОЦЕССОМ ДЛЯ ВУЗОВ
РОСМОРРЕЧФЛОТА
Левченко Н.Г., к.т.н., доцент кафедры «Автоматические и информационные системы», ФГБОУВО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: levchenko@msun.ru,
Рычкова В.Ф., старший преподаватель кафедры «Управление морским транспортом», ФГБОУ ВО «Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского», e-mail: rychkova@msun.ru
В статье представлены подходы к применению интеллектуальных информационных технологий в управлении образовательным процессом. Высокие требования к подготовке специалистов для морского транспорта связаны с обязательным выполнением Международной конвенции о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты (далее - ПДНВ) с поправками и Кодекса ПДНВ. Они предполагают системный подход к управлению образовательным процессом, который включает в себя разработку новых методик и образовательных программ для подготовки специалистов на морском транспорте. Авторами рассмотрен комплекс взаимозависимых элементов и факторов внешней и внутренней среды, воздействующих на систему образовательных услуг. Предложен нейросетевой подход к разработке имитационной модели для повышения эффективности управления, как одного из приемов искусственного интеллекта.
Ключевые слова: морской транспорт, управление, образовательный процесс, интеллектуальные информационные технологии, нейронные сети.
APPROACHES TO THE DEVELOPMENT OF INTELLECTUAL SIMULATION MODEL OF LEARNING ADMINISTRATION FOR ROSMORRECHFLOT
UNIVERSITIES
Levchenko N., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Automated and Information Systems chair, FSEIHE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi», e-mail: levchenko@msun.ru Rychkova V., senior teacher Maritime Transport Management chair, FSEI HE «Maritime State University named after admiral G.I.Nevelskoi»,
e-mail: rychkova@msun.ru
The article presents the approaches to the use of intellectual information technologies in the learning administration. High requirements for the training of specialists of sea transport are associated with mandatory fulfillment of the International Convention on Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers (hereinafter - STCW), as amended, and the STCW Code. They imply a systematic approach to the management of the educational process, which includes the development of new methods and educational programs to train professionals of sea transport. The authors examine a set of interdependent elements and factors of external and internal medium affecting the educational services system. A neural network approach to the development of the simulation model is proposed to improve the management efficiency, as one of the techniques of artificial intelligence.
Keywords: sea transport, management, educational process, learning administration, intellectual information technologies, neural networks.
Совершенствование норм Международного морского права в части выполнения международных обязательств в соответствии с Конвенцией ПДМНВ 78/95 [1] и документов, регламентирующих безопасность мореплавания, таких как: Международные правила предупреждения столкновений судов в море (далее - МППСС-72) [2], Кодекс торгового мореплавания Российской Федерации (далее - КТМ РФ) [3], Международный Кодекс по управлению безопасностью (далее - МКУБ) [4] требуют системного подхода к управлению образовательным процессом в вузах подведомственных Росморречфлоту.
Системный подход предполагает соблюдение основных принципов: целостность системы, устойчивость ее функционирования, адаптивность к изменениям внешней среды, управляемость; обучаемость [5].
Требования отрасли к профессиональной подготовке специалистов на водном транспорте в общем виде отражены в Морской доктрине Российской Федерации на период до 2020 года [6], Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года [7].
Государственное регулирование в сфере кадрового обеспечения по видам транспорта направлено на создание эффективных моделей образовательных учреждений для совершенствования системы подготовки, переподготовки и повышения квалификации кадров в образовательных учреждениях транспортного комплекса.
Образовательные учреждения, подведомственные Росмор-речфлоту, адаптируются к новым требованиям Международной морской организации (ИМО), международным конвенциям, портово-судоходного бизнеса совершенствуя свои образовательные программы, опираясь на принципы проблемно-ориентированного обучения.
Одним из возможных способов повышения эффективности управления образовательным процессом в вузах является разработка имитационной модели управления образовательным процессом с
возможностью динамического моделирования их деятельности. Данные могут быть получены с помощью метода стратегического планирования (SWOT-анализа), и маркетингового инструмента, предназначенного для выявления аспектов внешней и внутренней среды, оказывающих влияние на деятельность образовательной организации (PEST- анализ), с применением современных интеллектуальных информационных технологий.
Применительно к ситуации, основными методами интеллектуального анализа данных являются: методы многомерного статистического анализа; индуктивные методы построения деревьев решений; нейронные сети [8], [9].
При построении модели такого сложного динамического процесса, как образовательный, с присущими ему характеристиками неопределенности внутренней и внешней среды, логичным представляется применение аппарата гибридных интеллектуальных систем (далее - ГИС). ГИС позволяет разрабатывать и представлять модели систем в форме правил нечетких продукций, и использует методы нейронных сетей [10].
В качестве объекта моделирования с использованием адаптивной системы нейронечеткого вывода выбрано образовательное учреждение, имеющее специфику, которое можно охарактеризовать как сложную систему с высоким уровнем неопределенности исходной информации и внешней среды. В качестве примера рассмотрим процесс разработки нечеткой модели гибридной сети учебного процесса в вузе.
Суть данной задачи состоит в том, чтобы построить такую имитационную модель образовательного процесса, которая позволит выявить наиболее эффективные управляющие воздействия на систему, определить необходимые качественные критерии образовательных услуг.
В качестве отправной точки необходимо определить набор факторов, которые оказывают влияние на курсантов в процессе обучения.
TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA j №5 2016 j 135
Рисунок 1. Формальная схема образовательного процесса для курсанта
Как правило, точное число таких факторов неизвестно, они не все явно себя проявляют, не все из них могут быть точно формализованы, поэтому могут быть заданы нечеткими качественными оценками. В процессе работы с моделью набор факторов может дополняться, качественно улучшая «портрет» объекта исследования, но, не оказывая влияния на саму систему[10].
Формально образовательный процесс можно представить в виде схемы, представленной на рисунке 1, где Ci - курсанты, а Dj - изучаемые ими дисциплины. На входе системы находится множество оценочных параметров, которые условно можно разбить на две группы:
- успеваемость (оценки) по каждой изучаемой дисциплине от курса к курсу.
- психологический портрет (стремление к обучению, степень адаптации в коллективе).
Весь комплекс критериев, которые характеризуют будущего курсанта неизвестен и не может быть известен по объективным причинам. Однако некоторые данные могут быть извлечены из результатов тестов, которые проходят абитуриенты перед поступлением на плавательные специальности. В процессе обучения эти параметры изменяются под воздействием внешних и внутренних факторов макро- и микро- среды, которые можно систематизировать с помощью методов PEST- и SWOT-анализа.
При переходе на следующую ступень построения модели помощью аппарата ГИС производится комплексная оценка возможностей для решения сложной многокритериальной задачи, в которой большинство критериев характеризуют рассматриваемые альтернативы с разных позиций, имеют различную природу, значимость, размерность, то есть описывают детализацию принятия управленческого решения.
Неопределенность такого объекта управления, как система управления образовательным учреждением, выражается, прежде всего, в том, что неизвестны закономерности, которые в нем суще-
ствуют, какова его математическая модель, как зависят выходные величины от входных данных и так далее. Вместе с тем, как правило, известны необходимые эмпирические данные, получаемые в процессе наблюдения за выбранными объектами.
Для наглядности, выше приведен комплекс параметрических критериев свойств личности будущего курсанта. Задача восстановления зависимостей по эмпирическим данным была и, вероятно, всегда будет центральной в теории управления плохо определенными объектами [11]. Традиционная схема управления каким-либо объектом (процессом) в общем виде может быть представлена следующим образом, рисунок 2 [12].
На управляемый процесс воздействуют значения входов х1, где 1=1,п, которые можно оценить в любой момент времени и значения
где j=1,r, которые либо невозможно оценить, либо оценка дорого обходится.
Между входным вектором<Х^> и выходным Y существует некоторая связь (Х^). При управлении объектом важно получить определенные значения Y при любых X и ^ Если X и W не поддаются воздействию, необходимо построить систему управления так, чтобы при помощи специальных управляющих воздействий и повлиять на значения У.
Другими словами, получаем соотношение (X, И, W). Это означает, что реализуя некоторую зависимость И=Ф (X, У), можно найти искомые управляющие воздействия на объект. Также имеется возможность для лиц, принимающих решения внести коррективы в функционирование системы управления в виде корректирующего вектора Z, они отображены на рис. 2 как аббревиатура ЛПР.
Итак, чтобы сформулировать критерий управления, в котором воплощаются требования к системе управления, необходимо знать цели его существования, описание объекта, включающие в себя его структуру и параметры функционирования.
Отображение Ф является критерием управления объектом, это может быть: максимизация или минимизация каких-либо значений
136 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | 5 2016 |
Рисунок 2. Традиционная схема управления объектом
вектора Y, поддержание их в некоторых заданных пределах, недопущение некоторых комбинаций этих значений, запрещение появления определенных временных последовательностей значения вектора У.
Если объектами управления становятся организационные или обладающие «свободой воли» плохо определенные или слабоструктурированные системы, то слабым звеном в этой цепочке является идентификация объекта управления и, как следствие, выявление критериев его управления. Именно таким объектом управления является система информационного обеспечения образовательного процесса. В этом случае для описания элементов системы в процессе построения модели используются понятия нечеткого множества, лингвистической переменной, распределения возможностей, нечеткого свидетельства [13].
Проектирование информационной системы (далее - ИС) - это трудоемкий, длительный и динамический процесс. В настоящее время применяются технологии проектирования с поэтапной разработкой системы.
Первым этапом является системный анализ, основными целями которого являются:
- формулировка потребности в ИС;
- выбор направления разработки и определение экономической целесообразности проектирования ИС.
На следующем этапе необходимо провести системный синтез, который предполагает разработку функциональной и системной архитектуры ИС, а также процедуру реализации проекта.
Для того, чтобы выполнить интеллектуальный анализ входных данных ИС, необходимо установить корреляции между причинно-следственными и временными связями событий.
Далее следует классификация ситуаций, позволяющая обобщать конкретные события и их классы, например определение типичного профиля абитуриента, поступающего на конкретную специальность, прогнозировать поведение обучающегося на протяжении всего периода обучения с учетом п-вариантов развития ситуаций.
ИС образовательного учреждения наглядно можно представить в виде полииерархической структуры, как совокупности вертикальных и горизонтальных срезов - «профилей», которые являются совокупностью нескольких (подмножеством одного) базовых стандартов (и нормативных документов). «Профили» имеют четко определенные и интегрированные подмножества обязательных и факультативных возможностей, предназначенных для реализации заданной функции или группы функций [14].
Вертикальную структуру системы образуют два среза - организационно-технологический и функционально-технологический, а горизонтальную три - организационно-функциональный, технологический и системно-технический. В функционально-технологическом профиле отражается взаимосвязь системно-организационной структуры функциональных или прикладных задач, программных и системно-технических средств
[15].
Чтобы верхний профиль системы не распадался, иерархию функций организационного управления в ИС связывают соответствующим прикладным уровнем (рисунок 3): управленческие
задачи => функциональные задачи; управленческие функции => функциональные комплексы задач; организационные функции => управляющие функциональные комплексы[14].
Процессы обработки, накопления, хранения и передачи информации в ИС производятся в соответствии с определенными информационными технологиями: предметными, проблемными, функциональными. В ИС эти технологии образуют второй профиль. Устойчивость этого профиля в структуре системы обеспечивают программные решения в следующей последовательности: предметные технологии => технологические решения; проблемные технологии => программно-технические решения; функциональные технологии => операции обработки информации.
Оба рассмотренных профиля опираются на последний нижний профиль ИС - системно-техническую среду [14 ], [15].
Современные информационные технологии существенно помогают образовательной организации получить преимущество в рыночных экономических условиях. В первую очередь эта помощь связана с необходимостью сбора информации, требуемой для эффективного управления образовательным процессом. Однако, обладание информацией - необходимое, но недостаточное условие для принятия правильного решения. Важно хорошо знать предметную область, обладать целым набором средств и методов обработки и анализа, механизмом выработки возможных вариантов решения задач управления и ранжирования их по степени влияния на достижение поставленной цели. Задачей руководителей или лиц, принимающих решения, является выбор наилучшего оптимального варианта [16], [17].
В настоящее время в высших учебных заведениях водного транспорта уже создана информационная среда, в которую входят системы сбора данных, сети передачи, вычислительная инфраструктура, программное обеспечение, базы данных, информационные хранилища и др.
Однако, так как эти системы не используются в полной мере, на руководящих работников вузов Росморречфлота обрушивается огромный объем слабо структурированной информации, который человеческий разум не способен своевременно проанализировать, а значит, возникают трудности в принятии правильных оптимальных управленческих решений.
Интеграция автоматизированных информационных систем управления с интеллектуальными системами позволяет значительно повысить качество управленческих решений для руководителей образовательных учреждений.
Использование средств интеллектуального имитационного моделирования, базирующегося на нейронных сетях и математической системе нечеткого вывода, обеспечивают возможность правильно оценить имеющиеся преимущества и недостатки, отыскать источники потенциала и направления усовершенствования для вузов Росморречфлота в условиях неопределенности. Имитационная модель поможет сократить время настройки ИС управления образовательным процессом, высвобождая ресурсы для решения новых и специфических задач. Найти, визуализировать и зафиксировать в готовом для последующего развертывания варианты реализации ИС управления, каждый из которых может быть выбран при переходе
ТЯАШРОЯТ БШТКЕББ Ш Яи88ТА | №5 2016 | 137
Рисунок 3. Организационно-функциональная структура ИС
на очередную ступень развития высшего морского образовательного учреждения.
Литература:
1. Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты (Конвенция ПДНВ) 1978 года / Принята Международной конференцией по подготовке и дипломированию моряков 7 июля 1978 года с поправками http://ibicon.ru/STCW_ guide_russian.pdf
2. Международные правила предупреждения столкновений судов в море (далее - МППСС-72) http://www.mppss.ru/rules/
3. Кодекс торгового мореплавания Российской Федерации от 30 апреля 1999 г. № 81-ФЗ / Принят Государственной Думой 31 марта 1999 года.- Одобрен Советом Федерации 22 апреля 1999 года https:// rg.ru/1999/05/05/morskoy-kodeks-dok.html
4. Международный кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения (Международный кодекс по управлению безопасностью (МКУБ). / Принят Резолюцией А.741(18) Ассамблеи Международной морской организации 4 ноября 1993 года.- 18 сессия, повестка дня, пункт 11 http://docs.cntd. ru/document/1900261
5. Шумский А.А., Шелупанов А.А. Основы системного анализа. Томск: В-Спектр, 2007. - 218 с.
6. Морская доктрина Российской Федерации на период до 2020 года / http://www.kremlin.ru/supplement/1800
7. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года / http://www.mintrans.ru/documents/detail.php?ELEMENT_ ГО=13008
8. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS.3-е зд. СПб.:Питер; Киев : Издательская группа БИУ, 2004.
847 с., ил.
9. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации / Пер. с польского И.Д. Рудинского. - М.: Финансы и статистика, 2002. - 344 с.
10. Левченко Н.Г. Модель информационной системы управления транспортно-логистическим процессом на морском транспорте с применением нечетких нейросетевых технологий : автореферат дис. ... на соискание ученой степени канд. техн. наук : 05.22.19 : /Наталья Георгиевна Левченко. - Владивосток:МГУ им.адм. Г.И. Невельского, 2014. 17 с.
11. Васильев, В.И. Имитационное управление неопределенными объектами / В.И. Васильев, В.В. Коваленко, Ю.И. Горелов : отв. Ред. Павлов В.В. : АН. УССР. Ин-т кибернетики - Киев : Наук. Думка, 1989. - 216 с.
12. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика / Д.А. Поспелов : Гл. ред. физ.-мат.лит. : М. : Наука, 1986. - 288 с.
13. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления / Д.А. Поспелов.- М. : Энергоиздат, 1981. - 232 с., ил.
14. Смирнова Г.Н. Проектирование экономических информационных систем. / Г. Н. Смирнова, А. А. Сорокин, Ю .Ф. Тельнов. - М.: Финансы и статистика, 2002. - 512 с.
15. Клещев Н.Т. Практическое руководство по организации и проектированию информационных систем / Н. Т. Клещев, А. А. Романов М.: - Изд-во ООО «Научтехлитиздат», 2001. - 389 с.
16. Морозов В.К., Рогачев Г.Н. Моделирование информационных и динамических систем. М.: Издательский центр «Академия», 2011. - 384 с.
17. Борисов А.Н. Принятие решений на основе нечетких моделей: Примеры использования / А.Н. Борисов, О.А. Крумберг, И.П. Федоров.- Рига : Зинатне, 1990. - 184 с.
138 ТЯАШРОЯТ BИSINESS Ш RИSSIA | 5 2016 |
