Исследование и разработка принципов построения сетевого комплекса для обучения в области геоинформационных систем на базе терминальной структуры с возможностью удаленного доступа

В настоящее время система образования во всем мире переживает переломный момент. Причем реформированию подвергаются не какие-то отдельные элементы, а вся инфраструктура образования в целом. Постоянно убыстряющиеся темпы научно-технического прогресса, многократно возросшие потоки информации, новые области наук, переоценка моральных ценностей — все это накладывает свой отпечаток в том числе и на учебно-образовательную деятельность. Складывающиеся веками традиции обучения сейчас глубоко переосмысливаются, вырабатываются совершенно новые принципы проведения учебной деятельности. Одним из таких принципов является открытое образование, которое находит все большее распространение во всем мире.

Если вкратце объяснить суть открытого образования, то она состоит в том, чтобы сделать процесс обучения во всех его аспектах максимально гибким, отвечающим интересам именно сегодняшнего дня. Для этого оно должно отвечать определенным требованиям, одним из важнейших которых является принцип географической и временной независимости. В настоящее время, когда тенденция во всем мире такова, что график жизни людей становится все более и более загруженным, доступ к получению образования, специальности, повышению квалификации и т. д., должен быть максимально удобным, быстрым, действенным. Одним из методов, который позволяет провести вышесказанное на практике, является дистанционное образование.

Нет необходимости какому либо образовательному учреждению открывать свои филиалы по всему миру, тем самым расходуя финансовые, человеческие, материальные ресурсы, если можно обойтись четко налаженной схемой дистанционного обучения, которая будет не менее действенна. С другой стороны, любой желающий сможет получить весь необходимый ему спектр образовательных услуг, где бы он ни находился.

Наряду с новыми появляющимися образовательными учреждениями, которые делают ставку именно на дистанционное обучение, его важность и действенность поняли и многие старейшие и уважаемые университеты мира и активно продвигают его как один из видов своей деятельности.

Существуют несколько способов реализации дистанционного образования, и все они базируются на каких-либо системах связи, будь то почтовая служба, телевизионное вещание и т. д. Однако самым действенным на сегодняшний момент остается способ, основывающийся на компьютерных сетях. Локальные вычислительные сети (ЛВС), имеющие выход в глобальную сеть (такую, как всем известный Интернет) — вот схема, по которой уже получили и получают образование миллионы людей. Инструментальная база этого способа настолько широка, что ее возможности кажутся поистине безграничными.

Более того, компьютеризированные комплексы на основе ЛВС широко используются во всех образовательных учреждениях, и объединив их функциональные возможности с функциями дистанционного обучения, можно получить эффективный инструмент с самыми широкими возможностями.

Например, «тонкие» клиенты от компании Sun, которые будут рассматриваться в данной работе, установлены в НАСА, Donnely Communications, ВМФ США, университетах Джорджа Вашингтона, Оксфорде, Стенфорде и Вестминстере, а также в Датском техническом университете, государственных начальных школах Амстердама, Cooperative Bank и многих других организациях. В России их использует сотовая сеть «Мегафон», мэрия Санкт-Петербурга, Балтийский завод, Инженерный центр Восточно-Сибирской железной дороги, Уральский электрохимический комбинат, «Татнефтегеофизика», а также ряд образовательных заведений, среди которых МГУ, МИФИ, МФТИ, ЛИТМО, СпбГТУ и многие другие.

Данная диссертационная работа посвящена выработке методологии и разработке одного из таких компьютерных комплексов на основе терминального класса оборудования, который будет использоваться для обучения геоинформационным системам, и будет учитывать его специфику и задачи.

Итак, цель работы: предложить терминальное решение для реализации аппаратно-программного комплекса, позволяющего проводить образовательные и научно-исследовательские работы в сфере эксплуатации и разработки ГИС.

Задачи, которые необходимо решить для достижения выбранной цели:

• Провести анализ сферы ГИС с целью выявления критериев, которым должно отвечать выработанное решение.

• Определить специфику образовательной сферы с тем, чтобы привести выработанное решение в соответствие с условиями учебного процесса.

• Провести обзор, классификацию и анализ возможных решений, определение преимуществ и недостатков каждого с тем, чтобы выбрать оптимальное.

• Разработать методологию, позволяющую конкретизировать варианты решений комплекса в соответствии с нужными критериями.

• Путём анализа выработать конкретные требования к характеристикам отдельных частей комплекса (аппаратной, программной).

• Выполнить экспериментальное построение комплекса и проанализировать результаты его практического функционирования.

В ходе работы, в первой главе проведён анализ специфики ГИС, влияющей на процесс информатизации образовательной деятельности и выработаны критерии, налагаемых этой областью. Затем проанализирована специфика образовательного процесса и выработаны требования, предъявляемые данной спецификой. После чего построен алгоритм реализации поставленной задачи и разработан механизм контроля соответствия хода работы и поставленной задачи.

Во второй главе рассмотрены основные пути реализации поставленной задачи и проанализированы функциональные схемы решений. После чего исследованы возможности, предоставляемые применением терминального метода и классифицированы терминальные методы решения, а также обоснован выбор оптимальной функциональной схемы.

В третьей главе разработаны принципы, логические схемы, варианты построения информационного взаимодействия между составляющими частями комплекса. После этого разработаны схемы реализации аппаратной части с применением математических методов расчёта, а также предложена методика использования программного обеспечения, системных приложений, организация информационных потоков.

В четвертой главе произведен выбор аппаратных решений на основе заявленных критериев соответствия и выявлены особенности их эксплуатации. Также произведен выбор программных решений на основе предложенной методики. И, наконец, рассмотрены и проанализированы результаты экспериментальной апробации комплекса, анализ их соответствия поставленной задаче.

В заключении подведены итоги проделанной работы и сделаны выводы о соответствии результатов работы поставленной цели.

4.4 Выводы и результаты экспериментального исследования обучающего комплекса.

В четвёртой главе были выполнены следующие задачи: На основе технических характеристик, которые выработаны в третьей главе, был произведен подбор конкретных аппаратных решений. В частности, произведено техническое воплощение центрального сервера и сервера Windows-приложений, обоснован выбор конкретных терминальных устройств, все эти элементы в ходе экспериментальных исследований были соединены в работоспособную терминальную сеть.

Далее было выбрано определенное программное обеспечение. Это и операционные системы, и служебные приложения, и пакеты ГИС. Выбор был произведен на основе разработанной в главе 3.3 трехуровневой модели взаимодействия информационных потоков.

Наконец, на данном комплексе была проведена экспериментальная апробация учебного процесса в области ГИС. Рассмотрю, как были выполнены в ходе этой апробации критерии, которые определены в главах 1.1 и 1.2:

Семь основных критериев сферы ГИС:

• возможность обработки больших объёмов информации (своп-область не менее 2Гб).

Цель была достигнута посредством обеспечения необходимых мощностных характеристик центрального сервера и сервера Windows-приложений. Экспериментальные работы, проведенные в пакете Arc View, подтвердили эту возможность.

• возможность пересылки по каналам связи больших объёмов информации (скорость канала не менее 100 Мбит/с).

Обеспечивается каналами связи с высокой (до 1 Гбит/с) пропускной способностью. Одновременная работа 12-ти пользователей не вызвала перегрузки каналов связи.

• работа с графической информацией, возможность обработки трехмерной графики (объем оперативной памяти не менее 256Мб).

Цель была достигнута посредством обеспечения необходимых мощностных характеристик центрального сервера, кроме того, так как данный комплекс позволяет работать с существующими приложениями в средах Win32 и Unix, то все операции по работе с графикой, которые возможно осуществить в данных приложениях, возможно осуществить в данном комплексе. В частности, использовались графические возможности пакета ArcGIS.

• возможность передачи по каналам связи информации в реальном времени (скорость канала связи не менее 1 Гбит/с).

Обеспечивается каналами связи с высокой (до 1 Гбит/с) пропускной способностью. Одновременная работа 12-ти пользователей не вызвала перегрузки каналов связи.

• совместимость с существующим программным обеспечением.

В комплексе установлены ОС Windows 2000 и Solaris 10, которые позволяют работать со всем спектром современного ПО — как ГИС-пакеты, так и текстовые и графические редакторы и прочие приложения.

• возможность многопользовательской работы с БД.

Эта возможность была в частности обеспечена установкой приложения ArcSDE, экспериментальные исследования подтвердили факт его нормального функционирования в данном комплексе. Специфика образовательной сферы:

• чёткая дифференциация функций обучающего и обучаемого Выполнение этого условия было обеспечено различием рабочих профилей пользователей в среде Solaris 10, в профиле преподавателя было прописано больше прав доступа и большие функциональные возможности, чем у обучаемых.

• возможность предоставления обучения не менее 12 человек одновременно.

В ходе эксперимента было установлено 12 терминалов Sun Ray 1, с возможностью их одновременной работы.

• обеспечение чёткого контроля преподавателя за всеми основными функциями комплекса.

Условия было достигнуто путём обучения преподавателя базовым навыкам администрирования терминального комплекса.

• информационная безопасность.

В ходе практической реализации комплекса информационная безопасность обеспечивалась применением смарт-карт, ограничением прав пользователей-обучаемых, применением криптографической защиты данных при пересылки по сети, централизованным хранением информации.

• простота обслуживания.

В ходе практической апробации комплекса для администрирования использовался веб-интерфейс, входящий в пакет Sun Ray Server Software 3.1, что позволило облегчить администрирование лицам, не имеющих глубоких познаний в области Unix-систем.

• оптимальное соотношение параметра «цена/функционалыюсть».

При модернизации и ремонте комплекса необходимо производить замену аппаратного и программного обеспечения не на всех рабочих станциях, а только на серверах, что выгодно отличает терминальный способ построения сети от других решений.

Таким образом, экспериментальными исследованиями были подтверждены теоретические результаты данной работы, обеспечено выполнение условий и критериев, составивших исходные условия работы, что позволяет определить практические результаты эксперимента как успешные.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении подведу итоги работы, проанализирую выполненные задачи и проведу оценку результатов данного исследования.

Цель работы, заключающаяся в том, чтобы предложить терминальное решение для реализации аппаратно-программного комплекса, позволяющего проводить образовательные и научно-исследовательские работы в сфере наук, связанных с ГИС, была достигнута. Путём системного подхода было разработано решение такого комплекса, заключающееся в системе критериев и требований, определяющих создание комплекса, а также в методологическом описании разработки и создания такого комплекса. Верность проделанной работы была подтверждена успешной практической реализацией данного комплекса.

В ходе работы, в первой главе проведен анализ специфики наук, связанных областью ГИС, влияющей на процесс информатизации образовательной деятельности и выработаны критерии, налагаемых этой областью. Затем проанализирована специфику образовательного процесса и выработаны требования, предъявляемых данной спецификой. После чего построен алгоритм реализации поставленной задачи и разработан механизм контроля соответствия хода работы и поставленной задачи.

Во второй главе рассмотрены основные пути реализации поставленной задачи и проанализированы функциональные схемы решений. Потом исследованы возможности, предоставляемые применением терминального метода и классифицированы терминальные методы решения, а также обоснован выбор оптимальной функциональной схемы.

В третьей главе разработаны принципы, логические схемы, варианты построения информационного взаимодействия между составляющими частями комплекса. После этого разработаны схемы реализации аппаратной части с применением математических методов расчёта, а также предложена методика использования программного обеспечения, системных приложений, организация информационных потоков.

В четвертой главе произведен выбор аппаратных решений на основе заявленных критериев соответствия и выявлены особенности их эксплуатации. Также произведен выбор программных решений на основе предложенной методики. И наконец рассмотрены и проанализированы результаты экспериментальной апробации комплекса, анализ их соответствия поставленной задаче.

В ходе исследования были решены следующие задачи:

Проведён анализ сферы геоинформационных систем с целью выявления критериев, которым должно отвечать выработанное решение, определены семь основных критериев: возможность обработки больших объёмов информации, возможность пересылки по каналам связи больших объёмов информации, работа с графической информацией, возможность обработки трехмерной графики, возможность передачи по каналам связи информации в реальном времени, совместимость с существующим программным обеспечением, возможность многопользовательской работы с БД.

Определена специфика образовательной сферы и выявлены следующие условия учебного процесса: чёткая дифференциация функций обучающего и обучаемого, возможность предоставления обучения не менее 12 человек одновременно, обеспечение чёткого контроля преподавателя за всеми основными функциями комплекса, информационная безопасность, простота обслуживания, оптимальное соотношение параметра «цена/функциональность».

Проведен обзор, классификация и анализ возможных решений путём математического метода, определены преимущества и недостатки каждого, выбран терминальный метод решения проблемы;

Разработана методология, позволяющую конкретизировать варианты решений комплекса в соответствии с нужными критериями, построены модели вариантов решений;

Путём анализа выработаны конкретные требования к характеристикам отдельных частей комплекса (аппаратной, программной).

Выполнено экспериментальное построение комплекса и проанализированы результаты его практического функционирования.

Информатизация системы образования является неотъемлемым условием повышения его эффективности, и предложенное решение безусловно способствует его росту в сфере наук в области геоинформационных систем. В том случае, если данная разработка будет введена в практическое использование, она послужит эффективным инструментом в образовании.