- Кафедра «Математическое обеспечение и применение

На правах рукописи
Нуждов Денис Игоревич
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
РАБОТЫ СТУДЕНТОВ В АРХИТЕКТУРЕ КЛИЕНТ-СЕРВЕР
Направление 231000.68 – «Программная инженерия»
Программа «Программное обеспечение вычислительной техники
и автоматизированных систем»
Автореферат
диссертации на соискание степени
магистра
ПЕНЗА 2014
Диссертация выполнена в государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Пензенский
государственный университет» на кафедре «Математическое обеспечение и применение ЭВМ».
Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры
«Математическое обеспечение и применения ЭВМ», г. Пенза
Шашков Борис Дмитриевич
Рецензент –
кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», заведующий кафедрой «Информационно-вычислительные системы», г.
Пенза
Васин Леонид Анатольевич
Защита диссертации состоится 25 июня 2014 года в 10.00 на заседании Государственной аттестационной комиссии кафедры «Математическое обеспечение и применение ЭВМ» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».
Секретарь ГАК
Ракова А. Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Учет контроля работы студентов является
одной из основных форм работы преподавателей. При использовании
бумажных носителей для проведения данного типа работ требуются
значительные материальные и временные затраты. В век интернета и
информации важно ускорить и облегчить процесс контроля посещаемости
занятий.
Переход на современные образовательные технологии диктует новый
подход к созданию и применению в учебном процессе более эффективных
средств поиска, обработки, хранения, предоставления и передачи
информации. В настоящее время, широкое применение в автоматизации
деятельности нашли мобильные технологии. Мобильные устройства, на
сегодняшний день, по характеристикам не уступают вчерашним
настольным компьютерам. Использование мобильного приложения
облегчит нагрузку на сервер. Подтвердив это результатами имитационного
моделирования, актуально создать информационную систему с толстым и
тонким клиентами, которая заменила бы журналы и архивы.
К настоящему времени имеется ряд систем, обеспечивающих
поддержку контроля работы студентов, таких как «JOURNAL 2.4»,
программа «Журнал преподавателя», система управления качеством
учебного процесса для работников СамГТУ, Компьютерная программа
«Учебный учет» и др.
Значительный вклад в решение проблемы создания современных
информационных систем, содержащих эффективные инструментальные
средства сбора данных, внесли Г. Уильман, И. Ф. Кодд, Дж. Маккенел, Т. Л.
Саати, А. Бергер, А. А. Барсегян и др. В развитие математических и
имитационных методов исследования характеристик информационных
систем наибольший вклад внесли Дж. Уолрэнд, А. К. Эрланг, А. А. Марков,
В. В. Крылов, В. Г. Башарин, В. Л. Брейдо, Б. С. Лившиц и др.
Цель работы. Создание высокопроизводительной системы контроля
образовательной деятельности студентов на основе толстого и тонкого
клиентов, и балансировки сервера.
Задачи исследования. В соответствии с целями решены следующие
задачи:
 провести имитационное моделирование системы контроля работы
студентов;
 провести исследование балансировки загрузки сервера в зависимости
от толщины клиента;
 разработать программное обеспечение системы контроля работы
студентов;
Объект исследования. Информационная система контроля работы
студентов с функциями, позволяющими оперативно получать, добавлять и
изменять информацию о студенте, группе студентов, преподавателе,
3
предмете, специальности, а также возможность просмотреть текущую
успеваемость, посещаемость, создать расписание занятий и экзаменов.
Методы исследования. Исследования основаны на теории
информационных систем, теории имитационного моделирования, теории
массового обслуживания.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) создана имитационная модель системы контроля работы студентов,
позволяющая получить оценки ее основных параметров;
2) выполнен анализ свойств имитационной модели системы контроля
работы, произведен переход к непрерывной цепи Маркова, что дало
возможность рассчитать основные характеристики системы;
3) проведены сравнительные измерения основных характеристик для
клиентов разной функциональной загруженности системы контроля
работы студентов, что позволит выбрать архитектуру системы в
зависимости от используемых технических средств.
Практическая значимость исследований. Полученные в
диссертации практические результаты позволяют значительно расширить
функциональные возможности информационной системы контроля работы
студентов в режиме удаленного доступа к ресурсам. Разработанная система
контроля работы студентов с толстым и тонким клиентом позволяют
уменьшить нагрузку на сервер. Информационная система контроля
деятельности студентов внедрена на кафедре «Математическое
обеспечение и применение ЭВМ» ФГБОУ ВПО «Пензенский
государственный университет».
Результаты, выносимые на защиту:
 имитационная модель системы контроля работы студентов;
 результаты сравнения основных характеристик системы при
взаимодействии
с
клиентами
разной
функциональной
загруженности;
 информационная система, которая позволяет получать, добавлять и
изменять информацию о студенте, группе студентов, преподавателе,
предмете, специальности, а также возможность просмотреть,
фиксировать текущую успеваемость, посещаемость, создать
расписание занятий и экзаменов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XXV Научнопрактическая конференция "Актуальные проблемы науки и образования",
(Пенза, 2014 г.); I Международная научно-практическая конференция
«Современные проблемы компьютерных наук (СПКН-2013)», (Пенза, 2013
г.), XVII Международная научно методическая конференция, посвященная
70-летию образования университета «Университетское образование
(МКУО-2013)» (г. Пенза, 11–12 апреля 2013 г.).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано
4
4 печатные работы: 1 статья в научном издании, статьи, опубликованные в
котором, учитываются ВАК как печатный труд, 3 статьи в материалах
российских и международных конференций.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех
глав, заключения, списка литературы, заключения и 5 приложений.
Диссертация изложена на 143 страницах, содержит 53 рисунка, 33 таблицы
и 60 страниц приложений.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость результатов диссертационного исследования, приведены
сведения об апробации работы и публикациях.
В первой главе дан обзор существующих информационных систем
контроля работы студентов, выполнена постановка задачи на разработку,
выбраны инструментальные средства проектирования, моделирования и
разработки информационной системы.
В системах контроля работы студентов обычно осуществляются
следующие виды работы: управление группами, т.е. создание,
редактирование удаление, управление списком студентов в группе;
просмотр, редактирование информации о студенте, удаление записи о
студенте и всей информации, связанной с ним; создание, редактирование
расписания, фиксирование данных о посещаемости и успеваемости
студента.
В обзоре существующих информационных систем показано, что системы контроля работы студентов, представленные в настоящее время,
чаще всего поставляются в конфигурациях, в которых задействован только
один из типов клиентов, либо являются узкоспециализированными и рассчитаны на использование в конкретном образовательном учреждении.
В диссертации описаны выбранные инструментальные средства и
технологии для проектирования информационной системы в нотации
UML, средства реализации серверной части, инструменты проектирования
и системы управления базами данных, среды разработки программного
обеспечения. Описаны технологии разработки клиентов в зависимости от
типа. Например, программное обеспечение, выполняемое в браузере пользователя реализовано с помощью языка программирования JavaScript, библиотеки jQuery, языка разметки html. Мобильное приложение разработано
с помощью базы данных SQLite, языка программирования – java.
Вторая глава посвящена разработке модели информационной
системы контроля работы студентов. Для моделирования информационных
систем класса «клиент-сервер» наибольшее распространение получили
подходы, основанные на положениях теории систем и сетей массового
обслуживания, теории сетей Петри. Анализ информационной системы
5
аналитическими методами выполняется на основе дискретных и
непрерывных цепей Маркова. При представлении используются
классические, стохастические и раскрашенные сети Петри. При этом
применяются аналитические методы и методы имитационного
моделирования.
Для
анализа
свойств
имитационной
модели
информационной системы предлагается использовать методику,
предложенную Афониным А. Ю., которая основывается на построении
системы массового обслуживания в виде непрерывной цепи, которая
адекватна модели системы в виде стохастической сети Петри.
Модель содержит три источника заявок, формируемых пользователями клиентских терминалов в процессе работы, сервер приложений и
сервер баз данных. Каждый источник генерирует поток заявок одного типа,
включая заявки на получение статического содержимого сайта
(изображения, HTML-страницы, таблицы стилей); заявки на получение
информации из базы данных; заявки на ввод информации в базу данных.
Имитационная модель информационной системы контроля работы
студентов в виде раскрашенной стохастической сети Петри приведена на
рисунке 1. Для моделирования обработки сервером заявок 3
перечисленных типов, в модель введены маркеры разной формы <▼ ♦ ■>.
Маркеры, обозначаемые в виде <●> обозначают обработку запроса
каналом сервера.
Рисунок 1 – Модель Web-сервера в виде сети Петри
Методика, предложенная Афониным А. Ю. реализована на основе
метода предельных точек. В соответствии с данным методом проведение
6
вычислительных экспериментов выполняется для вариантов исходных
значений параметров модели, обеспечивающих ее функционирование в
выбранных режимах. Выбор режимов осуществляется из условия достижения конечных результатов имитации, которые могут быть подтверждены
аналитическими методами. Методика обеспечивает проведение исследования «непрерывности» реакции модели по отношению к исходным данным,
на устойчивость, чувствительность и адекватность.
Для подтверждения результатов имитации аналитическими методами
предполагается, что поток заявок является однородным, отсутствует
раскраска. В результате модель преобразуется в стохастическую сеть
Петри, в которой циркулирует однородный ординарный поток заявок с
экспоненциальным распределением.
В соответствии с методикой, чтобы преобразовать сеть Петри
строится граф достижимости. Построение выполняется на основе
матричного описания <P, T, I, O, M>, где P – множество вершин; T –
множество переходов; I – функция входов; O – функция выходов; M –
матрица маркировки. На основе графа достижимости исследуется логика
функционирования процессов, в модели выявляются циклы.
После упрощения графа достижимости склеиванием вершин
достижимости, связанных отношением мгновенного перехода модели из
одного состояния в другое, получаем упрощенный граф достижимости. На
его основе строится непрерывная цепь Маркова.
Система уравнений Колмогорова, описывающая непрерывную цепь
Маркова, позволяет рассчитать основные характеристики системы.
В зависимости от выбранного клиента, интенсивность поступления
заявок на обслуживание составила λ = 10 для тонкого, λ = 6 для толстого
клиентов. Из-за того, что на толстом клиенте большая часть информации
хранится локально, уменьшается количество запросов на сервер, поэтому
интенсивность поступления заявок становится меньше. Как показывает
статистика, среднее время обработки одной заявки без учета раскраски
равно 0,5 с. Средняя интенсивность обслуживания заявок при этом
составляет μ= 2.
Исходя из анализа статистических данных при получении заявок от
тонкого клиента, с учетом раскраски заявки на получение статистического
содержимого сайта приходили с интенсивностью λ1 = 5, среднее время
обслуживания составило t1 = 0,15 c и интенсивность обслуживания была
равна μ1 = 6. Заявки на получение информации из базы данных приходили
с интенсивностью λ2 = 3, среднее время обслуживания составило t2 = 0,35 c
и интенсивность обслуживания была равна μ2 = 2,1. Интенсивность
поступления в систему заявок на ввод данных в базу данных, исходя из
статистики имитации, равнялась λ3 = 2, среднее время обслуживания
составило t3 = 0,75 c, а интенсивность обслуживания равна μ3 = 1,9.
При взаимодействии сервера с толстым клиентом, заявки на
7
получение
статистического
содержимого
сайта
приходили
с
интенсивностью λ1 = 3, заявки на получение информации из базы данных
приходили с интенсивностью λ2 = 1, интенсивность поступления в систему
заявок на ввод данных в базу данных λ2 = 2 и не изменились. Среднее
время обслуживания равны t1 = 0,2 c, t2 = 0,4 c, t3 = 0,7 c, а интенсивность
обслуживания составила μ1 = 5 , μ2 = 3 , μ3 = 2 соответственно для каждого
типа заявки.
На рисунке 2 представлен график трафика на выходе узла
обслуживания с интенсивностями поступления заявок λ1 = 5 c−1 , λ2 = 3 c−1 ,
λ3 = 2 c−1 для тонкого клиента, и интенсивностями обслуживания μ1 = 6 , μ2
= 2,1 , μ3 = 1,9.
Рисунок 2 – График трафика на выходе узла обслуживания для тонкого
клиента
Как показано на рисунке, при заданных характеристиках для тонкого
клиента, каналы с 10 по 15 остаются не загруженными. Среднее время
обслуживания заявок в системе вне зависимости от раскраски Tc = 0 ,329 ±
0,014 с. Среднее число заявок в системе Nc= 3,217 ± 0,121. Среднее число
одновременно используемых каналов в системе равно 5. Интегрированная
интенсивность поступления заявок в систему L = 9,766 ± 0 ,146.
На рисунке 3 представлен график трафика с интенсивностями
поступления заявок λ1 = 3 c−1, λ2 = 1 c−1 , λ3 = 2 c−1 для толстого клиента, и
интенсивностями обслуживания μ1 = 5 , μ2 = 3 , μ3 = 2.
8
Рисунок 3 – График трафика на выходе узла обслуживания для толстого
клиента
Для толстого клиента не загруженными остаются каналы с 8 по 15.
Среднее число заявок в системе Nc=1,982 ± 0,118. Среднее число
одновременно используемых каналов в системе равно 3. Интегрированная
интенсивность поступления заявок в систему L = 5,993 ± 0 ,139.
Опытная эксплуатация показала устойчивость функционирования
системы. В результате проведения нагрузочного тестирования системы
была проведена корректировка распределения нагрузки между клиентом и
сервером
информационной
системы
в
целях
повышения
отказоустойчивости системы.
В третьей главе приведено описание разработанной системы. Информационная система обеспечивает фиксирование успеваемости и посещаемости студентов; создание расписания и редактирование расписания
для каждого временного промежутка соответственно; формирование
структуры университета (ввод информации о факультетах, кафедрах, специальностях, учебных группах, студентах); администрирование учетных
записей; хранение полученных и обработанных данных.
Мобильное приложение в настоящий момент рассчитано только на
преподавателя, поэтому варианты использования для мобильного приложения ограничиваются подмножеством множества вариантов использования системы, включающее в себя только варианты использования преподавателя.
К основным достоинствам информационной системы контроля работы студентов следует отнести:
 исключение бумажных носителей в процессе фиксирования контроля работы студентов;
 увеличении мобильности за счет использования мобильного приложения;
 возможность централизованного хранения актуальных данных;
 возможность оперативного редактирования расписания (например, перенос занятия на другую дату).
9
Система рассчитана на эксплуатацию в сетях с поддержкой протокола HTTP. Так как система поддерживает два типа клиентов, то на стороне
клиента необходимо, либо наличие Web-браузера, поддерживающего JavaScript, независимо от операционной системы, либо установленное приложение на операционную систему Android. Серверная часть системы рассчитана на работу под управлением Web-сервера Apache. В качестве сервера
базы
данных
может
быть
использован
MySQL.
К аппаратной части системы предъявляются требования в зависимости от
максимально возможной планируемой загрузки.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Приложения содержат листинги реализации серверной, клиентской
частей, мобильного приложения, листинги имитационной модели в математическом пакете MathCAD, результаты проведенных экспериментов,
подробное описание атрибутов сущностей логической и физической моделей базы данных, диаграммы проектирования системы в нотации UML.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1) разработана имитационная модель информационной системы контроля работы студентов;
2) произведено сравнение основных характеристик системы при работе
сервера с клиентами разной функциональной загруженности;
3) разработана информационная система с клиентами разной функциональной загруженности, которая позволяет получать, добавлять и
изменять информацию о студенте, группе студентов, преподавателе,
предмете, специальности, а также возможность просмотреть, фиксировать текущую успеваемость, посещаемость, создать расписание
занятий и экзаменов;
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 Нуждов, Д. И. Архитектура системы контроля работы студентов /
Д. И. Нуждов, Б. Д. Шашков // Университетское образование (МКУО2013): сб. ст. XVII Междунар. науч.-метод. конф. – Пенза: Изд-во ПГУ,
2013
2 Нуждов, Д. И. Система контроля работы студентов / Д. И. Нуждов,
Б. Д. Шашков // Современные проблемы компьютерных наук (СПКН2013): сб. материалов I Междунар. науч.- практ. конф. – Пенза: Изд-во
ПГУ, 2013. – С. 211–212.
10
3 Нуждов Д.И. Построение и исследование имитационной модели
системы контроля работы студентов / Б. Д. Шашков, Д. И. Нуждов // Молодой ученый. — 2014. — №6. — С. 274-277.
4 Нуждов, Д. И. Имитационное моделирование системы контроля
работы студентов при взаимодействии с клиентами разной функциональной загруженности / Д. И. Нуждов, Б. Д. Шашков // Актуальные проблемы
науки и образования: материалы конф. XXV Междунар. науч.-практ. конф.
– Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. – С. 94–99.
11