Инновационная учебно-исследовательская среда моделирования информационных процессов

Вид материала

Документы

Содержание 2. Современное состояние комплекса 3. Основные направления формирования учебной среды 4. Перспективы развития лаборатории

Подобный материал:

• Программный комплекс master professional интегрированная среда визуального компьютерного, 105.94kb.
• Тенденции развития современных информационных технологий приводят к постоянному возрастанию, 76.61kb.
• С. В. Рощин, С. М. Аракелян, 45.21kb.
• Реферат: Вработе рассматривается среда моделирования распределенных многопроцессорных, 93.04kb.
• Название доклада, 86.55kb.
• Особенности социолого-математического моделирования в исследовании социальных процессов, 547kb.
• 1. Основные понятия теории моделирования, 279.51kb.
• Математические модели в иммунологии и вирусологии, 23.06kb.
• Удк 519. 06, 28.91kb.
• Программа дисциплины Имитационное моделирование экономических процессов Семестры, 11.15kb.

Инновационная учебно-исследовательская среда моделирования информационных процессов

Е.И. Веремей, Т.А. Лепихин,
Санкт-Петребургский государственный университет, факультет Прикладной математики – процессов управления
veremei@vrm.apmath.spbu.ru, Timurek82@gmail.com

1. Введение

На факультете ПМ-ПУ СПбГУ осуществляется подготовка высококвалифицированных специалистов, способных решать сложные прикладные задачи с использованием математических и компьютерных методов [1]. В связи с бурным развитием информационных технологий, производится постоянная корректировка процесса обучения, вовлечение в него новых идей и методов, непрерывная разработка новых учебных курсов. Очевидно, что только своевременная реакция на появление наукоемких инноваций позволяет Российскому образованию удерживаться на передовом уровне в области информационных и компьютерных технологий.

В последнее время стала заметно ощущаться потребность в изучении студентами ряда специальных дисциплин, не входящих в круг проблем прикладного и системного программирования и теории микропроцессорной реализации, однако составляющих неотъемлемую часть компьютерных технологий.

Среди них наиболее существенными являются вопросы эффективного использования современных математических пакетов прикладных программ, проблемы компьютерного моделирования процессов управления, множество аспектов создания эффективных компьютерных систем анализа и синтеза решений и ситуаций, задачи управления различными объектами, проблемы сбора и обработки информации с использованием компьютеров.

С другой стороны, соответствующие вопросы традиционно не включаются в учебные планы подготовки математиков и специалистов по информационным технологиям, обучение которых осуществляется на факультетах прикладной математики классических университетов.

Определенные изменения в рамках отмеченных проблем могут быть реализованы при формировании новых образовательных стандартов и программ по направлению "Информационные технологии", разработка которых осуществляется факультетом ПМ-ПУ СПбГУ в тесном сотрудничестве с факультетом ВМиК МГУ им. Ломоносова.

Заметим, что развитие системы ИТ-образования предполагает создание не только стандартов, программ, методических материалов, но и целых программно-аппаратных комплексов, на базе которых можно было бы проводить предметную подготовку востребованных специалистов в области компьютерных и информационных технологий.

В рамках инновационного образовательного проекта "Информационные технологии" в 2006-2007 гг. на факультете был создан ряд учебно-научных лабораторий, ориентированных на подготовку высококвалифицированных специалистов в компьютерной области. Одной из них является лаборатории компьютерного моделирования информационных систем при кафедре компьютерных технологий и систем.

Целью данной статьи является рассмотрение общей стратегии формирования специализированной учебно-исследовательской среды для подготовки студентов на базе указанной лаборатории.

2. Современное состояние комплекса

В настоящее время лаборатория компьютерного моделирования информационных систем успешно решает задачи, связанные с проведением учебного процесса в области компьютерных технологий и информационно-управляющих систем по программам подготовки бакалавров и магистров в рамках направлений "Прикладная математика и информатика" и "Информационные технологии".

Лаборатория построена на базе промышленных компьютеров компании Advantech, которые работают с большим количеством внутренних и внешних модулей для сбора, обработки и анализа информации. Кроме того, используется достаточно много отдельных внешних модулей компании Adam и микропроцессоров Advantech, предназначенных для обработки аналоговых и цифровых сигналов, поступающих от внешних источников.

Указанное оборудование позволяет сформировать несколько рабочих стендов, позволяющих отрабатывать на практике различные методы сбора аналоговой и цифровой информации, передаваемой в компьютер, а также осуществлять преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму и наоборот.

Кроме упомянутого аппаратного оборудования и соответствующих физических устройств, в состав комплекса входит лицензионное системное и инструментальное программное обеспечение, облегчающее взаимодействие с аппаратной частью. Системная поддержка обеспечивается операционной средой MS Windows XP Professional Edition, а в качестве инструментальных средств установлена среда MATLAB и программный пакет LabView.

Основную роль в формировании учебно-исследовательского комплекса играют специализированные объекты управления, подключаемые к промышленным компьютерам с использованием соответствующего аппаратного и программного интерфейса.

В рамках инновационной программы «ИТ-образование» СПбГУ, входящей в состав национального проекта "Образование", для лаборатории закуплены 12 объектов управления, к которым относятся:

• человекоподобный робот RBT-1 японской фирмы Futaba;
  
• робот-манипулятор канадской фирмы Parallax;
  
• блок удержания шарика в магнитном подвесе фирмы Quanser;
  
• горизонтальный пружинный маятник фирмы МКС (4 шт.);
  
• шарик на наклонном желобе с изменяемым углом установки (фирмы МКС) (5 шт.).
  

Заметим, что все указанные объекты представляют собой достаточно сложные системы с функциональной точки зрения, но, в то же время, не требующие особых усилий по техническому обслуживанию. Это определяет возможность их использования в учебном процессе на математическом факультете как достаточно содержательных и нетривиальных управляемых динамических объектов с функциональной точки зрения при практически нулевых затратах на содержание.

Человекоподобный робот RBT-1 представляет собой очень сложный, но в то же время компактный механизм, объединяющий двадцать сервомоторов, управляющих двадцатью шарнирами. При взаимодействии с роботом через управляющий компьютер открываются широкие возможности по практической реализации различных методик, математических подходов и программных средств, постоянно развиваемых и используемых на факультете ПМ-ПУ в рамках научной и учебной работы.

В частности, возможно создание многочисленных лабораторных работ по следующим направлениям:

• программирование различных движений механических объектов в форме лабораторных работ для студентов младших курсов;
  
• математическое моделирование многозвенных управляемых механизмов в форме научных исследований и лабораторных работ для студентов старших курсов, бакалавров и магистрантов.
  

Робот–манипулятор фирмы Parallax представляет собой менее сложную систему, нежели робот RBT-1, однако вызывает не меньший интерес как объект управления. Манипулятор имеет шесть сервоприводов, отвечающих за свою ось вращения с диапазоном поворота не меньше 180. Это устройство может захватывать различные легкие предметы и перемещать их в пределах радиуса своего действия. Программирование объекта управления происходит с помощью достаточно удобного программного специализированного обеспечения.

При использовании этого устройства в учебном процессе студенты учатся создавать математические модели различной сложности. В данном случае, на примере манипулятора можно формировать объекты управления с различным количеством осей поворота. Для бакалавриата и магистратуры по направлению «Информационные технологии» взаимодействие с такими объектами сводится к различным аспектам программирования необходимых движений и обмена информацией с манипулятором в ходе реализации этих движений. В предельном варианте возможно построение «умного» манипулятора с элементами искусственного интеллекта.

Установка Quanser Magnetic Levitaion, реализующая управление шариком в магнитном подвесе, представляет собой блок с электромагнитом и оптическим датчиком. Под действием магнитного поля шарик парит в воздухе, а с оптического датчика возвращается сигнал, характеризующий относительную высоту положения шарика. С помощью компьютера можно управлять различными характеристиками объекта управления, в частности силой тока электромагнита, задавая различные командные сигналы, которые должен будет отрабатывать шарик.

На базе этой установки представляется возможным моделировать и исследовать многочисленные вопросы теории управления и ее приложений, в частности – изучать вопросы информационной диагностики и стабилизации плазмы в токамаках.

Горизонтальный пружинный маятник представляет собой платформу, вращающуюся с помощью сервопривода в диапазоне 150. На платформе установлена планка – сам маятник, который свободно вращается относительно платформы. Движение маятника сдерживают две пружины, закрепленные на платформе по бокам маятника. При неуправляемом повороте платформы начинаются колебания маятника, а целью управления служит демпфирование этих колебаний.

На базе данного объекта студенты могут синтезировать управление с различными вариантами обратной связи, стабилизирующее колебательное движение маятника. В общей сложности доступно множество подобных задач, которые можно варьировать с помощью определенного способа установки горизонтального маятника.

Аналогичные возможности предоставляет и установка с шариком на наклонном желобе. Примером одной из задач, которые вполне доступны для студенческих исследований, может служить синтез оптимального (в определенном смысле) стабилизирующего управления, которое будет фиксировать шарик на желобе в заданном студентом положении.

Имеющиеся объекты управления успешно взаимодействует с современными программными пакетами, в частности с пакетами MATLAB и LabView, что предоставляет практически неограниченные возможности по моделированию, анализу и синтезу соответствующих алгоритмов управления и обработки информации. Методологические особенности применения программного пакета MATLAB в учебном процессе представлены в работе [2].

В данное время учебный процесс ведется на десяти полностью укомплектованных учебных местах. Каждое из них оборудовано одним модельным объектом управления, промышленным компьютером и дополнительными внутренними и внешними устройствами обработки сигналов. На каждом компьютере установлено как новейшее узконаправленное программное обеспечение для работы только с модулями сбора информации, так и инструментальное программное обеспечение более широкого профиля для обработки получаемых данных и моделирования объектов различной сложности.

3. Основные направления формирования учебной среды

На базе существующей лаборатории компьютерного моделирования информационных систем факультета ПМ-ПУ предполагается разработка и реализация программно-методического комплекса, обеспечивающего использование современных компьютерных и образовательных технологий для проведения практических, лабораторных и научно-исследовательских работ студентов и аспирантов. Разработку комплекса предполагается осуществлять по следующим направлениям:

• Формирование математических моделей объектов управления, входящих в комплект имеющегося оборудования.
  
• Построение реализующих их компьютерных моделей для всех объектов, включая элементы сбора и обработки информации.
  
• Построение программного обеспечения на базе современных пакетов MATLAB и LabView для поддержки наглядного взаимодействия обучающихся со средой при проведении практических и лабораторных работ и научных исследований.
  
• Написание инструкций, учебных пособий и других методических материалов для реализации учебного процесса.
  

Предполагается также проведение работ по поддержке удаленного доступа к комплексу с использованием технологий локальных и глобальных сетей.

Основу концепции разработки комплекса составляет единство содержательных постановок решаемых задач для реальных объектов, формализующих их математических моделей и современного программного обеспечения для проведения исследований и разработок.

В результате проведения указанных мероприятий ожидается повышение качества и эффективности образования за счет интенсификации образовательного процесса, что обеспечивается предоставлением гибкого и эффективного инструментария для успешного моделирования и исследования сложных информационно-управляющих систем.

В основе предлагаемой концепции лежат современные методики проведения учебно-научных исследований на базе передовых аппаратных и компьютерных технологий. Особая значимость комплекса состоит в нетрадиционном подходе к подготовке специалиста на математическом факультете классического университета.

Суть подхода определяется составом профессиональных компетенций специалиста, обучающегося по направлениям "Прикладная математика и информатика" и "Информационные технологии". В основу соответствующих образовательных стандартов положены следующие знания и навыки, достаточные для проведения самостоятельной научно-исследовательской работы в сфере компьютерных технологий, которыми должен владеть выпускник факультета на профессиональном уровне:

• формулировать содержательные постановки задач, связанных с
  информационно-управляющими процессами и системами;
  
• ставить формализованные задачи, соответствующие содержательным постановкам и допускающие практическое использование;
  
• выбирать известные аналитические методы решения поставленных задач, при необходимости – модифицировать их или разрабатывать новые методы;
  
• осуществлять алгоритмическую поддержку аналитических методов, формировать реализующие их вычислительные схемы;
  
• обеспечивать компьютерную реализацию алгоритмической поддержки с использованием современных компьютерных технологий;
  
• реализовывать разрабатываемые алгоритмы в реальном масштабе времени;
  
• проводить аналитические, численные и экспериментальные исследования особенностей и свойств информационных систем и процессов;
  
• интерпретировать результаты исследований и экспериментов, видоизменять и уточнять на их основе содержательные и формализованные постановки задач.
  

Учебная работа на факультете прикладной математики – процессов управления предполагает углубленную подготовку студентов в области решения прикладных задач теории управления динамическими объектами с использованием современных компьютерных технологий.

В связи с этим приобретает особую актуальность выработка устойчивых навыков по практическому применению теоретических математических и программистских знаний. Однако непосредственный выход на реальные объекты информационных и управляющих систем требует больших затрат и связан с определенными рисками. Это и определяет особую значимость модельных объектов управления, на которых можно увидеть реальные недостатки и неточности в построении алгоритмов, понять причины неполадок, оперативно их исправить – и таким образом отладить систему.

Каждый модельный объект управления, представленный в комплексе, определяет широкий спектр задач, которые можно поставить и соответственно решить при подготовке специалистов по указанным направлениям на факультете ПМ-ПУ.

Следует ожидать, что создание новых возможностей в обучении увеличит долю иностранных учащихся в системе высшего образования, в том числе обучающихся на коммерческой основе. При этом совершенствование системы непрерывного образования с использованием дистанционных технологий приведет к снижению себестоимости обучения за счет широкой доступности лучших образовательных ресурсов.

4. Перспективы развития лаборатории

Естественно, что реализация плана формирования предлагаемой инновационной образовательной среды потребует определенной модернизации как аппаратного, так и программного обеспечения лаборатории.

В дальнейшем планируется дополнение некоторых существующих модельных объектов управления различными датчиками, чтобы была возможность ставить и решать задачи управления с обратной связью. В частности, на текущий момент у робота нет обратной связи. Соответственно в задаче столкновения робота с преградой он никак на нее не отреагирует, а в реальной жизни отсутствие реакции недопустимо и, более того, может привести к нежелательным последствиям.

В качестве примера, рассмотрим возможные варианты включения в систему различных датчиков и варианты постановок соответствующих задач с учетом их использования.

• Портативная видеокамера. Может применяться для решения задачи распознавания движущегося или статичного препятствия. Также может ставиться задача динамического измерения внешних возмущений.
  
• Ультразвуковой сенсор. Наличие такого сенсора позволяет решать задачу об оценке расстояния до статического или динамического препятствия.
  
• Сенсор прикосновения («Touch-sensor»). Задача непосредственного контакта объекта управления с другим объектом управления или препятствием.
  
• Инфракрасный сенсор. Задача распознавания объектов по их тепловым характеристикам.
  
• Звуковой сенсор. Задача распознавания звука. В том числе реакции на звуковые, в частности голосовые команды.
  
• Датчик света. В зависимости от насыщенности света реакция объекта управления будет различной.
  

Естественно, что возможны и другие типы сенсоров, следовательно, существует огромное количество интересных и достаточно сложных задач, которые предстоит поставить и решить преподавателям и студентам факультета ПМ-ПУ на базе лаборатории компьютерного моделирования информационных систем.

Литература

1. Андрианов С.Н., Веремей Е.И. О ходе подготовки бакалавров по направлению «Информационные технологии» на факультете ПМ-ПУ СПбГУ. //Тр. Первой международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование». – М.:МАКС Пресс, 2005. – С. 92–98.
   
2. Веремей Е.И. Система MATLAB в учебном процессе для специалистов по теории управления и информационным технологиям. //Тр. Первой международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование». – М.:МАКС Пресс, 2005. – С. 516–523.