Разработка образовательной среды для дистанционного обучения по дисциплинам Компьютерная графика и Системы искусственного интеллекта. Геометрические преобразования

трудоемкости написания программы, а также существенному снижению гибкости.

Реализованный в разработанной системе способ решения геометрических задач с

помощью продукционных систем позволил добиться абсолютной гибкости, т. е.

преподаватель может вводить в курс все возможные задачи. Подобный подход

позволяет таким образом построить выполнение задач геометрических

преобразований, что становиться возможным реализовать все возможные

преобразования в одном механизме вывода за счет использования

соответствующей базы знаний.

Разработанный способ используется в системе для решения следующих

подзадач: во-первых, он заложен в саму программу для выполнения постоянно

необходимых преобразований; во-вторых, на примере этого метода построено

обучение по курсу "Продукционные системы", что весьма положительно, т. к.

предмет осваивается обучаемым на конкретном примере из той области, с

которой он ранее ознакомился с другой стороны.

2. 2. Постановка задачи

Для обеспечения функционирования разработанной системы дистанционного

образования во всех предусмотренных режимах необходимо было решить

следующие задачи:

1) теоретического плана:

- разработка способа представления информации о трехмерных

геометрических объектах. Установление связей в разрабатываемых

структурах и формальное описание преобразований, представленных таким

образом;

- разработка универсального метода получения геометрических

преобразований объектов на основе разработанного механизма вывода;

- разработка способов обучения методам геометрических преобразова

ний, как примера использования продукционных систем.

2) Практического плана:

1. реализация разработанного универсального способа получения гео

метрических преобразований на основе продукционных систем;

2. разработка блока демонстрации формирования последовательности

преобразований и контроля действий обучаемым;

- разработка блока выдачи задания обучаемому для самостоятельной

работы с учетом уровня сложности и блока контроля правильности

выполнения полученного задания.

2. 3. Обоснование выбора подхода и метода решения поставленной задачи

В основе разработанной системы лежит использование продукционных систем

для решения задач геометрических преобразований. Основные доводы в пользу

такого выбора:

1) Как отмечалось выше в главе анализа существующих подходов, алго

ритмические методы нахождения последовательности геометрических

преобразований явно неэффективны, следовательно необходим дру

гой подход.

2) Использование связки "Продукционные системы + геометрические

преобразования" выгодно с той точки зрения, что эти два понятия

легко связать в единую работающую систему.

3) Разрабатываемая программа становится компактной, легкоизменяе

мой только за счет изменения базы знаний.

4) Механизм вывода при работе с используемым представлением объек

тов очень прост.

5) Реализация универсального метода нахождения всех возможных по

следовательностей геометрических преобразований в данном случае

значительно упрощается.

6) Построение учебного материала по курсу "Продукционные системы"

на основе заложенных в системе методов довольно наглядно, позво

ляет использовать те же примитивы, что и для курса "Геометрические

преобразования", позволяет осуществить легкий переход от одного

учебного курса к другому, следовательно легко освоить "Продукци

онные системы" и пополнить свой опыт в графике.

7) Использование продукционных систем, и одного и того же механизма

вывода позволяет реализовать визуализацию информации о графиче

ском объекте, организовать построение новых структур подобного

рода самим обучаемым, организовать контроль этого процесса как

частично, так и для всей совокупности структур в целом, т. е. реализо

вать все практические задачи, поставленные выше.

3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

3. 1. Разработка моделей и алгоритмов решения

Как было отмечено в п. 2. 1., имеется множество различных вариантов

геометрических преобразований. Решение данной задачи напрямую не только

неэффективно, но и громоздко. Поэтому был выбран другой путь, основанный на

использовании представлений знаний продукционными системами.

Для обеспечения возможности использования продукционных систем

разработан новый способ представления информации о трехмерных

геометрических объектах. Элементарные геометрические примитивы представлены

в виде фактов базы знаний.

Работа блока получения продукций строится следующим образом.

1) Исходная модель трехмерного графического объекта, заданная произвольно

(посредством прямых, точек или их комбинаций), анализируется и преобра

зуется в унифицированное представление точками, затем система обращает

ся к соответствующей базе знаний и достраивает механизм вывода до полу

чения необходимых для решения задачи фактов.

2) Для получения требуемой последовательности разработанный блок обраща

ется к базе знаний и, в зависимости от задания, вновь перестраивает меха

низм вывода, после чего запускает его.

3) Получение требуемой последовательности осуществляется путем выборки

необходимых фактов и их последующей подстановки в правила. В результа

те срабатывания правила в базу знаний добавляются новые факты, и процесс

повторяется.

Реализованный механизм вывода использован также для решения остальных

поставленных задач, а именно:

1. демонстрация формирования последовательности выполняемых пра

вил; отображение использованных и добавленных новых фактов в

обучающем режиме раздела «Продукционные системы»

2. контроль действий обучаемого в контролирующем режиме разделов

"Геометрические преобразования" и "Продукционные системы".

В первом случае работа блока получения любого отношения практически не

изменяется. Программа так же производит дополнительную настройку механизма

вывода и формирует формализованное представление объекта, затем получение

последовательности правил происходит по шагам с выдачей к визуализации

используемых преобразований и их взаимного расположения.

Во втором случае система действует несколько иначе. Механизм вывода сразу

получает последовательность правил, после их интерпретации обработчиком

получается результирующая матрица преобразований, на которую затем

умножаются все точки объекта.

3. 2. Разработка программных средств

Для реализации поставленных задач первоначально была запрограммирована

разработанная система хранения фактов и правил в базе знаний. Она была

представлена как совокупность таблиц, составляющих единую базу знаний

Входная информация для блока получения продукций представлена в виде

таблицы, в которой хранятся факты и правила, необходимые для работы

механизма вывода продукционных систем.

Для обеспечения возможности многократного использования обучаемым одной

и той же модели в процессе обучения, а так же для обеспечения проверки

выполняемых заданий разработан блок перегенерации способа задания

геометрических примитивов для приведения ох представления в системе к

унифицированному виду. Он запускается каждый раз при выборе задания и

приводит представление геометрических примитивов к виду, необходимому для

работы механизма вывода. При этом в базу фактов могут быть внесены новые

факты.

Для обеспечения гибкости разработанного механизма вывода его программная

часть содержит ряд перенастраиваемых параметров, которые изменяются самой

программой в процессе ее работы в зависимости от текущей задачи. Параметры

настройки механизма вывода вынесены в простейшую по своей структуре базу

знаний. База знаний разбита на два элемента, хранящихся в отдельных файлах.

Информация в этих файлах храниться в формате таблиц Dbase, что значительно

облегчает ее редактирование и дополнение при необходимости. Процесс работы

блока получения последовательности действий с базой знаний следующий:

1) После анализа задания, выданного пользователю, система выбирает из

базы графических примитивов необходимые элементы, рассматривае

мые системой далее как факты.

2) Производится перебор существующих правил, хранящихся в базе пра

вил (rights. dbf, if_m. dbf, proc. dbf, param. dbf). На каждом шаге

система

пытается подставить в правило выбранные на предыдущем шаге фак

ты и в случае успеха выполняет соответствующую правилу процеду-

ру.

3) После нахождения последовательности элементарных геометрических

преобразований для совмещения примитива с соответствующим ему

элементом системы координат система выполняет преобразование,

описанное в задании относительно соответствующего элемента системы

координат.

4) В последовательность геометрических преобразований добавляются

действия для возврата примитива в исходное положение.

На базе разработанного механизма вывода построен блок обеспечения работы

обучающего и контролирующего режимов раздела "Продукционные системы". При

работе пользователя в этих режимах наряду с выводом на экран

последовательности геометрических преобразований, выводятся выполненные

правила, которые наглядно показывают процесс формирования требуемой

последовательности действий. Использование механизма вывода для

продукционных систем состоит в том, что на его основе производится выборка

и взаимная ориентация необходимых в каждый конкретный момент элементарных

геометрических преобразований.

Для обеспечения работы СДО в предусмотренных режимах был разработан блок

выдачи заданий обучаемому. При этом задания, выдаваемые в разделе

"Геометрические преобразования" не отличаются от заданий, выдаваемых в

разделе "Продукционные системы". Задания обучаемому генерируются системой

случайным образом, что в совокупности с перегенерацией способа задания

опорных элементов практически исключает повторы системы при повторной

работе в прежнем режиме одного и того же пользователя. Кроме того, в блоке

выдачи задания все возможные варианты задач распределены по уровням

сложности. Так как большинство режимов СДО строится на выполнении именно

практических заданий, через данный блок стало возможным устанавливать

уровни сложности для работы с конкретным обучаемым по его желанию.

Задания распределены по уровням сложности исходя из сложности построения

алгоритма получения требуемого преобразования (см приложение 6)

При работе обучаемого в контролирующем режиме его задачей является

выполнение выдаваемых системой заданий, т. е. формирование требуемой

последовательности преобразований. Для обеспечения контроля действий

обучаемого, корректировки его работы, привития практических навыков и

проверки выполнения задания для самостоятельной работы был разработан

контролирующий блок. В его задачу входит контроль правильности

результирующего преобразования.

Первоначальная версия реализации механизма вывода со всеми

обеспечивающими функциями занимала порядка 3000 строк исходного текста,

однако в последующих версиях ее размер сокращен до 1000 строк. С учетом

подключения к механизму вывода других блоков (о чем говорилось выше) размер

реализации составил 1400 строк исходного текста. Отметим, что размер только

одной алгоритмической реализации блока получения любой последовательности

преобразований с учетом многообразия входных данных составил бы около

7000 строк исходного текста без учета размеров всех остальных требуемых

блоков. При этом реализация вспомогательных блоков (выдачи задания,

контроля и т. д. ) на базе созданного блока получения отношений уже

невозможна, что еще более увеличивает суммарный объем программы. Так как

разработанная система является системой дистанционного образования, то

связь обучаемого и преподавателя обеспечивается через линии коммуникации

(например телефонная сеть). При этом размер передаваемых данных является

довольно существенным моментом. Концепция построения рассматриваемой СДО

"Геометрические преобразования/Продукционные системы" в целом направлена

именно на минимизацию размера передаваемых по коммуникационным каналам

данных.

3. 3. Разработка программной и эксплуатационной документации

Разработанный программный продукт сопровождается следующими документами

(с указанием номера приложения):

1) "Техническое задание" Приложение 1

2) "Руководство оператора" Приложение 2

3) "Описание применения" Приложение 3

4) "Руководство программиста" Приложение 4

5) "Программа и методика испытаний" Приложение 5

4 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4. 1. Расчет себестоимости программы

Себестоимость программы рассчитывается по формуле:

(Пнр х Зпр)

Спп = Зпр + Мэ + —------------— + Сотл

100%

где Зпр - заработная плата программистов, руб;

Мэ - стоимость материалов на эксплуатационные

нужды, руб;

Пнр - процент накладных расходов, %; Сотл - затраты по отладке программы,

руб.

Заработная плата программистов определяется по следующей формуле:

Зпр = tpi х Зосн х ( 1 + Адоп )х( 1+ Асн)

где tpi - трудоемкость работ i-го разработчика, чел-мес: Зосн - основная

заработная плата i-го разработчика,

руб/мес;

Адоп - коэффициент дополнительных выплат разработчикам; Асн - коэффициент

учитывающий отчисления на

социальные нужды. n - число разработчиков программного продукта, чел.

Трудоемкость разработки программного продукта:

1. 2

tp. п. = 2. 8 х ( Nтик )

где Nтик - число тысяч исходных команд. Nтик = 4. 5;

1. 2

tрп = 2. 8 х ( 4. 5 ) = 17. 02 чел. -мес.

Продолжительность разработки программного изделия:

0. 32 0. 32

Т = 2. 5хtрп =2. 5x17. 02 = 6. 19 месяцев.

n=tрп- - количество разработчиков

Т

n= 17.02/6.19 = 3 человека, в том числе 2 инженера-программиста и 1

руководитель разработки.

Заработная плата программистов:

Зинж =150 руб. Зрук = 400 руб.

Трудоемкость работ каждого разработчика:

tp инж = 17. 02 х 0. 35 = 5. 957 tp рук = 17. 02x0. 3 =5. 100

Адоп = 0. 25 Асн =0. 39

Зпр = 2 х (5. 957 х 150 х (1+0. 25) х (1+0. 39)) + + 5. 10 х 400 х (1+0.

25) х (1+0. 39) = 5524 руб.

Затраты по отладке программы определяются по форм Сотл = Тотл х Смч,

где Тотл - трудоемкость отладки;

Смч - стоимость одного машина-часа.

Трудоемкость отладки:

qхСх( 1 +Р)

Тотл. =

5хК

где: q - количество операторов;

С - уровень сложности программы;

Р - число корректировки;

К - коэффициент подготовки программиста;

q = 4481 С = 0. 6 Р = 0. 05 К=1. 2

3291 х 0. 6 х (1+0. 05)

Тотл = = 471 часов.

5x1. 2

Смч =12 руб.

Сотл= 12x471 =5652 руб.

Таблица 4. 1. 1 Стоимость материалов

|Материал |Кол-в|Ед. |Цена |Сумма|

| |о |изм. | | |

|Бумага |0. 5 |Пачка |40 руб.|20 |

| | | | |руб. |

|Лента |1 |Штука |17руб. |17 |

|принтера | | | |руб. |

|Дискета |4 |Штука |5 руб. |20 |

| | | | |руб. |

Итого: 57 руб.

Мэ = 57 руб. Пнр = 50 %

50 х 5524

Спп = 5524 + 57 + + 5652=13995 руб.

100

4. 2. Расчет цены программы

Цена программного продукта определяется по формуле:

Цпп = Спп х ( 1 + Ррен. ),

где Ррен - уровень рентабельности

Ррен =0. 3

Цпп = 13995 х (1+0. 3) = 18194 руб. Продажная цена программного

продукта определяется по формуле:

Цпп +К х Кст

Цена= х(1+НДС)

К

где НДС - налог на добавленную стоимость, 20%; К - количество копий,

шт.; Кcт - стоимость носителя информации, руб.;

К =30 копий Кcт = 5 руб.

Цена = ((18194 + 30 х 5) / 30) х 1. 2 = 733 руб.

4. 3. Определение качественных параметров программы

В экспертизе системы дистанционного образования "Компьютерная графика и

Семантические сети" в качестве экспертов учавство-вали главный специалист

отдела ИВС Министерства труда и социального развития Шестак Л. И.,

руководитель отдела АСУ АО "САП-КОН" Миньков Л. Н., главный специалист

отдела АСУ АО "САПКОН" Сахаров С. С.

В качестве аналога была выбрана обучающая программа "Статика и

Динамика", разработанная студентами СГТУ кафедра ПВС в 1995 г.

Определим уровень компетентности каждого эксперта по формуле:

К аi + К осi

К ki = ,

К аmах + К остах

где Кki - коэффициент компетентности i-го эксперта; Каi - коэффициент

аргументации; Косi - коэффициент осведомленности; Кmах - максимальные

значения Каi и Косi, равные 1.

Для определения коэффициента аргументации используются значения,

приведенные в таблицах 4. 2. 1 и 4. 2. 2:

Таблица 4. 3. 1 Коэффициенты аргументации

|Источни|высокая|средняя|низкая |

|к | | | |

|аргумен| | | |

|та- | | | |

|ции | | | |

|1. |0. 3 |0. 2 |0. 1 |

|Прове- | | | |

|денные | | | |

|теорети| | | |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7