Дистанционное обучение как система массового обслуживания

Кузнецова Ирина Александровна

НОУ ВПО ИГУПИТ

E-mail: info@igupit.ru

 

Дистанционное обучение как система массового обслуживания

 

Аннотация: Рассматривается возможность использования аппарата теории массового обслуживания для создания моделей системы дистанционного обучения студентов в системе высшего профессионального образования.

Ключевые слова: Система массового обслуживания, теория очередей, генератор заявок, устройство обслуживания.

The Abstract: A possibility of using a theory of mass service device for creating models of remote student training system in the sphere of higher vocational training is considered.

The Keywords: System of mass service, query theory, demands generator,

service device.

 

***

 

В настоящее время в различных образовательных системах имеется определенное разветвленное дистанционного обучения в системе высшего образования. Это вызвано необходимостью удовлетворения образовательных потребностей граждан. Оценка эффективности систем дистанционного обучения – это важная задача, т.к. только создание эффективных систем может решить эту многоплановую и многофакторную задачу.

В статье рассматривается возможность использования аппарата теории массового обслуживания для создания моделей системы дистанционного обучения студентов в системе высшего профессионального образования.

Система дистанционного обучения должна полностью решить задачу использования современных компьютерных учебников и учебных пособий в учебном процессе, а также возможности современных электронных консультационных пунктов и библиотек. Особое место в этом процессе занимает внедрение системы образовательных Интернет-порталов, когда пользователь, имея одну точку входа в сложную Интернет- ориентированную систему, может найти всю необходимую ему информацию. Главной характеристикой качества работы Интернет-портала является возможность быстрого поиска необходимой информации. Вместе с тем из-за быстрого роста информации, доступной в сети Интернет, поисковые методы быстро достигают предела их функциональных возможностей, не говоря уже о пределе их эффективности. Нужную информацию уже не представляется возможным получить сразу, так как в Интернете сейчас находятся миллиарды документов, к тому же сегодня их количество возрастает согласно экспоненциальной зависимости.

Другой важной характеристикой, влияющей на повышение эффективности системы Интернет-порталов является оптимизация прохождения трафика в магистральных сетях, связывающих Интернет-ориентированные системы. Вопросы повышения качества функционирования образовательных порталов, эффективного поиска информации в сети Интернет волнуют, в первую очередь, пользователей сети Интернет: студентов, учителей, ученых, промышленников, инвесторов и т.д. Моделирование системы обслуживания заявок основано на использовании математического аппарата теории исследования операций, теории транспортных сетей и графов, а также теории массового обслуживания.

Дистанционное обучение можно рассматривать как систему массового обслуживания (СМО) со смешанными приоритетами, с неограниченным временем пребывания требований, с относительными ограничениями на длительность пребывания требований в очереди. с определением основных параметров в соответствии с заданными классами приоритетности для решения задачи подключения отдельных абонентов или структур в сети дистанционного образования.

Все СМО имеют вполне определенную структуру, которая схематически может быть изображена, как это показано на рис. 1.


Рис. 1. Структура классической СМО

Элементами такой структуры являются аппараты (производственные комплексы, средства обучения, системы по работе с клиентами и так далее), которые обслуживают поступающие требования (объекты, требующие обучения, модернизации, ремонта, предоставления услуг и так далее); поступающие требования образуют некоторую временную последовательность событий, которая называется потоком требований.

Поток требований, нуждающихся в обслуживании и поступающих в обслуживающую систему, называется входящим. Поток требований, покидающих обслуживающую систему, называется выходящим. При этом требования, поступающие в обслуживающую систему, могут покидать ее, оставшись не обслуженными. Входящий поток, функционирование обслуживающей системы и, как результат обслуживания, выходящий поток подлежат количественному описанию. Функционирование обслуживающей системы в целом определяется, в первую очередь, ее организацией. На практике часто обслуживание одного требования осуществляется последовательно несколькими обслуживающими аппаратами. При этом, как правило, очередной обслуживающий аппарат начинает работу по обслуживанию требования после того, как предыдущий закончил свою работу. Таким образом, процесс обслуживания носит многофазовый характер.

На практике могут встречаться самые разнообразные виды организации обслуживающих систем, наиболее типичными из которых являются:

·                     системы, где все обслуживающие аппараты системы одинаковы;

·                     обслуживающие аппараты, входящие в данную систему, неодинаковы.

В первом случае вновь поступившее требование обслуживается одним из свободных аппаратов, причем предпочтения при этом не отдается ни одному из них. Такая организация системы обслуживания носит название неупорядоченной. Во втором случае все аппараты, как правило, пронумерованы, и новое требование обслуживается только первым аппаратом, если он свободен. Если же первый аппарат занят обслуживанием ранее поступившего требования, то новое требование поступает во второй аппарат; если занят второй, то в третий и так далее. Таким образом, новое требование обслуживается тем свободным аппаратом, который имеет наименьший номер. Такие системы называются упорядоченными. Возможны и другие способы организации обслуживающей системы. Так, например, обслуживающие аппараты могут загружаться только в порядке очереди. Освободившийся аппарат становится в очередь и не загружается до тех пор, пока не получат работу все аппараты, освободившиеся раньше его.

В настоящее время системы дистанционного обучения представляют собой сложные информационные системы, соответствующие архитектуре клиент-сервер, обладающие следующими элементами:

·                    сервером ДО, включающего в себя модуль управления подсистемами, базу данных, подсистему доставки образовательной информации, подсистему генерации тестовых заданий;

·                    подсистемой администрирования и формирования содержимого информационной системы;

·                    клиентами, представленными web-браузерами.

Рассмотрение систем дистанционного обучения осуществляется через призму их основных функций обслуживания, т.е. поиска и предоставления информации определенного характера по заявке клиента.

Как уже было сказано, основными элементами такой системы являются клиентские программы, представленные web-браузерами, и сервером дистанционного обучения. В качестве транспортной компоненты информационной системы используется сеть Internet. Взаимодействие клиентов с сервером осуществляется средствами стандартного протокола HTTP. Под данными web-ориентированной информационной системы понимают множество документов представленных на языке гипертекстовой разметки HTML, а так же множество графических файлов, на которые имеются ссылки в документах. Web-взаимодействие – это цикл передачи одного документа сервером на запрос со стороны клиентского браузера. Каждое web-взаимодействие начинается с подачи клиентом запроса на получение документа по заданному адресу URL. Заканчивается по получению последнего байта запрашиваемого документа.

Типичный сервер дистанционного обучения состоит из трех модулей: web-сервера, множества специализированных прикладных программ, СУБД (рис. 2).

Рис. 2. Типичный сервер дистанционного обучения

Web-сервер принимает и отвечает на запросы, поступающие со стороны клиентов по HTTP протоколу. Получив клиентский запрос, сервер создает экземпляр необходимой для обработки полученного запроса прикладной программы, в виде отдельного процесса или потока. Задачей экземпляра прикладной программы является обработка полученных данных в клиентском запросе и подготовка данных для ответа. В процессе подготовки ответа экземпляр прикладной программы может обращаться к СУБД с целью получения некоторой необходимой информации. Базы данных широко используются в подобных системах и в основном используются, как централизованные хранилища системной информации, начиная от списков зарегистрированных пользователей или содержимого учебных курсов и заканчивая настройками системы.

Количество одновременно запускаемых экземпляров прикладных программ задается администратором сервера и выбирается исходя из задач, стоящих перед сервером и ресурсов системы, например объемом оперативной памяти. Аналогично администратор определяет параметры взаимодействия с базой данных. Например, важным параметром в настройке базы данных является максимальное количество открытых каналов с клиентскими задачами.

Анализ систем дистанционного обучения удобнее всего проводить на некоторой модели. Систему удобно исследовать методами теории массового обслуживания - сведением к модели марковских процессов с дискретными состояниями и непрерывным временем.

Действительно, можно рассматривать сервер системы, как некоторое устройство, принимающее некоторые состояния S0(t), S1(t), S2(t) … Sn(t), которые можно сосчитать. Состояние S0 это состояние, которое принимает сервер при отсутствии заявок на обслуживание. Состояние S1, S2, …, Sn - это состояния, когда заняты соответственно 1-й, 2-й, все доступные каналы. Параметр n в данном случае является входным параметром и может быть получен из анализа реальной системы. В какие-то случайные моменты времени состояния могут меняться.

Под событиями следует понимать поступление запросов со стороны клиентов, что может быть смоделировано, как пуассоновский поток заявок. В контексте анализа системы дистанционного обучения основной задачей моделирования является получение представлений о поведении типичной системы дистанционного обучения в зависимости от режимов загрузки. Таким образом, на данном этапе работы анализ задачи моделирования сводится к выбору критериев оценки эффективности процесса функционирования системы, а так же выделению эндогенных (зависимых) и экзогенных (независимых) параметров системы.

Таким образом, можно построить концептуальную модель системы и представить ее в виде предварительной Q-схемы (рис. 3).


Рис. 3. Концептуальная модель системы

Таким образом, в модели можно выделить следующие элементы:

а) Генератор заявок. Заявки поступают в буфер-накопитель, если в нем свободная емкость. Если буфер-накопитель не принимает заявки, происходит отказ и заявка уничтожается. В реальных системах это соответствует ошибке http-протокола. Прототипом генератора заявок являются клиентские web-браузеры, запрашивающие определенные документы.

б) Буфер накопитель. Заявки поступают в устройство обслуживания либо заявки получают отказ, если лимит времени пребывания в очереди истек. Прототипом является буфер накопитель web-сервера.

в) Устройство обслуживания. Прототипом из реальной системы является программный комплекс, включающий в себя www-сервер, приложения, СУБД. По окончании обслуживания заявки покидают систему.

г) Устройства сбора статистики. Данные устройства являются виртуальными и выполняют функции сбора статистики по количеству успешно обслуженных заявок и по количеству отказов.

В качестве СМО для дистанционного обучения можно выбрать систему типа M / M / m. Здесь первый символ означает то, что процесс поступления в СМО заявок на обслуживание (в терминологии СМО – требований) является пуассоновским потоком, в котором интервалы времени между поступлениями требований имеют экспоненциальное распределение. Второй символ в обозначении типа СМО указывает на экспоненциальное распределение длительностей обслуживания, а третий символ (m) – количество абонентов или структур в сети дистанционного обучения.

Функциональная схема системы дистанционного обучения как СМО изображена на рис. 4. Здесь введены следующие обозначения блоков: КОМ (– коммутатор; УУ – управляющее устройство; ЦУС – цифровая управляющая система; УВР – устройство выбора режима; П – процессор; БП – блок программ; A1, A2, …, Am – абоненты.

Схема работает следующим образом. Требования (заявки на обслуживание учебной информацией) через магистральную шину поступают в ЦУС. Последняя с помощью блока программ, процессора, управляющего устройства и устройства выбора режима устанавливает нужный класс приоритетов и включает блок переключения абонентов, который осуществляет подключение соответствующих абонентов.

 

Рис. 4. Функциональная система системы дистанционного обучения как СМО

Наивысший приоритет при этом присваивается, например, по следующему принципу: 1) абонент досрочно выполнил задание; 2) требование поступает от структуры (центра обучения); 3) в случае передачи сценария деловой игры; 4) как поощрение за качественное выполнение задания и т.п.

Таким образом, анализ систем дистанционного обучения может быть проведен с использованием теории массового обслуживания. При этом качество анализа зависит от точности описания элементов системы дистанционного обучения как элементов системы массового обслуживания.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. — М.: Машиностроение, 1979. — С. 432.

 

Мир науки - научный журнал
Транспортные сооружения - научный журнал