Интегрированная информационно-аналитическая система для социологических исследований

Актуальность работы. Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Первый — возросшая значимость социального мониторинга для определения отношения населения к региональной и федеральной политике и изучения проблематики, присущей тем или иным районам для обеспечения повышения эффективности принятия управленческих решений. Второй фактор связан с темпами развития информационных технологий и необходимостью создания эффективно масштабируемого программного обеспечения (ПО), способного обеспечить специалиста предметной области возможностями для решения широкого спектра исследовательских задач, реализовать эффективное хранение и представление результатов исследований.

Все это требует рассмотрения концептуальных решений, связанных с организацией распределенных вычислений и сетевым доступом к данным и приложениям. Учитывая, что программные инструментальные средства социологических исследований рассматриваются как один из прототипов системы поддержки принятия решений по обеспечению управленческих решений, это предъявляет к ним повышенные требования и обуславливает актуальность их разработки на современном уровне информационных технологий.

При разработке ПО использованы современные методы моделирования, предложенные в работах Г. Буча, И, Якобсона, Дж. Румбау, Э. Гаммы, являющиеся основой применения объектно-ориентированного подхода. Применен метод моделирования объектного представления знаний, предложенный JI.B. Массель. При создании хранилища данных (ХД) были изучены реляционные и объектные концепции СУБД, разработанные К. Дейтом, Е. Коддом, Л. Калини-ченко, А. А. Сахаровым. В части, описывающей применение интеллектуального анализа данных (ИАД), автор опирался на работы JI.B. Щавелева, JI.H. Столярова.

Специфика социологических исследований определяет сложность создания специализированного программного обеспечения. С одной стороны, это появляющиеся со временем новые математические методы, модели, подходы, применение которых может перевести исследования на качественно иной уровень, дать новые результаты по сравнению со старыми методами исследований. С другой стороны, это лавинообразное появление новых информационных технологий (ИТ), оказывающих серьезное влияние на методы проведения научных исследований. Это влияние выражается в том, что применение новых ИТ предоставляет новые возможности в проведении исследований, а именно, формулирование и решение новых задач, которые невозможно было бы решить без использования этих технологий. Методические основы применения методов анализа в социологии были заложены в работах В. А. Ядова, Д. Г. Ротмана, Г. Г. Татаровой, С. В. Чеснокова и др.

Изменения в процессе исследований требуют адекватной инструментальной поддержки и, соответственно, изменений в инструментальных средствах, т. е. гибкость информационной системы является залогом успешного проведения исследований. Необходимость разработки ПО, которое отвечало бы этому требованию, и одновременно сложность его реализации, с учетом уровня современных информационных технологий и большого разнообразия базовых инструментальных средств, требует выполнения специального исследования, что подчеркивает актуальность данной работы.

Целью данной работы является повышение эффективности проведения социологических исследований, обеспечиваемое разработкой:

• методического подхода и программных инструментальных средств (интегрированной информационно-аналитической системы) для социологических исследований, отвечающих современным требованиям к программным комплексам нового поколения;

• технологии проведения социологических исследований с использованием новых инструментальных средств.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: 1. Выполнить анализ тенденций развития архитектуры современных прикладных программных систем и выбрать, по результатам анализа, базовые технологии для интеграции разнородных компонентов в рамках интегрированной информационно-аналитической системы (ИНИАС), включающей региональное хранилище результатов социологических исследований.

2. Сформулировать требования к функциональности ИНИАС и системно-концептуальные соглашения, принимаемые при ее разработке.

3. Разработать архитектуру ИНИАС и методику ее программной реализации, отвечающей требованиям к программным комплексам нового поколения.

4. Разработать методику интеллектуального анализа результатов социологических исследований и методику создания хранилищ данных и знаний в рамках ИНИАС.

5. Разработать технологию проведения социологических исследований с применением ИНИАС.

Методами и средствами исследования являются: методические основы проведения социологических исследований, методы системного и прикладного программирования, методы объектного подхода (анализ, проектирование, программирование), методы теории искусственного интеллекта (продукционные модели представления знаний, интеллектуальный анализ данных).

Новизну работы составляют следующие положения: 1. Впервые обоснована необходимость использования для социологических исследований методов интеллектуального анализа данных (Data Mining) и хранилищ данных (DataWare House), для хранения как данных, так и знаний, в рамках интегрированной информационно-аналитической системы, разработанной в соответствии с требованиями к программным комплексам нового поколения, основными из которых являются:

• многослойная архитектура, предусматривающая использование серверов приложений и серверов баз данных;

• ориентация на работу в вычислительных сетях (как локальных, так и глобальных);

• свойство расширяемости программного обеспечения в его современной трактовке.

Предложен методический подход к построению программных комплексов нового поколения для исследований в социологии, включающий:

• методику интеллектуального анализа результатов социологических исследований, интегрирующую совокупность методов (анализ неальтернативных переменных, статистические методы, снижение комбинаторной сложности алгоритмов ИАД, детерминационный анализ, Аристотелевы силлогизмы) в рамках ИНИАС;

• методику создания хранилища данных, как основного компонента ИНИАС, для хранения в объектном представлении как данных, так и знаний;

• методические рекомендации по объектному моделированию данных и знаний с использованием унифицированного языка моделирования UML;

• клиент-серверную архитектуру интегрированной информационно-аналитической системы и ее компонентов и объектные модели программ, в соответствии с которыми выполнена реализация ИНИАС;

• выбор и рекомендации по применению базовых технологий, создающих предпосылки для перехода к работе с информационной системой через Internet;

На защиту выносятся:

• методика создания хранилища данных в рамках ИНИАС;

• методика интеллектуального анализа результатов социологических исследований с использованием ИНИАС;

• архитектура интегрированной информационно-аналитической системы и ее компонентов;

• интегрированная информационно-аналитическая система, обеспечивающая использование хранилища данных для хранения как данных, так и знаний и применение, в рамках ИНИАС, методов интеллектуального анализа данных;

• технология проведения социологических исследований с применением ИНИАС.

Практическая значимость работы заключается в использовании предложенного подхода и методик для разработки интегрированной информационно-аналитической системы ИНИАС и технологии проведения социологических исследований, а также в применении разработанных системы и технологии для у обработки результатов социологических опросов, проводимых Региональным информационным аналитическим центром в Иркутском области и Усть-Ордынском бурятском автономном округе.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции Главного Управления Информационных Систем ФАПСИ, посвященной 30-летию начала работ по созданию информационно-вычислительной системы по управлению страной в кризисных ситуациях (Москва, 2002 г.), на Всероссийских с международным участием конференциях: «Информационные и телекоммуникационные технологии в науке и образовании Восточной Сибири» (Иркутск, 2001 г.), «Информационные технологии в энергетике, экономике, экологии» (Иркутск, 2002 г.), «Математические и информационные технологии в энергетике, экономике, экологии» (Иркутск, 2003 г.), «Информационные и математические технологии» (Иркутск, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть работ в т. ч. две — в издании, рекомендованном ВАК.

В первой главе раскрывается суть исследуемой проблемы. Рассматриваются подходы и методы, используемые в социологии, анализируется специфика создания программного обеспечения для социологических исследований. Определяются факторы, определяющие сложность создания ПО в данной предметной области, и факторы, требующие, чтобы ПО обладало возможностью интеллектуального анализа данных. В выводах к главе обосновывается необходимость разработки методического подхода к созданию интегрированной информационно-аналитической системы, ориентированной на интеллектуальный анализ данных. На основании выводов данной главы формулируются задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена анализу методов, выбранных или разработанных автором для реализации в ИНИАС, и базовых технологий, на основе которых предполагается ее разработка. Рассматривается предлагаемая автором технология социологических исследований, включающая совокупность методов, способов и приемов проведения исследований. Внимание уделено описанию статистических методов, традиционно применяемых при работе с результатами социологических исследований. Перечислены методы Data Mining, способствующие автоматизации статистических методов, описаны некоторые приемы, уменьшающие комбинаторную сложность статистических методов, применяемых при анализе результатов социологических исследований. Кроме того, вторая глава содержит обоснование идеи создания хранилища данных, предназначенного для хранения как данных, так и знаний (результатов анализа данных).

Третья глава содержит описание предлагаемого автором методического подхода, в соответствии с которым выполнены проектирование и реализация ИНИАС. Подход включает совокупность методик, использованных при разработке ИНИАС. Центральной является методика интеллектуального анализа результатов социологических исследований, интегрирующая в рамках ИНИАС совокупность методов, подробно описанных во второй главе (анализ неальтернативных переменных, статистические методы, снижение комбинаторной сложности алгоритмов ИАД, детерминационный анализ, Аристотелевы силлогизмы).

Важным компонентом ИНИАС является хранилище данных и знаний. Предложена методика его разработки, включающая подготовку и преобразование данных для формирования хранилища данных, а также методические рекомендации по объектному моделированию информационных объектов (данных и знаний) с использованием ФС-моделей.

В последней части главы описываются этапы проектирования ИНИАС, системно-концептуальные соглашения, обоснование использования объектной СУБД для реализации хранилища данных и предлагаемая автором клиент-серверная архитектура ИНИАС.

Четвертая глава посвящена описанию процесса разработки информационной системы в соответствии с методикой, изложенной в третьей главе. Приводятся выполненные с помощью унифицированного языка моделирования UML основные модели (диаграммы), в соответствии с которыми была выполнена реализация ИНИАС. Описана реализация ИНИАС, приведены примеры интерфейсов. Приведена технология проведения социологического исследования с использованием системы ИНИАС.

В заключении приведены основные результаты, полученные при выполнении данной работы.

Автор благодарит своего научного руководителя, д.т.н. Массель JI.B., а также сотрудников возглавляемой ею лаборатории «Информационные технологии в энергетике» ИСЭМ СО РАН, обсуждения с которыми концептуальных решений и результатов работы были очень полезны для автора. Кроме того, автор благодарен своим коллегам по работе за понимание и терпение, проявленные по отношению к нему в процессе выполнения диссертационной работы. Автор выражает также благодарность д.т.н. Новорусскому В. В., под руководством которого автор начинал свою научную деятельность, за ценные критические замечания в ходе обсуждения работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе автором получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ предметной области и специфики ПО для социологических исследований и определены факторы, обуславливающие необходимость создания ИНИАС.

2. Сформулированы требования к информационной системе ИНИАС, основными из которых являются:

• реализация методов «добычи» знаний (Data Mining), позволяющих получать знания из имеющихся данных;

• применение хранилищ данных, поддерживающих объектные представления информации;

• разделение информационной системы на компоненты по функциональным возможностям;

• поддержка интерфейсов, обеспечивающих работу системы в рамках существующих международных проектов.

3. Разработана методика интеллектуального анализа данных с использованием ИНИАС.

4. Разработана методика построения хранилища данных, содержащего первичные данные, полученные путем ввода информации с опросных листов и знания о закономерностях в распределениях вопросов.

5. Предложена трехуровневая клиент-серверная архитектура информационной системы.

6. Разработана система ИНИАС, клиентская часть которой реализует следующие основные функции: ввод первичных данных с опросных листов, анализ распределений вопросов, навигацию по ресурсам ХД ИНИАС.

7. Разработана и апробирована технология проведения исследований с применением разработанного инструментария.