ВКР Разработка информационной системы для анализа активности пользователей интернет портала онлайн-образования

Оригинальность по АП.Вуз на 26 февраля 2023 года более 70%.

Оригинал документа в pdf, конвертация в Word автоматическая (в word могут быть недочеты, которые вы легко исправите самостоятельно).

Настоящее исследование затрагивает вопросы разработки

информационной системы онлайн-курсов, а также возможности применения в

ней современных методов анализа активности пользователей, в частности для

расчёта успеваемости студентов.  В данной работе описывается техническое

задание по разработке модели информационной системы на основе UML.

Также проводится обзор выскоуровневого языка графического описания UML:

изучается то, какие строительные блоки в нём присутствуют, и как их следует

применять; анализируются общие механизмы действия. Далее выполняется

практическая часть диплома в виде построения одиннадцати диаграмм и

архитектуры информационной системы интернет-портала онлайн-

образования: 4 диаграммы вариантов использования, 4 диаграммы классов и 3

диаграммы последовательности действий для отдельно взятых вариантов

использования. Во второй части работы разбираются методы машинного

обучения и способы их применения для решения практических задач.

Проводятся исследования с применением разведочного анализа данных

(exploratory data analysis) и методов машинного обучения.

В настоящее время, с развитием IT сферы, многие рутинные и

организационные процессы плавно модернизируются. Это касается и системы

образования, где с каждым годом начинают применять более новые подходы к

способам преподнесения знаний, а также их проверки. В высших учебных

заведениях уже применяют телекоммуникационные учебно-информационные

системы (ТУИС) для размещения материалов и сбора лабораторных работ. Однако в

ближайшей перспективе возможен частичны или даже полный переход обучения в

онлайн-формат. Для осуществления этого процесса придётся разрабатывать

множество информационных систем (ИС), построение которых невозможно без

системного подхода к проектированию. Для этих целей хорошо подходит UML

(Unified Modeling Language).

UML – это унифицированный графический язык моделирования для

описания, визуализации, проектирования и документирования ОО (объектно-

ориентированных) систем [1]. ULM служит для поддержки процессов

моделирования ПС (программных систем) на основе ОО подхода, организовывать

взаимосвязь концептуальных и программных понятий, отражать проблемы

масштабирования сложных систем. Модели на UML используются на всех этапах

жизненного цикла ПС, начиная с бизнес-анализа и заканчивая сопровождением

системы. Разные организации могут применять UML по своему усмотрению в

зависимости от своих проблемных областей и используемых технологий.

Одним из дополнительных и информативных компонентов онлайн-систем

является модуль по анализу активности пользователей с применением машинного

обучения для последующего использования полученной информации при

оптимизации различных процессов.

Актуальность темы

Актуальность задачи заключается в возросшей необходимости разработки

средств онлайн-образования в связи со сложившейся в мире сложной

эпидемиологической обстановкой, из-за которой достаточно внушительная часть студентов утратила возможность проходить очное обучение непосредственно в

учебном заведении.

Также увеличились интерес и спрос на прохождении курсов по освоению

современных профессий от коммерческих организаций, предоставляющих услуги в

сфере онлайн-образования, по типу Coursera, Skill Box, Geek Brains, Нетология и т.п. 

Цель работы

Данная дипломная работа посвящена решению современной задачи по

разработке ИС интернет-портала онлайн-образования и анализу активности её

пользователей с целью выявления закономерностей их поведения.

Методы исследования

В данной дипломной работе для решения задачи анализа активностей

пользователей интернет-портала применяются методы EDA и машинного обучения

с учителем.

В качестве источников информации использовалась российская и зарубежная

научная периодика, а также ресурсы сети интернет. 

Структура работы

В первой главе дана постановка задачи разработки ИС и анализа активности

пользователей ИС, выполнен обзор языка UML и разработаны основные диаграммы.

Во второй главе исследованы и формально описаны современные методы

машинного обучения для решения задачи анализа активности пользователей

информационной системы.

В третьей главе предложены методы и алгоритмы решения задачи

поставленной задачи. 

В четвертой главе исследуются практические вопросы решения задачи,

проводятся экспериментальные исследования.

Список сокращений ....................................................................................................................... 3

Введение ......................................................................................................................................... 4

1 Постановка задачи и методы разработки информационных системы ............................. 6

1.1 Постановка задачи разработки информационной системы ........................................ 6

Техническое задание ............................................................................................................. 6

1.2 Постановка задачи анализа активностей пользователя ............................................... 8

1.3 Обзор и исследование языка моделирования UML для разработки

информационных систем .......................................................................................................... 9

Строительные блоки UML .................................................................................................... 9

Разработка диаграмм для информационной системы онлайн-образования .................. 15

2 Современные методы машинного обучения и их применение для решения поставленной

задачи ............................................................................................................................................ 25

2.1 Обзор современных методов машинного обучения ....................................................... 25

Методы машинного обучения ............................................................................................ 28

2.2 Применение методов машинного обучения для анализа активностей пользователя . 32

2.3. Аналитическое сравнение изученных методов и основные выводы ........................... 32

3 Разработка методов анализа активностей пользователя ....................................................... 38

4 Практическое исследование решения задачи анализа активностей пользователя ............. 39

4.1 Исходные данные и их предобработка ............................................................................ 39

4.2 Описание экспериментальных исследований ................................................................. 48

Расчёт потенциальной нагрузки на преподавателей ........................................................ 48

Выявление проблемных модулей ....................................................................................... 53

Метрика успеваемости ........................................................................................................ 57

Разведочный анализ данных ............................................................................................... 60

Применение методов машинного обучения ...................................................................... 66

4.3 Основные полученные результаты и сравнение с известными подходами ................. 69

Заключение ................................................................................................................................... 69

Список литературы ...................................................................................................................... 70

1. Якобсон А., Буч Г., Рамбо Дж. Унифицированный процесс разработки

программного обеспечения. – СПб.: Питер, 2002. – 496 с.

2. Мартин Фаулер. UML. Основы. Краткое руководство по стандартному

языку объектного моделирования. 3-е издание. – М.: Символ-Плюс, 2013. – 192 с.

3. Якобсон А., Буч Г., Рамбо Дж. Краткая история UML // Язык UML.

Руководство пользователя = The Unified Modeling Language Usere Guide. 2-е. – М.:

ДМК Пресс, 2006. – 496 с

4. Rational and UML Partners. UML Specification version 1.1 (OMG

document ad/97-08-11) – URL: https://www.omg.org/cgi-bin/doc?ad/97-08-11 

5. Кватрани Т. Rational Rose 2000 и UML. Визуальное моделирование:

Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, 2013. – 176 с.

6. Леоненков А. В. Нотация и семантика языка UML / Леоненков А. В. 2-е

изд., исправ. – М.: Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016. –

205 с. – Режим доступа: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=429143,

свободный. 

7. Леоненков А. В. Самоучитель UML 2. – СПб.: БХВ-Петербург, 2007. –

576 с.

8. Джозеф Шмуллер. Освой самостоятельно UML за 24 часа. 3-е издание.:

Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. – 416 с.

9. Рамбо Дж., Блаха М. UML 2.0. Объектно-ориентированное

моделирование и разработка. 2-е издание – СПб.: Питер, 2007. – 544 с.

10. Крэг Ларман. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования.

Практическое руководство. 3-е издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом

«Вильямс», 2013. – 736 с.

11. Рашка С. Python и машинное обучение. / пер. с англ. А.В. Логунова. –

М.: ДМК Пресс, 2017. – 418 с.

12. Вайолино Боб. Машинное обучение: методы и способы. // Директор

информационной службы, 2018. – № 5 – Режим доступа:

https://www.osp.ru/cio/2018/05/13054535, свободный. (Дата обращения:

10.04.2022).

13. Rudolph Russell. Machine Learning: Step-by-Step Guide to Implement

Machine Learning Algorithms with Python. – CreateSpace Independent Publishing

Platform, 2018. – 106 c.

14. Дейтел Пол, Дейтел Харви. Python: Искусственный интеллект, большие

данные и облачные вычисления. — СПб.: Питер, 2020. — 864 с.: ил. — (Серия

«Для профессионалов»)

15. Вьюгин В.В. Математические основы теории машинного обучения и

прогнозирования. –  М.: МЦНМО, 2013. — 387 с.

16. Nello Cristianini, John Shawe-Taylor. An Introduction to Support Vector

Machines and Other Kernel-based Learning Methods. — Cambridge University Press,

2000. – 204 с.

17. Juliana Tolles, William J. Meurer. Logistic Regression: Relating Patient

Characteristics to Outcomes. // JAMA, 2016. – Т. 316, № 5. – С. 533-534.

18. Карякина А. А., Мельников А. В. Сравнение моделей прогнозирования

оттока клиентов интернет-провайдеров // Машинное обучение и анализ данных,

2017. – T. 3, № 4. – C. 250-256.

19. Сапегин С. В. Моделирование и оптимизация цифровых сетей передачи

данных в САПР информационно-телекоммуникационных систем: дис. … канд.

техн. наук: 05.13.12. - Воронеж, 2002. - 162 с. 

20. Двоеглазов А.И. Компьютерное моделирование систем управления пучками

заряженных частиц: дис. ... канд. физико-математических наук: 05.13.18. – СПб.,

2001. – 140 с.

21. Болдырев Е.А. Моделирование и разработка расширяемого программного

комплекса для исследований проблемы энергетической безопасности: дис. ...

канд. техн. наук: 05.13.18. – Иркутск, 2002. – 152 с.

22. Буч Г., Рамбо Дж., Якобсон И. Введение в UML от создателей языка; Пер. с англ.

Н. Мухин. – 2-е изд. – М.: ДМК Пресс, 2010. - 496 с.

23. Конюхова О.В. Графический пользовательский интерфейс для

автоматизированных систем раскроя изделий сложной формы: дис. ... канд. техн.

наук: 05.13.06. - Орел, 2006. - 170 с.

24. Сотникова А.А. Модульно-структурные средства сбора, обработки и анализа

данных в области лечебной профилактики: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.17 /

Сотникова А. А.; [Место защиты: Пенз. гос. технол. акад.]. – Пенза, 2012. – 169 с.

25. Черняховская Л.Р. Поддержка принятия решений при управлении сложными

объектами в критических ситуациях на основе инженерии знаний: дис. ... док.

техн. наук: 05.13.01. – Уфа, 2004. – 380 с.

26. Кузнецов М.Б. Трансформация программных моделей и ее применение в

технологии MDA: дис. ... канд. физико-математических наук: 05.13.11. – М., 2005.

– 136 с.

27. Нуртдинова Э.Э. Интегрированная система информационного обеспечения как

фактор повышения эффективности предпринимательской деятельности: дис. ...

канд. эконом. наук: 08.00.05. – Уфа, 2015. – 176 с.

28. Торжков И. О. Механизм стратегического управления предприятиями лесного

комплекса: дис. ... канд. эконом. наук: 08.00.05 / Торжков И.О.; [Место защиты:

Юго-Зап. гос. ун-т]. – Воронеж, 2018. – 211 с.