Экгауз, лекциии семинар, КР / Дополнительный материал к лекциям и семинарам / информационные технологии

используется принцип декомпозиции – то есть переход от более общих к частным моделям. Эти процедуры реализуются с помощью типовых проектных решений.

ТС – технические средства ИТ включают вычислительные машины разных уровней и специализированные устройства на их основе – АРМы, сети, оргтехника и т.д.

АС – алгоритмические средства включают в себя алгоритмы реализации МС, то есть моделей. АС раскрываются на основе программного обеспечения. Сюда относятся операционные системы, системы программирования, общесистемное и прикладное ПО.

ИС – информационные средства. К ним относятся базы и банки данных, базы знаний.

МС – методические средства – описания, инструкции и другая документация по использованию ИТ для решения функциональных задач управления.

Обобщенная функциональная структура ИТ может быть представлена на следующей схеме.

ФИС

ОИП

РП

РР

Рис.7.Обобщенная функциональная структура ИТ.

Формирование информационного ресурса (ФИС) – это центральная функция информационного процесса. Имеется в виду получение новой информации, обновление ресурса. Информационный ресурс образуется при решении задач на базе организации информационных процессов (ОИП). Стыковка отдельных фаз информационного процесса

(сбор, обработка, передача и др.) осуществляется путем реализации процедур (РП). Под процедурами понимаются процессы преобразования, кодирования, модуляции.

Процедуры автоматизируются путем реализации информационно-вычислительных работ

(РР).

Продемонстрировав наличие структуры ИТ, можем признать , что первому признаку большой системы ИТ удовлетворяет.

Наличие единой цели функционирования. Большая система имеет единую

цель. Но в большой системе обязательно наличие подсистем, у которых также есть собственные цели. Понятно, что цель системы подчиняет себе цели подсистем.

Цели ИТ как системы является формирование новой информации, используемой для повышения эффективности действия той системы, где она используется.

Степень достижения любой цели, стоящей перед системой, определяется показателем, который называется «критерий эффективности функционирования системы». Для отдельных информационных процессов можно привести частные критерии эффективности, в соответствии с теми целями, которые преследуют эти процессы, например:

Для процесса передачи информации такими критериями могут быть минимальная вероятность ошибки при ограничении на скорость передачи информации или максимум скорости передачи при ограничении на вероятность ошибки.

Для процесса преобразования: максимум скорости преобразования при ограничении достоверности восстановления сигнала.

Общий критерий эффективности информационного процесса может быть сформулирован как интегральный на основе частных критериев. Для этого используется аддитивная или мультипликативная форма, учитывающая весовые коэффициенты критериев.

Здесь уместно указать на то, что частные оптимумы критерия могут не совпадать с глобальным критерием, что подтверждается свойством эмерджентности больших систем.

Эмерджентность - внутренней свойство большой системы обладать чертами, не присущими ни одному ее элементу. Под элементом здесь имеется в виду подсистема. Чем больше система и меньше рассматриваемый элемент, тем больше, вероятнее различия в свойствах. Это проявляется в том, что при оптимизации процессов управления частные оптимумы подсистем не совпадают с глобальным оптимумом критерия всей системы.

Поэтому, уж коли мы решили рассматривать ИТ как «большую» систему, следует помнить о свойствах эмерджентности при определении критерия эффективности,

который в свою очередь определяет цель функционирования.

Взаимодействие информационных процессов в составе ИТ должно базироваться на основе взаимоувязанных целей. А эти цели подчиняются одной глобальной цели – формированию информационных ресурсов.

Мы доказали, что ИТ имеет общую цель и по этому признаку тоже подпадает под определение «большой системы».

Следует только добавить, что цели нельзя ставить вне зависимости от имеющихся средств. Существует причинная связь между целями и средствами. Цели ИТ менялись в зависимости от развития средств вычислительной техники, ПО и т. д. Развитие средств идет и сейчас довольно активно. Поэтому можно предвидеть и новые глобальные цели ИТ.

Устойчивость к внешним и внутренним возмущениям. ИТ должна

удовлетворять требованиями той организационной системы, в которую она внедряется.

Информационные процессы ИТ непрерывно подвергаются внешним и внутренним возмущениям со стороны организационной системы. Эти возмущения могут возникать по следующим причинам: неадекватность выбранных моделей реальным процессам,

неидеальность реализации модели, ошибки в деятельности персонала, ненадежность аппаратных и программных средств.

При всех этих неприятностях система ИТ должна обладать и проявлять свойства

«гомеостаза». Гомеостаз – устойчивость внутреннего состояния и основных функций системы, поддержания состояния устойчивого равновесия системы с внешней средой.

При изменении внешних условий механизм саморегулирования системы должен обеспечить быстрое реагирование системы на изменение. Гомеостаз – это свойство,

проявляемое во внешних связях системы.

Устойчивость системы обеспечивается за счет введения обратных связей на различных уровнях организации информационных процессов.

Сохранению устойчивости помогают такие меры, как введение тестовых сигналов,

применение избыточных кодов, избыточных сигналов и структур, например:

∙При передаче информации средствам обеспечения устойчивости к внешним возмущениям (помехам) является помехоустойчивые виды модуляции, корректирующие коды.

∙При хранении информации устойчивость обеспечивается специальной организацией информационных массивов, копированием.

∙Контроль обработки информации обеспечивается тестами, обнаруживающими кодами,

специальными сигналами, контролирующими ход вычислительного процесса.

То есть ИТ как система устойчива к возмущениям, адаптируется к ним. Средства обеспечения ее устойчивости являются неотъемлемой частью самой ИТ.

Комплексный состав системы. ИТ является уникальной системой по своему составу. Имея организационную структуру, соответствующую той системе, куда она вживляется, ИТ реализует огромное количество функций на очень разных средствах.

Эти средства – модели и методы решения задач, банки данных и базы знаний,

программы, технические средства и средства связи.

Такое разнообразие приводит к очень большим затратам на разработку системы ИТ. Огромен труд по разработке и увязке программно-аппаратных средств и техники связи. Комплексный состав ИТ порождает большое число решений для конкретных разработок, поэтому очень важной задачей является типизация решений в соответствии с уровнями и областями использования ИТ.

Выделение типовых направлений применения позволит создать набор типов ИТ,

реализуемых на стандартных программно-аппаратных средствах.

Типовой состав ИТ можно представить на схеме

КРЗ		МПО

СИП

БД СИТ

БЗ

ИР

Рис.8. Типовой состав системы ИТ

ИТ носит конкретный характер и соответствует определенной предметной области.

Для этого в состав технологии вводится «модель предметной области» (МПО). Она ориентирована на комплекс решаемых задач (КРЗ). Эта модель программно осуществляется на ЭВМ. На основе реализации этой модели строится модели решения задач организации информационных процессов для данной структуры технологии, то есть определяется совокупность информационных процессов (СИП).

Взаимодействующие информационные процессы образуют контур переработки информации.

В соответствии с глобальной целью ИТ формируется банки данных и базы знаний

(БД и БЗ). Именно в БЗ возникает новая информация, что и составляет информационный ресурс (ИР).

Рассматриваемые составляющие реализуются с помощью средств информационной технологии (СИТ).

Модель предметной области входит в математические средства; информационные процессы базируются на программно-аппаратных средствах сбора, переработки, хранения и обработки информации. Базы данных и базы знаний входят в состав информационных

средств. Информационные ресурсы формируются в памяти ЭВМ и выводятся в виде новой информации по требованию пользователя.

Мы доказали, что ИТ обладает комплексным составом своих компонентов. Ее создание,

реализация и эксплуатация должны проходить на базе системного подхода.

Способность к развитию. Наконец, пятое условие соответствия ИТ «большим системам» – способность к развитию.

Развитие ИТ должно идти, во-первых, по пути охвата все большего количества уровней управления в системе, и, во-вторых, по пути расширения количества выполняемых функций. Принципиально новые возможности в развитии технологии дает появление новых средств. Это средства реализации информационных процессов,

возможно, разработка новых носителей информации, новые средства накопления. Это совершенствования вычислительных средств, программно-аппаратных средств,

например. Совершенствование экспертных систем даст возможность изменить характер

«принятия решений» – то есть доберется о верхнего уровня организационной структуры системы управления.

Таким образом, ответив положительно на пять предъявленных вопросов,

соответствует ли ИТ структуре «больших систем», мы получим право и возможность поступать с ИТ в соответствии с системным подходом. Воспользуемся этим правом и приступим к созданию системы «информационная технология».

Структура базовой информационной технологии.

Печальный опыт развития АСУ показал, что за несколько десятилетий так и не удалось создать типовые АСУ, поскольку не удалось типизировать существующие промышленные типовые предприятия. ИТ выгодно отличается тем, что она обладает комплексным составом компонентов, совокупность которых может работать почти независимо от условий существования.

Определим структуру и состав типовой ИТ. Мы будем называть типовую ИТ

базовой , если она ориентирована на определенную область применения. Базовая ИТ создает модели, методы средства решения задач. Базовая ИТ создается на основе базовых

(типовых) аппаратно-программных средств. Базовая ИТ подчинена основной цели – решению функциональных задач в своей предметной области (задачи управления,

проектирования, научного эксперимента, испытания и т. д.).

На вход базовой ИТ как системы поступает комплекс решаемых задач, для которых должны быть найдены типовые решения с помощью методов и средств, присущих именно ИТ. Рассмотрим использование базовой ИТ на концептуальном, логическом и физическом уровнях.

1.Концептуальный уровень базовой ИТ – задается идеология автоматизированного решения задач. Типовая последовательность решения задач может быть представлена в виде алгоритма.

	ПЗ		МПО
	ФЗ		МРЗ
	АЗ		АМ
	ПРЗ		П
	РЗ		РП
	АР		РО

Рис.9. Концептуальная модель базовой ИТ.

Начальный этап – постановка задачи (ПЗ).Если эта задача автоматизированного управления, то она представляет собой совокупность взаимосвязанных алгоритмов,

которые обеспечивают управление. ПЗ – содержательное описание задачи: целевое назначение задачи, экономико-математическая модель и метод ее решения,

функциональная и информационная взаимосвязь с другими задачами. Оформляется документально в методических материалах «Постановка задачи и алгоритм решения». На этом этапе очень важна корректность описания с точки зрения критериев.

Следующий этап – формализация задачи (ФЗ). Разрабатывается математическая модель.

Если математическая модель установлена, следующий этап – алгоритмизация задачи (АЗ). Алгоритм – процесс преобразования исходных данных в искомое результат за конечное число шагов.

Реализация алгоритма на основе конкретных вычислительных средств осуществляется на этапе программирования задачи – ПРЗ. Это объемная задача, но она осуществляется как правило на типовых технологиях программирования.

При наличии программы осуществляется РЗ – решение задач – получение конкретных результатов для входных данных и принятых ограничений.

Этап АР – анализ решения. При анализе решения можно уточнить модель формализации задач.

Наиболее сложными, творческими и объемными являются этапы постановки задачи и ее формализации. Понятие первоначальной задачи – это глубокое понимание процессов в предметной области.

В условиях базовой ИТ глобальная задача – это разработка модели предметной области (МПО).

При реализации ИТ часто встречаются с плохо формализуемыми задачами. Тут приходят на помощь экспертные системы. В основу ЭС закладываются знания лучших экспертов в предметной области. Разработчик ЭС собирает все известные способы формализации данной задачи. Пользователь – разработчик данной ИТ – получает варианты решения задач. Это процесс автоматизирования проектирования ИТ.

Логический уровень создания ИТ . Модели базовой ИТ.

На логическом уровне устанавливают модели решения задачи и организации информационных процессов. Если известна общая модель управления некой АСУ, в

которую будет внедряться базовая ИТ, мы можем представить взаимосвязь моделей базовой ИТ.

Цель базовой ИТ на логическом уровне – построение модели решаемой задачи и ее реализация на основе организации информационных процессов.

Рассмотрим взаимосвязь моделей базовой ИТ на схеме.

Рис.10. Логический уровень базовой ИТ. Модель организации информационных процессов.

Модель решения задачи в условиях выбранной базовой ИТ согласуется с моделью организации информационных процессов (МОИП). МОИП включает в себя МОД (модель обработки данных), МО (модель обмена данными), МУПД (модель управления данными),

МНД(модель накопления данных), МПЗ (модель представления знаний). Каждая из этих моделей отражает определенные информационные процессы и содержит базы построения частных матмоделей конкретного информационного процесса.

Модель обмена – оценивает вероятностно-временные характеристики процесса обмена с учетом маршрутизации (М), коммутации (К) и передачи (П) информации. В

качестве воздействий в этом процессе участвуют: входные (потоки сообщений);

мешающие (потоки ошибок), и управляющие (потоки управления). На основании этой модели синтезируют систему обмена данными, то есть выбирают технологию сети, метод оптимальной коммутации, маршрутизации.

Модель накопления данных МНД. Определяет схему информационной базы СИБ, устанавливает логическую организацию информационных массивов ОИМ, задает физическое размещение информационных массивов РИМ.

Информационный массив – основное понятие, основной элемент внутримашинного информационного обеспечения. ИМ – совокупность данных по группе однородных объектов, содержащих одинаковый набор сведений. ИМ могут включать информацию:

∙программы ОС и тестовые программы (обеспечивают работу ЭВМ);

∙прикладные программы (обеспечивают решение набора функциональных задач);

∙библиотека стандартных программ.

Типы информационных массивов:

∙постоянные (формируются до начала работы системы – директивные, справочные,

нормативные данные – не изменяемые во времени);

∙промежуточные (возникают как результат предыдущего расчета и основа для следующего);

∙текущие (содержат рабочую информацию о состоянии управляемого объекта);

∙служебные (обслуживают остальные массивы);

∙вспомогательные (возникают при операциях над основными массивами).

По виду носителя ИМ делятся на массивы на машинных (внутренних и внешних) и

немашинных носителях.

Особенность ИМ – его структура, способ упорядочивания данных по ключевым признакам. Записи могут упорядочиваться по возрастанию или убыванию значения

ключевого признака. В качестве ключевого выбирается наиболее часто встречающийся признак.

Модель обработки данных МОД. Она определяет организацию вычислительных процессов ОВП для решения задач пользователя. Последовательность и процедуры решения вычислительных задач должны быть оптимизированы с точки зрения критериев:

объем памяти, ресурсы, числа обращений и т. д. Организация процесса впрямую зависит от предметной области. При разработке базовой ИТ прежде всего следует правильно выбрать ОС. Именно ОС задает реальные возможности по управлению вычислительным процессом.

Структура вычислительного процесса задается числом задач. Очень важными являются требования к моменту запуска и выпуска (выхода результатов) задач. Эти моменты определяют динамику получения результатов, то есть динамику всего процесса управления производством.

Первые ОС были ориентированы на пакетную обработку информации. Этот режим в принципе не пригоден для задач управления большой размерности и оперативности.

Переход к системам разделения времени позволил в условиях прерывания отдавать предпочтение приоритетным задачам. Оказалось возможным планировать вычислительный процесс.

Новые возможности для пользователя заложены в виртуальных ОС. Она позволила пользователю иметь неограниченный вычислительный ресурс, не замечая работы соседних пользователей. В условиях распределенной обработки данных возникают новые требования к вычислительному процессу. Требуется не только распределить вычислительный ресурс между пользователями и их вычислительными задачами, но и учесть топологию пользователей.

При создании моделей организации вычислительного процесса (ОВП) используют два возможных подхода: детерминированный и вероятностный. При детерминированном подходе применяется теория расписаний очередности задач при накладываемых ограничениях. К сожалению, в этот удобный метод вмешиваются случайные помехи.

Могут возникнуть непредвиденные задачи, требующие срочного решения. Для них выделяются дополнительные интервалы времени. При вероятностном подходе устанавливает средний вычислительный ресурс, среднее время выполнения программы,

усредненная производительность вычислительной системы. Усредненные параметры рассчитываются на основании статистических данных и постоянно корректируются.

Если мы склонны к типизации решаемых вычислительных задач для конкретной ИТ, то очень большое значение имеет разработка пакетов прикладных программ (ППП).

Среди моделей обработки данных следует еще упомянуть имитационные модели. С

их помощью решаются задачи планирования организации вычислительного процесса.

Модель представления знаний МПЗ. Модели представления знаний являются основой автоматизированного решения задач управления. Модели представления знаний существуют в виде логического Л, алгоритмического А, семантического С, фреймового Ф и интегрального И представлений.

Модель управления данными МУПД. Управление данными – управление процессами накопления, обмена и обработки данных. Накопление данных сейчас происходит в условиях современных бах данных, при этом управляющее воздействие должны обеспечить ввод информации, обновление ее, размещение массивов в БД. Эти функции осуществляет современная СУБД.

С появлением ЭВМ данные накапливались в виде совокупности одинаково построенных записей – файлов. При решении каждой новой задачи создавались новые файлы. Логическая связь между файлами отсутствовала. Возникала проблема целостности данных. Для каждого обращения к файлам создавалась своя программа. Отдельные данные в файлах дублировались. Совершенствование вычислительной техники и одновременно рост объемов информации привели к появлению концепции баз данных. В

БД записи взаимосвязаны, могут совместно использоваться для решения все новых задач.

В зависимости от решаемых задач выбираются модели баз данных.

Современное производство решает огромное количество рутинных информационных задач. Но и очень велико количество задач, требующих информацию для принятия решения. Для этого требуется новые подходы к формированию данных,

вводу и выводу их, обработке. Эти новые подходы реализуются с помощью новых ИТ,

реализующих их взаимную организацию. Этой организацией ведает модель управления данными. Модель базируется на том, что данные обладают относительной стабильностью.

Стабильность структуры данных дает возможность строить базы со стабильной структурой. А получаемую информацию отображать в виде переменных значений данных

вэтой стабильной структуре.

Всоответствии с моделью предметной области может быть сформирован класс данных для всех решаемых задач. На логическом уровне предметная БД включает в себя логические записи, их элементы и взаимосвязь между ними.