Уровни представления данных: концептуальный, логический, физический.
Описание систем с помощью информационных моделей
Важным методом исследования систем является метод моделирования. Его суть состоит в том, что исследуемый объект заменяется его моделью, то есть некоторым другим объектом, сохраняющим основные свойства реального объекта, но более удобным для исследования.
Различаю физические и абстрактные модели. Элементами физических моделей являются некоторые физические объекты, в которых протекают физические процессы, аналогичные процессам в изучаемой системе. Элементами абстрактных моделей являются слова и предложения некоторого языка. В автоматизированных информационных технологиях наибольшее распространение получили абстрактные информационные модели.
Информационная модель – это отражение предметной области в виде информационных структур. Отражение предметной области в информационных технологиях представляется информационными моделями нескольких уровней (рис. 4).
Концептуальная модель обеспечивает интегрированное представление о предметной области и имеет слабо формализованный характер (например, техническое задание, план производства и т.п.). Логическая модель формируется из концептуальной путем выделения конкретной части, её детализации и формализации. Математической моделью называется модель, формализующая выделенные в логической модели объекты и их взаимосвязи на языке математики. Математическая модель преобразуется в алгоритмическую модель, определяющую последовательность действий, необходимую для достижения заданной цели управления. На основе алгоритмической модели создается программа, являющаяся представлением алгоритмической модели на языке, понятном ЭВМ.
Рис. 4. Уровни информационных моделей
3. Базовая структура информационной технологии
3.1. Основные информационные процессы и уровни их представления
Любая информационная технология слагается из взаимосвязанных информационных процессов, каждый из которых содержит определенный набор процедур, реализуемых с помощью информационных операций. Информационная технология выступает как система, функционирование каждого элемента которой подчинено общей цели – получению информационного продукта из исходного информационного ресурса.
Основными информационными процессами, образующими информационную технологию, являются процессы
обработки данных,
накопления данных;
обмена данными;
представления данных.
Информационная технология и отдельные информационные процессы имеют три уровня представления:
концептуальный;
логический;
физический.
Концептуальный уровень определяет содержательный аспект информационной технологии. На этом уровне дается содержательное описание отдельных этапов производства информации.
Логический уровень представляет собой комплекс взаимосвязанных моделей, формализующих информационные процессы.
Физический уровень отражает программно-аппаратную реализацию информационных процессов.
3.2. Концептуальный уровень
Любая информационная технология начинается с формирования информационного ресурса, то есть исходных данных, которые в результате ряда преобразований должны превратиться в информационный продукт. Процесс формирования информационного ресурса состоит из трех этапов:
сбор информации;
подготовка информации;
ввод информации.
Формирование информационного ресурса начинается с процесса сбора информации, которая должна описывать предметную область, то есть объект управления. Собранная информация должна быть оценена с точки зрения её полноты, непротиворечивости и достоверности. Подготовка информации заключается в её представлении в виде некоторых информационных структур (таблиц, списков, графов, массивов и пр.). После подготовки информации выполняется её ввод, то есть преобразование в цифровые коды, фиксируемые на физических носителях.
Процесс формирования информационного ресурса является в основном ручным. Следующие за вводом данных информационные процессы протекают в ЭВМ. Они выполняют преобразования данных по заданным алгоритмам.
Процесс обработки данных заключается в преобразовании структур данных и их значений, а так же представлении их в форме, удобной для восприятия человеком, то есть в отображении данных.
Процесс обмена данными заключается в обмене данными между различными процессами информационной технологии. Он включает в себя процедуры двух типов.
Процедуры передачи данных по каналам связи (кодирование, декодирование, модуляция, демодуляция, усиление, приём, передача).
Процедуры организации вычислительной сети (коммутация, маршрутизация потоков данных).
Процесс обмена позволяет передавать данные от источника к получателю и организовать объединение информации от многих источников.
Процесс накопления данных состоит в организации их хранения и актуализации. Хранение данных связано с созданием такой структуры расположения данных в памяти ЭВМ, которая позволяет быстро и неизбыточно накапливать данные и осуществлять их поиск. Актуализация данных заключается в поддержании хранения данных на уровне, соответствующем потребностям решаемых задач. Она достигается путем их обновления и пополнения, а также уничтожения устаревших данных.
Процесс представления знаний состоит из процедур формирования знаний, их накопления в формализованном виде и генерации новых знаний на основе накопленных в соответствии с поставленной задачей. Новое знание и является конечным продуктом, получаемым с помощью информационных технологий.
3.3. Логический уровень
На логическом уровне информационная технология представляется совокупностью формализованных моделей преобразования информации. Процессу формирования информационного ресурса на концептуальном уровне соответствует разработка модели предметной области на логическом уровне. Предметной областью называется часть объективной реальности, являющаяся объектом исследования. Разработка модели предметной области завершается разработкой формальной модели решаемой задачи.
На логическом уровне представления описываются те же основные информационные процессы, что и на концептуальном уровне:
обработки данных,
накопления данных;
обмена данными;
представления данных.
Их описание выполняется в форме формализованных моделей.
Модель обработки данных состоит из формализованного описания следующих процедур.
1. Процедур организации вычислительного процесса .
Под организацией вычислительного процесса понимается управление ресурсами компьютера (память, процессор, внешние устройства). Эти процедуры формализуются в виде алгоритмов и программ операционной системы компьютера.
2. Процедур преобразования данных.
Эти процедуры описываются в виде алгоритмов и программ обработки данных и их структур, таких как сортировка, поиск, создание и преобразование статистических и динамических структур данных (массивы, списки, деревья и пр.).
3. Процедур отображения данных.
Процедуры отображения данных представляются в виде алгоритмов и программ преобразования данных из внутреннего представления в ЭВМ в воспринимаемую человеком форму. Данные могут отображаться в виде текстов, графических изображений и звука.
Модель накопления данных представляет собой формализованное описание процедур создания, хранения и поддержания в актуальном состоянии информационных ресурсов, необходимых для решения конкретных задач управления. Эта модель реализуется на компьютере в виде базы данных. Описание процедур создания структур данных, хранения, актуализации, извлечения и удаления данных осуществляется в виде программ системы управления базами данных.
При создании базы данных в настоящее время используются реляционный, иерархический, сетевой и объектно-ориентированный подходы.
Модель обмена данными включает в себя формализованное описание процедур, с помощью которых осуществляется функционирование вычислительной сети. Работа сети основывается на формализованных соглашениях между её пользователями, которые называются протоколами сетевого обмена.
В настоящее время в качестве международного стандарта принята базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI – Open System Interconnection.
Модель представления знаний. Под моделью представления знаний понимается соглашение о том, как описываются понятия и отношения реальной предметной области. Модель представления знаний выбирается в зависимости от предметной области и вида решаемой задачи. В настоящее время в качестве моделей представления знаний используются логические схемы, продукционные модели, семантические сети и фреймы.
Логические схемы представляют знания в виде формул, которые состоят из констант, переменных, функций, предикатов, логических связок и кванторов. В основе логических схем лежит понятие формальной системы или формальной аксиоматической теории.
В продукционных моделях знания представляются в виде выражений вида
ЕСЛИ условие ТО действие,
которые называются продукционными правилами. Они фиксируют информацию о последовательности целенаправленных действий.
В семантических сетях знания представляются в виде графа, в вершинах которого находятся понятия данной предметной области, а ребрам графа соответствуют отношения между понятиями.
Фрейм является разновидностью семантической сети. Это некоторая структура данных для представления стереотипной ситуации. С фреймом связываются три типа информации:
как использовать фрейм;
чего следует ожидать в данной ситуации;
что следует сделать, если ожидания не оправдались.
3.4. Физический уровень
На физическом уровне автоматизированная информационная технология рассматривается как большая система, состоящая из подсистем:
обработки данных,
накопления данных;
обмена данными;
представления данных.
Подсистема обработки данных включает в себя вычислительные машины различных классов. В настоящее время при создании автоматизированных информационных технологий используются три класса ЭВМ:
большие универсальные ЭВМ, способные накапливать и обрабатывать огромные объёмы информации (суперЭВМ);
абонентские вычислительные машины (серверы);
персональные компьютеры и управляющие ЭВМ.
Обработка данных производится с помощью программ решения задач для конкретной предметной области.
Подсистема накопления данных реализуется с помощью внешних запоминающих устройств компьютеров – жестких дисков, видеодисков и магнитных лент и управляющих ими программ.
В подсистему обмена данными входят комплексы программ и устройств, позволяющие реализовать вычислительную сеть и осуществить по ней передачу и приём сообщений с необходимой скоростью и качеством. Аппаратными компонентами этой подсистемы служат модемы, усилители, коммутаторы, кабели и пр. Программными компонентами являются программы, реализующие сетевые протоколы.
Подсистема представления знаний на физическом уровне реализуется с помощью комплекса программ, образующих экспертную систему. Их реализация осуществляется на персональных компьютерах.