Лекция 3. Иерархия функций компьютерной информационной системы

Информатика сегодня – это целый комплекс научных направлений и наукоемких технологий, существенно отличающихся друг от друга взглядами на «феномен информации» и способами приложения получаемых результатов. Процесс освоения «феномена информации» идет в двух направлениях: в осознании информационных законов человеком, в его самосовершенствовании через расширение миропонимания и в создании новых информационноемких технологий, значительно расширяющих возможности технических систем. Это органично вписывает человека в технологический процесс обработки информации и существенно повышает эффективность процесса принятия решений в автоматизированных системах управления.

Важнейшими методологическими принципами информатики являются (см. материал лекции 2) изучение объектов реального мира как информационных процессов и признание единства законов, которым подчиняются информационные процессы в природных, технических и социальных системах. Термин «информационный процесс» применяется здесь в полном соответствии с тем, как применяются, например, термины «механический процесс», «тепловой процесс», «электрический процесс», «химический процесс» и т.п., т.е. характеристика процесса указывает на средства моделирования, которые используются в том или ином конкретном случае для описания и исследования некоторого фрагмента реальности.

Компьютерные информационные системы (КИС) находят применение в самых разных областях, где приходится иметь дело со значительными объемами данных, от управления промышленными объектами и обработки результатов научных экспериментов до библиотечного дела. Основной целью создания КИС является удовлетворение информационных потребностей пользователей путем предоставления необходимой им информации на основе хранимых данных.

Информатика нацелена на получение обобщенных знаний о любых информационных системах, выявление общих закономерностей их построения и функционирования, разработку общих методологических принципов построения информационных моделей, информационного обеспечения управления любыми объектами на базе компьютерных информационных систем. Поэтому методы информатики применимы всюду, где существует возможность описания объекта, явления, процесса и т.п. с помощью информационных моделей.

3.1. Информация и данные

В естественных науках получило распространение определение информации в виде: информация есть запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных. Оно принадлежит Генри Кастлеру.

Слова «возможных и равноправных» означают, что варианты выбора принадлежат одному множеству и априорные различия между ними невелики. В идеале варианты могут быть полностью равноправны и равновероятны, но могут т отличаться. В этом случае слово «равновероятные» означает, что априорные вероятности различных выборов – величины одного порядка.

Слово «выбор» – отглагольное существительное. Его можно понимать в двух смыслах: как процесс и как результат процесса. Разница примерно такая же, как между судопроизводством и приговором суда. В определении Кастлера выбор понимается как результат процесса, но не как сам процесс.

Слово «процесс» в естественных науках прочно занято, оно означает изменение состояния системы во времени (то есть «движение» ее), которое в общем случае еще не известно чем закончится и закончится ли вообще. Согласно вышеупомянутому определению при этом информация еще отсутствует. Однако, информация как результат выбора не мыслима без процесса выбора, как приговор не мыслим без суда. Отнюдь не любой процесс заканчивается выбором. Последнее возможно лишь в процессах определенного класса. Поэтому целесообразно ввести понятие «информационный процесс», свойства которого мы обсудим позже.

Компьютер представляет собой устройство, основным назначением которого является автоматическая обработка данных. Информация кодируется с помощью данных и извлекается путем их декодирования и интерпретации. Человек, общающийся с компьютером, имеет дело с тремя мирами.

1. реальный мир, который существует вне зависимости от владельца компьютера и информацию о котором человек желает хранить и обрабатывать;

2. модельный мир – представление информации об объектах реального мира в виде формализмов, отражающих необходимые для решения прикладных задач характеристики этих объектов;

3. компьютерный мир – представление информации о моделях в виде, эффективном с точки зрения ее обработки компьютером.

Данные являются формальными описаниями объектов реального мира и отображают реальный мир в виде изображения или текста. Создатель программы пытается отобразить реальный мир, определяя необходимые множества данных, а также устанавливая необходимые отношения между данными в этом множестве. Тем самым реальный мир заменяется модельным миром данных. При изучении явлений, предметов, процессов внешнего мира с помощью компьютера определяются структуры хранения данных и алгоритмы преобразования данных. Тем самым модельный мир заменяется компьютерным миром.

Объектно-ориентированный подход основан на систематическом использовании моделей для языково-независимой разработки КИС, на основе ее прагматики. Прагматика определяется целью разработки КИС. В формулировке цели участвуют предметы и понятия реального мира, имеющие отношение к разрабатываемой КИС (рис. 3.1). При объектно-ориентированном подходе эти предметы и понятия заменяются их моделями, т.е. определенными формальными конструкциями, представляющими их в КИС. Модель содержит не все признаки и свойства представляемого ею предмета (понятия), а только те, которые существенны для разрабатываемой КИС. Тем самым модель «беднее», а, следовательно, проще представляемого ею предмета (понятия). Но главное даже не в этом, а в том, что модель есть формальная конструкция: формальный характер моделей позволяет определить формальные зависимости между ними и формальные операции над ними. Это упрощает как разработку и изучение (анализ) моделей, так и их реализацию на компьютере. В частности, формальный характер моделей позволяет получить формальную модель разрабатываемой КИС как композицию формальных моделей ее компонентов.

Рис. 3.1. Семантика (смысл программы с точки зрения выполняющего ее компьютера) и прагматика (смысл программы с точки зрения ее пользователей)

Объекты, одинаковые с некоторой точки зрения, объединяются в концептуальные классы. Например, концептуальный класс ЧЕЛОВЕК; концептуальный класс ДЕТАЛЬ; концептуальный класс ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ФИГУРА. Каждый объект концептуального класса обладает некоторым глобальным свойством, общим для всех объектов этого класса. Глобальное свойство и определяет принадлежность объекта именно к этому классу. Вместе с тем, каждый объект концептуального класса обладает некоторым индивидуальным свойством. Индивидуальное свойство выделяет его среди других объектов этого класса. Имея в своей профессиональной деятельности дело с каким либо концептуальным классом, человек, явно или неявно, собирает и хранит информацию об объектах этого класса. Под информацией об объекте концептуального класса мы будем подразумевать совокупность представлений человека об этом объекте.

Атрибут представляет одно, какое-либо неотъемлемое свойство объекта. С каждым атрибутом связывается имя атрибута. Значение атрибута в реальном мире мы будем называть характеристикой объекта. Таким образом, информацию об объекте концептуального класса мы отождествляем:

• с совокупностью определяющих этот объект атрибутов,

• с определенностью конкретных характеристик объекта – значений этих атрибутов в реальном мире.

Обозначение характеристики атрибута мы называем единицей данных (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Понятие атрибута и представление значения атрибута

Понимая под единицей данных обозначение какой-либо характеристики объекта, необходимо учитывать "потребителя" этого обозначения. Дело в том, что в большинстве случаев существует такая закономерность: обозначение, удобное для человека в модельном мире неэффективно с точки зрения его автоматической обработки аппаратурой в компьютерном мире. Пример: рисунок графа легко воспринимается человеком, тогда как для обработки графа целесообразнее представлять его в виде матрицы инциденций или в виде связного списка. Сказанное выше определяет двухуровневое представление данных в человеко-машинных системах обработки данных.

В компьютерном мире для каждого предложения описания объекта мы имеем соответствующий экземпляр хранения описания объекта. Множество таких экземпляров образует собственно структуру хранения описания объекта (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Обозначение объекта реального мира

Пример 1. Запись единицы данных: –12.Е+3. Это запись языка описания вещественных чисел. Код этой единицы данных:

Рис. 3.4. Машинное представление числа

Пример 2. Описание математического объекта «дерево»: A(B(D)(E))(C(F)(G)). Это предложение языка описания деревьев. Списковая структура хранения дерева приведена ниже:

Рис. 3.5. Машинное представление дерева

Важное замечание. Как запись, так и код единицы данных являют собой последовательность символов. Отличие записи от кода заключается в алфавите используемых символов и в способе образования строки. Если запись может содержать достаточно произвольные символы и строится по «человеческим» законам, то код состоит только из нулей и единиц и строится по «компьютерным» законам. Тоже можно сказать относительно предложения описания объекта и экземпляра хранения описания объекта. Заметим, что атрибуты объекта, по типу значений, подразделяются на числовые (количественные, порядковые) и качественные. В случае количественного атрибута, в реальном мире существует единица измерения величины его значения, и характеристика являет собой число – результат измерения (с указанием явно или по умолчанию единицы измерения).

В модельном мире значение числового атрибута представляется записью числа (десятичной константой языка описания чисел), а в компьютерном мире – кодом числа (двоичной константой структуры хранения чисел). Например, 125 – запись числа, 1111101 – код числа. В случае качественного атрибута, множество допустимых его значений образует не метрическое множество свойств объекта. Например, атрибут ЦВЕТ. В модельном мире значением качественного атрибута служит запись (имя) свойства объекта, в компьютерном мире - двоичный код, обозначающий то же свойство. Например, BLUE – запись языка описания цвета, 01000010010011000101010101000101 – двоичный код цвета. Вообще говоря, совокупность атрибутов, специфицирующих глобальное свойство объекта концептуального класса, может быть очень большой или даже бесконечной. Для каждой конкретной прикладной задачи, поставленной для концептуального класса, определяется частная совокупность атрибутов, т.е. выбираются лишь некоторые атрибуты, представляющие интерес в процессе решения данной конкретной задачи. Так, например, для решения прикладной задачи отдела кадров, поставленной для концептуального класса ЧЕЛОВЕК, определяется частная совокупность атрибутов: ФАМИЛИЯ, ГОД_РОЖДЕНИЯ, ПОЛ. Обозначая характеристики этих атрибутов, получаем, например, следующее предложение языка описания объекта: Иванов,1937,М. Для решения другой прикладной задачи, поставленной для того же концептуального класса, может быть выбрана другая частная совокупность атрибутов.

Теперь мы можем утверждать что:

• информация об объектах реального мира представляется нам в виде данных;

• данные это обозначения характеристик объекта, которые хранятся, передаются по линиям связи на расстояние и обрабатываются аппаратными средствами.

Следует выделить три проблемы, связанные с использованием данных в человеческой деятельности.

Проблема 1. Передача информации на расстояние. Для конкретного объекта выделяется совокупность атрибутов и обозначения характеристик этих атрибутов (данные) передаются от передатчика к приемнику по линиям связи. При этом обращается внимание на скорость и безошибочность передачи данных.

Проблема 2. Хранение информации. Для конкретного объекта выделяется совокупность атрибутов и коды характеристик этих атрибутов (данные) представляются одним из возможных состояний носителя информации (бумага, память компьютера). При этом обращается внимание на надежность и стоимость хранения информации.

Проблема 3. Обработка информации. Для конкретного объекта выделяется совокупность атрибутов, среди которой выделяются первичные атрибуты (величины которых известны априори) и вторичные атрибуты (величины которых необходимо определить в процессе обработки информации). Разрабатывается алгоритм, преобразующий значения первичных атрибутов (данных) в значения вторичных атрибутов (данных).

Таким образом, фундаментальное понятие информации, как совокупности представлений человека о некотором объекте концептуального класса, на практике заменяется конструктивным понятием набора данных. При передаче информации по линиям связи пересылаются наборы данных. В памяти компьютера хранятся наборы данных. При обработке информации исходные наборы данных (обозначения априори известных величин первичных атрибутов) преобразуются в результирующие наборы данных (обозначения априори неизвестных величин вторичных атрибутов). Мы называем представление информации в виде набора данных конструктивным потому, что предполагаем существование физических объектов и технических устройств, способных хранить передавать на расстояние и обрабатывать эти наборы данных. Подводя итог, можно сказать, что данные – это представление явлений внешнего мира (объектов, процессов, фактов, признаков, свойств и т.п.) в виде условных обозначений, удобных для истолкования и обработки человеком или компьютером. Отсюда возникает еще одна проблема, связанная с использованием информации в человеческой деятельности. 

Проблема 4. Кодирование информации: конструирование формальных языков и формальных кодов, обозначающих характеристики объектов реального мира; создание наборов данных для обозначения конкретных объектов реального мира с целью обработки информации об этих объектах.