1. 1. Понятие о кибернетике как науке о управлении. Основные направления в кибернетике.

Кибернетика — это наука о целенаправленном оптимальном управлении сложными динамическими системами. Она изучает общие закономерности управления и передачи информационных данных в живых организмах, машинах и обществе. 

Основные направления кибернетики:

1. Биологическая кибернетика. Изучает управление в живых организмах и их сообществах. 

2. Техническая кибернетика. Исследует управление в технических системах: машинах, технических устройствах, технологических комплексах. 

3. Экономическая кибернетика. Изучает управление в обществе: в народном хозяйстве, его отраслях, в промышленности, её структурных подразделениях, предприятиях и организациях.

2. теория автоматов, машина Тьюринга.

Теория автоматов – это раздел теоретической информатики, изучающий абстрактные вычислительные машины и их вычислительные возможности. Ключевым понятием является автомат, представляющий собой математическую модель вычислительного устройства. Существуют различные типы автоматов, различающиеся по своим возможностям и сложности. Машина Тьюринга является одной из самых важных и мощных моделей в теории автоматов.

Основные понятия теории автоматов:

* Автомат: Абстрактная модель вычислительного устройства, состоящая из конечного множества состояний, входного алфавита, функций переходов и выходов.

* Конечный автомат (КА): Автомат с конечным числом состояний. Используется для моделирования простых систем, таких как распознавание шаблонов в тексте. Существуют детерминированные конечные автоматы (ДКА) и недетерминированные конечные автоматы (НКА).

* Стек автомат (пост-машина): Автомат, дополненный стеком для хранения данных. Более мощный, чем КА, позволяет распознавать контекстно-свободные языки.

* Машина Тьюринга (МТ): Универсальная модель вычислительной машины, состоящая из бесконечной ленты, головки для чтения/записи, конечного множества состояний и таблицы переходов. Может моделировать любую вычислимую функцию.

Машина Тьюринга:

Машина Тьюринга – это теоретическая модель вычислительной машины, разработанная Аланом Тьюрингом в 1936 году. Она состоит из:

* Бесконечной ленты: Разделена на ячейки, каждая из которых может содержать один символ из конечного алфавита.

* Головки: Устройство, которое может читать, записывать и перемещаться по ленте.

* Конечного множества состояний: Определяет состояние машины в данный момент времени.

* Таблицы переходов: Определяет, как машина должна действовать в зависимости от текущего состояния и символа, считанного головкой. Таблица переходов указывает, какой символ записать, куда переместить головку (влево, вправо или остаться на месте) и в какое состояние перейти.

* Начальное состояние: Состояние, с которого начинается работа машины.

* Останавливающееся состояние (или состояния): Состояние(я), при достижении которого машина останавливает свою работу.

Важность машины Тьюринга:

* Универсальность: Машина Тьюринга может моделировать любую вычислимую функцию. Это значит, что любая задача, которая может быть решена на любом другом вычислительном устройстве, может быть решена также и на машине Тьюринга.

* Теоретическая основа вычислений: Послужила основой для развития теории вычислимости и сложности алгоритмов.

* Определение вычислимости: Позволяет формально определить понятие "вычислимой функции". Функция вычислима, если существует машина Тьюринга, которая может вычислить её значение для любого допустимого входа.

* Ограничения вычислений: Помогает понять ограничения вычислительных возможностей, например, проблему остановки.

Проблема остановки: Нет алгоритма, который мог бы определить, остановится ли произвольная машина Тьюринга для произвольного входа. Это фундаментальное ограничение вычислительных возможностей.

В заключение, теория автоматов и машина Тьюринга являются фундаментальными концепциями в теоретической информатике, позволяющими изучать вычислительные возможности и ограничения различных моделей вычислительных устройств. Они играют важную роль в разработке и анализе алгоритмов, а также в понимании природы вычислений.

3. Классификация ИС по принципу структурирования данных

Классификация информационных систем (ИС) по принципу структурирования данных определяет, как ИС организует и хранит информацию. Существует несколько подходов к такой классификации, и они часто перекрываются. Вот некоторые из основных:

1. По типу данных:

* ИС, работающие с числовыми данными: Обрабатывают преимущественно числовую информацию, часто используемую в математических расчётах, статистическом анализе, моделировании. Примеры: системы автоматизированного проектирования (САПР), системы управления запасами (WMS).

* ИС, работающие с текстовой информацией: Обрабатывают и хранят преимущественно текстовые данные. Примеры: системы обработки текстов, системы управления документами (DMS), поисковые системы.

* ИС, работающие с графической информацией: Обрабатывают и хранят графические изображения, карты, чертежи. Примеры: системы компьютерной графики, ГИС (геоинформационные системы), системы редактирования изображений.

* ИС, работающие с мультимедийной информацией: Работают с различными типами данных, включая текст, графику, аудио и видео. Примеры: медиатеки, системы видеоконференций, системы электронного обучения.

* ИС, работающие со смешанными данными: Используют комбинацию различных типов данных. Это наиболее распространенный тип ИС. Пример: практически любая современная CRM-система.

2. По уровню структуризации данных:

* ИС с неструктурированными данными: Данные не имеют определённой структуры и формата. Примеры: электронная почта, текстовые документы без разметки, изображения.

* ИС с полуструктурированными данными: Данные имеют частичную структуру, например, теги XML или метаданные. Примеры: некоторые типы веб-страниц, данные в формате JSON.

* ИС с структурированными данными: Данные организованы в таблицы, базы данных с четко определёнными полями и типами данных. Примеры: реляционные базы данных, системы управления базами данных (СУБД) как Oracle, MySQL, PostgreSQL.

3. По методу организации данных:

* ИС на основе реляционных баз данных: Данные хранятся в таблицах, связанных между собой. Это наиболее распространенный тип ИС для структурированных данных.

* ИС на основе объектно-ориентированных баз данных: Данные хранятся в виде объектов с атрибутами и методами.

* ИС на основе NoSQL баз данных: Используются для работы с большими объёмами неструктурированных или полуструктурированных данных. Существует несколько типов NoSQL баз данных: документо-ориентированные, графовые, колоночно-ориентированные, и т.д.

* ИС на основе файловых систем: Данные хранятся в файлах. Этот подход менее структурирован и подходит для небольших объёмов данных.

Важно отметить, что многие современные ИС используют комбинацию различных подходов к структурированию данных. Например, ИС может использовать реляционную базу данных для хранения структурированной информации и хранилище объектов для неструктурированных данных (например, изображения продуктов в интернет-магазине). Выбор метода организации данных зависит от специфических требований и задач ИС.

4. Определение СУБД. Каковы место и роль СУБД в информационной системе.

Система управления базами данных (СУБД) — это программное обеспечение, предназначенное для создания, управления, модификации и доступа к базам данных. Она обеспечивает интерфейс между приложениями и данными, хранящимися в базе данных, обеспечивая целостность, безопасность и эффективность работы с информацией.

Функции СУБД:

* Создание и управление базами данных: СУБД позволяет определить структуру базы данных (таблицы, поля, связи между таблицами), создать её, а также изменять её структуру по мере необходимости.

* Хранение и извлечение данных: Обеспечивает надежное хранение данных и эффективный доступ к ним с помощью языка запросов (например, SQL).

* Обеспечение целостности данных: Контролирует корректность данных, предотвращая ввод неверных или несогласованных значений. Это достигается с помощью ограничений целостности (например, ограничения на уникальность, ограничения на значения, внешние ключи).

* Обеспечение безопасности данных: Контролирует доступ к данным, предотвращая несанкционированный доступ, модификацию или удаление информации. Это достигается с помощью системы прав доступа и аутентификации пользователей.

* Управление параллельным доступом: Позволяет нескольким пользователям или приложениям одновременно работать с базой данных без конфликтов.

* Бэкап и восстановление данных: Обеспечивает создание резервных копий данных и их восстановление в случае сбоев или катастроф.

* Транзакционная обработка: Обеспечивает целостность данных при выполнении множества операций, гарантируя, что либо все операции будут выполнены успешно, либо ни одна.

Место и роль СУБД в информационной системе:

СУБД является сердцем любой современной информационной системы, которая работает с большими объёмами данных. Её роль заключается в следующем:

* Централизованное хранение данных: СУБД обеспечивает централизованное хранение данных, доступных всем приложениям и пользователям, что предотвращает дублирование данных и повышает согласованность информации.

* Управление данными: Обеспечивает эффективный поиск, сортировку, фильтрацию и манипулирование данными.

* Повышение производительности: Оптимизирует доступ к данным, что повышает производительность приложений и сокращает время отклика.

* Гарантия целостности и безопасности данных: СУБД защищает данные от повреждения, потери и несанкционированного доступа, обеспечивая целостность и конфиденциальность информации.

* Поддержка многопользовательского доступа: Позволяет множеству пользователей одновременно работать с базой данных без конфликтов.

* Масштабируемость: Современные СУБД позволяют масштабировать базу данных для обработки больших объёмов информации и растущего числа пользователей.

Без СУБД информационная система превращается в набор несвязанных файлов, что затрудняет управление, поиск и анализ данных, а также делает систему ненадёжной и неэффективной. Выбор конкретной СУБД зависит от масштабов системы, типа данных, требований к производительности и безопасности.

5. Фон Нейманская Архитектура ЭВМ. Гарвардская архитектура

Фон-неймановская и гарвардская архитектуры – это две основные архитектуры компьютерных систем, определяющие организацию памяти и обработку данных. Ключевое различие между ними заключается в способе доступа к инструкциям и данным.

Фон-неймановская архитектура:

Эта архитектура, предложенная Джоном фон Нейманом, характеризуется единым адресным пространством для данных и инструкций. Это означает, что как данные, так и инструкции хранятся в одной и той же памяти и обрабатываются одним и тем же процессорным устройством (CPU). CPU последовательно извлекает инструкции из памяти, декодирует их и выполняет, при необходимости обращаясь к данным, также хранящимся в памяти.

Основные компоненты фон-неймановской архитектуры:

* Центральный процессор (CPU): Выполняет арифметические и логические операции, управляет потоком выполнения программы.

* Память: Хранит как данные, так и инструкции программы.

* Устройства ввода/вывода (I/O): Обеспечивают взаимодействие компьютера с внешним миром.

* Система шин: Связывает между собой все компоненты системы, обеспечивая передачу данных и команд.

Преимущества фон-неймановской архитектуры:

* Простота: Простая и понятная структура, легко реализуемая в аппаратном обеспечении.

* Эффективность использования памяти: Использование одного адресного пространства позволяет экономить память.

Недостатки фон-неймановской архитектуры:

* "Узкое горлышко" шины: Передача данных и инструкций по одной и той же шине создаёт "узкое горлышко", ограничивающее производительность. Процессор может быть вынужден ждать, пока данные будут загружены из памяти.

* Ограничение параллелизма: Последовательная обработка инструкций затрудняет параллельную обработку данных.

Гарвардская архитектура:

В отличие от фон-неймановской архитектуры, гарвардская архитектура использует раздельные адресные пространства для данных и инструкций. Это означает, что данные и инструкции хранятся в отдельных областях памяти и могут извлекаться одновременно. Это позволяет значительно увеличить производительность, так как процессор может одновременно получать данные и инструкции.

Основные компоненты гарвардской архитектуры:

* Центральный процессор (CPU): Выполняет арифметические и логические операции, управляет потоком выполнения программы.

* Память данных: Хранит данные.

* Память инструкций: Хранит инструкции программы.

* Устройства ввода/вывода (I/O): Обеспечивает взаимодействие компьютера с внешним миром.

* Отдельные шины данных и инструкций: Обеспечивают одновременный доступ к данным и инструкциям.

Преимущества гарвардской архитектуры:

* Высокая производительность: Одновременный доступ к данным и инструкциям позволяет значительно увеличить скорость обработки.

* Увеличенный параллелизм: Раздельные адресные пространства упрощают параллельную обработку данных и инструкций.

Недостатки гарвардской архитектуры:

* Сложность: Более сложная в реализации по сравнению с фон-неймановской архитектурой.

* Менее эффективное использование памяти: Использование двух отдельных пространств памяти может привести к менее эффективному использованию памяти.

Современные архитектуры:

Многие современные процессоры используют гибридную архитектуру, сочетающую преимущества фон-неймановской и гарвардской архитектур. Они имеют раздельные кэши для данных и инструкций, но используют единое адресное пространство для основной памяти. Это позволяет получить высокую производительность, сохраняя при этом простоту и эффективность использования памяти.

6. Автоматизированные системы управления производством

Автоматизированные системы управления производством (АСУП) — это комплексы технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления технологическими процессами, оборудованием и ресурсами на производстве. Они значительно повышают эффективность, качество и производительность предприятий.

Основные функции АСУП:

* Сбор данных: АСУП собирает данные о различных аспектах производственного процесса, таких как параметры оборудования, объемы выпуска продукции, наличие материалов, состояние заказов и т.д. Источники данных могут быть разнообразными: датчики, системы контроля, системы учёта, базы данных и т.д.

* Обработка данных: Собранные данные обрабатываются и анализируются для выявления тенденций, отклонений от плана и других важных параметров.

* Управление технологическими процессами: АСУП позволяет автоматизировать управление технологическими процессами, регулируя параметры оборудования и корректируя ход производства в реальном времени.

* Управление ресурсами: Система оптимизирует использование ресурсов, таких как материалы, энергия, персонал, обеспечивая их эффективное распределение и минимизацию отходов.

* Планирование производства: АСУП помогает в планировании производства, оптимизируя расписание работ, заказы и поставки материалов.

* Контроль качества: Система обеспечивает контроль качества продукции на всех этапах производства, выявляя дефекты и отклонения от стандартов.

* Учет и отчетность: АСУП ведет учет всех аспектов производственного процесса и генерирует отчеты о производительности, затратах и качестве продукции.

Структура АСУП:

АСУП обычно состоит из нескольких взаимосвязанных уровней:

* Уровень управления технологическим оборудованием (нижний уровень): Включает в себя программируемые логические контроллеры (ПЛК), датчики, исполнительные механизмы и другую аппаратуру, непосредственно взаимодействующую с оборудованием.

* Уровень управления технологическим процессом (средний уровень): Обеспечивает управление технологическими процессами на основе данных, полученных с нижнего уровня. Может включать в себя системы диспетчеризации, SCADA-системы и другие программные средства.

* Уровень управления производством (верхний уровень): Обеспечивает планирование, управление ресурсами, контроль качества и формирование отчетности. Использует данные со средних и нижних уровней, а также данные из других информационных систем предприятия (например, ERP-системы).

Типы АСУП:

Существуют различные типы АСУП, адаптированные к специфике разных отраслей промышленности:

* АСУП для дискретного производства: Управляет производством отдельных деталей и компонентов (например, автомобилестроение, электроника).

* АСУП для непрерывного производства: Управляет непрерывными технологическими процессами (например, нефтехимия, металлургия).

* АСУП для гибкого производства: Обеспечивает автоматизацию производства с быстрой перенастройкой на выпуск различных видов продукции.

Преимущества внедрения АСУП:

* Повышение производительности: Автоматизация процессов сокращает время производства и повышает эффективность использования ресурсов.

* Повышение качества продукции: Автоматический контроль качества снижает количество брака и повышает качество продукции.

* Сокращение затрат: Оптимизация использования ресурсов и снижение брака приводят к сокращению затрат.

* Улучшение планирования: АСУП помогает в более точном и эффективном планировании производства.

* Повышение конкурентоспособности: Внедрение АСУП позволяет предприятию стать более конкурентоспособным на рынке.

Недостатки внедрения АСУП:

* Высокие первоначальные затраты: Внедрение АСУП требует значительных инвестиций в оборудование и программное обеспечение.

* Сложность внедрения: Процесс внедрения АСУП может быть сложным и длительным, требующим специальных знаний и опыта.

* Риск ошибок: Неправильное проектирование и внедрение АСУП могут привести к ошибкам в производстве и потерям.