Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные информационные технологии. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛ ЬНО Е ГОСУД АРС ТВЕ НН ОЕ БЮ ДЖЕ ТНОЕ ОБР АЗОВА ТЕЛЬН ОЕ УЧ РЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРА ЗОВАН ИЯ
«Санкт-Петербургский государственный университет
промышленных технологий и дизайна»
Кафедра информационных технологий
В. И. Пименов Е. Г. Суздалов Т. А. Кравец
СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Санкт-Петербург
2017
УДК 681.5
ББК 32.81
П32
Рецензенты:
доктор технических, профессор
Балтийского государственного технического университета
им. Д. Ф. Устинова
В. А. Санников;
доктор технических, профессор
кафедры автоматизации производственных процессов
ФГБОУВО «Санкт-Петербургский государственный университет
промышленных технологий и дизайна»
А. Б. Кикин
Пименов, В. И.
П32 Современные информационные технологии: учеб. пособие /
В. И. Пименов, Е. Г. Суздалов, Т. А. Кравец. – СПб.: ФГБОУВО
«СПГУПТД», 2017. – 87 с.
ISBN 978-5-7937-1471-6
Выпускники аспирантуры, имеющие квалификацию «исследователь», должны
владеть навыками системного анализа сложных объектов в прикладной области, знать
научные принципы и методы исследований информационных процессов, закономерности внедрения информационно-коммуникационных технологий в сферу научнообразовательной деятельности.
В пособии изложены основные методы и модели, лежащие в основе теории си-
стем и системного анализа, при выполнении поэтапных статистических исследований
и анализе данных на компьютере. Затронуты вопросы оформления и представление
материалов исследования.
Предназначено для аспирантов всех направлений и форм обучения.
УДК 681.5
ББК 32.81
ISBN 978-5-7937-1471-6 © ФГБОУВО «СПбГУПТД», 2017
© Пименов В. И., 2017
© Суздалов Е. Г., 2017
© Кравец Т. А., 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5
1. ОБЪЕКТЫ И ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................... 6
1.1. Понятие системы как словесной (вербальной) модели объекта
исследования ............................................................................................................ 6
1.2. Основные признаки и свойства систем (объектов исследования) .............. 8
1.3. Классификация систем (объектов исследования) ....................................... 12
1.4. Прямая и обратная задачи исследования систем. Этапы
исследования .......................................................................................................... 16
1.5. Контрольные вопросы ................................................................................... 25
2. ПРЕДПРИЯТИЕ КАК СЛОЖНАЯ СИСТЕМА ................................................. 26
2.1. Организационная структура и состав предприятия .................................... 26
2.2. Функциональная структура и состав предприятия ..................................... 35
2.3. Процесс функционирования предприятия................................................... 39
2.4. Информационные потоки, обрабатываемые в процессе
функционирования предприятия ......................................................................... 42
2.5. Классификация информационных технологий ........................................... 49
2.6. Контрольные вопросы ................................................................................... 51
3. ЗАДАЧИ АНАЛИЗА ДАННЫХ .......................................................................... 52
4. АНАЛИЗ ДАННЫХ ПРИ ПРЕДСКАЗАНИИ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ
ПЕРЕМЕННОЙ.......................................................................................................... 54
4.1. Общая схема объекта исследования ............................................................. 54
4.2. Типы признаков (переменных) ..................................................................... 55
4.3. Модели зависимостей между количественными переменными ............... 56
4.4. Этапы статистического анализа .................................................................... 56
4.5. Практическое задание: подготовка данных ................................................. 58
5. ПЕРВИЧНАЯ СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА .......................................... 59
5.1. Наглядные методы представления выборок ................................................ 59
5.2. Практическое задание: наглядное представление выборки
в специализированном пакете .............................................................................. 62
5.3. Выборочные точечные характеристики (статистики) ................................ 63
5.4. Практическое задание: расчет точечных статистик
в специализированном пакете .............................................................................. 66
5.5. Интервальное оценивание параметров ........................................................ 67
5.6. Практическое задание: расчет доверительных интервалов
в специализированном пакете .............................................................................. 67
5.7. Проверка гипотез о параметрах распределения .......................................... 68
5.8. Диаграмма рассеяния ..................................................................................... 70
5.9. Практическое задание: построение диаграмм рассеяния
в специализированном пакете .............................................................................. 71
5.10. Коэффициент корреляции ........................................................................... 71
Свойства коэффициента корреляции ............................................................ 72
5.11. Практическое задание: вычисление матрицы парных коэффициентов
корреляции ............................................................................................................. 73
3
6. ЗАДАЧИ КЛАССИФИКАЦИИ И РЕГРЕССИИ ............................................... 74
6.1. Простая линейная регрессия ......................................................................... 74
6.2. Множественная линейная регрессия ............................................................ 77
6.3. Поиск модели регрессии в специализированном пакете ........................... 78
6.3.1. Доверительные области линии истинной регрессии и прогнозов
наблюдений отклика ....................................................................................... 78
6.3.2. Глазомерная оценка адекватности регрессионной модели .............. 79
6.3.3. Множественная регрессия .................................................................... 80
6.3.4. Пошаговая регрессия ............................................................................ 82
6.3.5. Исследование поверхности отклика.................................................... 83
6.3.6. Практическое задание: пошаговая регрессия, исследование
поверхности отклика ....................................................................................... 84
7. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ...................................... 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 86
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................... 87
4
ВВЕДЕНИЕ
Цель дисциплины “Современные информационные технологии” – cфор-
мировать компетенции обучающегося в области применения современных информационных технологий для выполнения научных исследований.
Особенностью настоящего учебного пособия для аспирантов является не
только теоретическое рассмотрение методов теории систем и системного анализа, базирующихся на принципах системного подхода, но и их применение
для решения практических задач исследования реальных объектов, представленных в виде сложных систем.
В настоящее время широко используемыми методами исследования
сложных систем являются методы моделирования. При этом особое внимание
уделяется универсальным математическим моделям, позволяющим с помощью
современных информационных технологий и компьютерной техники успешно
проводить исследования различных сложных систем, получая практические рекомендации по их построению.
В последние годы получил распространение информационный подход к
моделированию, ориентированный на использование данных. Его цель – освобождение аналитика от рутинных операций и возможных сложностей в понимании и применении современных математических методов. При информационном подходе реальный объект рассматривается как «черный ящик», имеющий ряд входов и выходов, между которыми моделируются некоторые связи.
Иными словами, известна только структура модели (например, линейная регрессия), а сами параметры модели «подстраиваются» под данные, которые
описывают поведение объекта.
Пособие состоит из 7 разделов. Методы теории систем и системного ана-
лиза рассмотрены в разд. 1, 2, методы статистических исследований и анализе
данных на компьютере – в разд. 3–6.
В процессе изучения дисциплины студент выполняет ряд практических
заданий, начиная с анализа объекта исследования, сбора, предварительной обработки данных, выбора структуры модели, оценивания ее параметров, интерпретации результатов и оформления результатов исследования.
5
Информационные
потоки
Информационные
потоки
Энергетические
потоки
Материальновещественные
потоки
Энергетические
потоки
Материальновещественные
потоки
Правила
преобразования
входов в выходы
Средства
преобразования
входов в выходы
Исполнители
В
х
о
д
ы
В
ы
х
о
д
ы
1. ОБЪЕКТЫ И ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Понятие системы как словесной (вербальной) модели объекта
исследования
Под объектом исследования обычно понимают некоторое образование,
существующее вне нас и являющееся областью познания и воздействия. Практически любой реальный объект можно исследовать, заменяя его моделью в
виде системы, представляющей собой некоторую целостную совокупность, состоящую из отдельных элементов, которые связаны между собой материальными, энергетическими или информационными связями, в результате чего эта
совокупность имеет некоторые специфические свойства, не присущие в полной
мере каждому из входящих в него элементов. Это так называемое конструктивное определение системы, схематично показанное на рис. 1.1, можно рассматривать как кратко сформулированную словесную (вербальную) модель системы
или практически любого объекта исследования, который она заменяет.
Среда
детально конструктивное определение системы. Начнем с того, что каждая система является элементом другой, более крупной системы, и каждый элемент в
свою очередь является системой, но только меньшей, чем та, в которую он входит. Отсюда следует, что весь окружающий нас реальный мир состоит из систем и сам представляет собой некоторую систему.
собой не что иное, как операции (целенаправленное действие) по обработке ма-
6
Рис. 1.1. Конструктивное определение системы
Более полную вербальную модель возможно получить анализируя более
Материальные, энергетические или информационные связи представляют
териальных, энергетических или информационных потоков. Каждая из этих
операций может выполняться несколькими элементами системы одновременно
или последовательно. Взаимное выполнение операций объединяет или связыва-
ет элементы между собой. Поскольку элементы системы выполняют операции
путем реализации своих свойств, то выполнение каждой операции обобщает
или интегрирует свойства элементов, превращая их в некоторое специфическое
свойство группы элементов, отличающееся от свойств каждого элемента.
Здесь следует отметить, что в зависимости от того, какие элементы вы-
полняют операцию, она может быть неделимой (элементарной) или составной
(системной). Так, если операция выполняется с помощью элементов некоторой
системы, которая входит в состав другой системы в виде элемента, то на уровне
последней эта операция будет неделимой, а на уровне первой – составной.
Все операции, которые выполняют элементы системы, складываются в
некоторую совокупность, называемую функционированием системы. Через способность достигать цель с помощью функционирования выявляются возможности или свойства всей системы в целом. Отсюда, функционирование, определяя
взаимосвязь элементов в системе через совместное выполнение ими операций,
отражает собой структуру системы.
Структура системы и ее элементы могут быть подвижными, то есть из-
меняющимися, объектами даже тогда, когда система не меняет своего назначения, то есть цель и другие функции системы остаются постоянными. Это, как
правило, происходит в случае решения задачи совершенствования системы,
например, повышения ее эффективности.
Очевидно, что структура и состав элемента системы обусловливают друг
друга, однако ни состав элементов, ни структура не определяют друг друга однозначно. Так, структура системы может быть одна и та же, а состав элементов,
выполняющих операции, разный. Это объясняется тем, что необходимые для
выполнения операций свойства могут иметь совершенно разные элементы, а
значит, одни и те же операции могут выполняться разными элементами.
В то же время, структура системы – состав операций и их последователь-
ность – может изменяться, а состав элементов оставаться постоянным. Это, конечно, возможно, когда неизменный состав элементов имеет свойства, достаточные для обеспечения изменения структуры.
Если система создана или модернизирована и какой-то период времени не
меняет свои состав и структуру, то граница такой системы на данный период
определяется в основном ее структурой.
Дело в том, что некоторые элементы могут принадлежать сразу несколь-
ким системам, но в разное время, т. е. одни и те же элементы могут мигрировать из системы в систему, участвуя в функционировании каждой из них, используя соответствующие свои свойства. Обычно такие элементы имеют расширенный набор свойств, позволяющий в одной системе реализовать одну
функцию, а в другой системе – другую, то есть систем несколько, а элемент
один и тот же, но многофункциональный и подвижный.
7
Отсюда следует, что несколько систем могут быть функционально связа-
ны не только операциями, выполняемыми совместно их элементами, но и через
элементы, принадлежащими сразу нескольким системам.
1.2. Основные признаки и свойства систем (объектов исследования)
Основными признаками системы, отвечающими дескриптивному опреде-
лению «система», могут быть: совокупность, связь, подсистема, элемент,
структура, организация, управление, цель, функция, функционирование, эффективность, оптимальность. Дадим их краткое определение.
Под совокупностью можно понимать сочетание, соединение, объедине-
ние объектов.
Связь – обязательный признак элементов системы. Она рассматривается
как способ воздействия, взаимодействия или отношение элементов между собой, обусловливающий структуру системы. Обычно рассматриваются следующие типы связей: материально-вещественные, энергетические, информационные. Понятие связь характеризует одновременно и строение, и функционирование системы.
Подсистема – часть системы, представляющая собой совокупность неко-
торых ее элементов и отличающаяся подчиненностью, с точки зрения выполняемых функций. Подсистемы выделяются по функциональным. Названием "подсистема" подчеркивается, что такая часть должна обладать свойствами системы
(в частности, свойством целостности).
Элемент – часть системы, обладающий некоторой самостоятельностью и
имеющий связи с другими частями. Элемент системы при данном рассмотрении объекта не подлежит дальнейшему расчленению, т. е. это предел членения
системы с точки зрения решения конкретной задачи и поставленной цели. При
исследовании элемента нас должны интересовать только те свойства, которые
определяют его взаимодействие с другими элементами.
Структура – связи между элементами. Это понятие происходит от ла-
тинского слова structure, означающее строение, расположение, порядок. Выявление структуры позволяет зафиксировать объект как нечто целое. Структура
под воздействием функции во многом определяет свойства системы, в том числе и общесистемные свойства целостности, иерархичности и интегративности.
Она также играет важную роль в функционировании системы, обеспечивая ее
относительную устойчивость.
Со структурой системы тесно связана ее организация. Если структура си-
стемы отражает ее устойчивые связи, то организация выражает и структурные,
и составные аспекты системы.
На практике часто используют два понятия структуры системы: органи-
зационная и функциональная структура.
Организационная структура понимается как взаимосвязь элементов си-
стемы, находящихся на разных уровнях управления. При этом связь между
элементами представляет собой совместное выполнение ими операций по обра-
8
ботке потоков информации, идущих с верхних уровней управления вниз, и
наоборот.
Функциональная структура понимается как взаимосвязь элементов си-
стемы, находящихся, как правило, на одном уровне управления и осуществляющаяся путем совместной обработки потоков информации, материальных и
энергетических потоков в интересах функционального взаимодействия для выполнения своих задач.
Управление – совокупность информационных воздействий для достиже-
ния поставленных целей.
Цель – область состояний среды и системы, которую необходимо достичь
при функционировании системы. По другому, цель – это "желаемое" состояние
ее выходов, т. е. некоторое значение или подмножество значений функций системы. Цель может быть заданной как извне, так и поставлена системой самой
себе; в последнем случае цель будет выражать внутренние потребности системы.
Основным системообразующим признаком является функция системы.
Функция рассматривается как смысл существования, она отражает назначение
системы.
Функция задается системе извне и показывает, какую роль данная систе-
ма выполняет по отношению к более общей системе, в которую она включена
составной частью наряду с другими системами, выступающими для нее средой.
Немаловажное значение имеет вопрос о соотношении функции и цели си-
стемы, тем более что нередко цель и функция либо отождествляются, либо
функцию считают подчиненной цели. По определению, функция отражает
назначение системы, ее роль в среде и является объективно обусловленной средой; цель, наоборот, выражает внутренние потребности системы, имеющей
внутренний блок управления, следовательно, об отождествлении цели и функции или подчинении одного другому речь идти не может. Может утверждаться
лишь, что каждая из них в состоянии препятствовать или не препятствовать
осуществлению другой. При этом главенствующая роль принадлежит функции,
поскольку именно от нее зависит возможность самого существования системы:
если функция не выполняется, влияние среды может быть для системы разрушительным, в то время как обратное верно не всегда – если система выполняет
свою функцию, то не достижение (или достижение) цели, как правило, не несет
непосредственной угрозы разрушения. Например, если какая-либо фирма не
удовлетворяет потребностей потребителей своей продукцией (функция), то рано или поздно она разорится. Если же, вполне удовлетворяя потребности, фирма не получает прибыль (одна из возможных целей), она вполне может существовать значительное время.
Функционирование – осуществление различных процессов в системе при
взаимодействии со средой. В процессе функционирования система достигает
определенного результата – эффекта. Эффективность или результативность сле-
дует понимать как способность достижения результата, заданного ее функцией.
Понятие оптимума системы можно в общем виде определить следующим
образом. Оптимум системы представляет собой максимально (минимально) до-
9
стижимое значение целевой функции системы, соответствующее имеющимся
ресурсам при фиксированном значении показателя эффективности.
Таким образом, система может быть эффективной, но не оптимальной;
оптимальной и эффективной.
Как эффективность, так и оптимальность системы сильно зависят от того,
насколько эффективны и оптимальны ее подсистемы, и наоборот, однако зависимость здесь не прямая: эффективность функционирования подсистем способствует эффективности системы в целом, но не всегда приводит к ней в силу системного свойства интегративности. Что касается оптимума, то здесь еще более
сложная и противоречивая зависимость, которая может быть даже обратной:
достижение системой глобального оптимума может нарушить нормальное
функционирование подсистем; подсистемы не могут одновременно достичь оптимума, ибо это может вывести за допустимые пределы переменные других
подсистем и в целом переменные системы.
В качестве общесистемных свойств могут выступать: целостность,
иерархичность, интегративность, переходный процесс, равновесие, устойчивость, управляемость, достижимость, обратная связь, адаптивность, открытость (закрытость).
Дадим краткое описание основным свойствам системы.
Целостность – это общесистемное свойство, заключающееся в том, что
изменение любого элемента системы оказывает воздействие на все другие ее
элементы и приводит к изменению системы в целом; и наоборот, любое изменение системы отзывается на всех элементах системы.
Иерархичность системы состоит в том, что она может быть рассмотрена
как элемент системы более высокого порядка, а каждый ее элемент, в свою
очередь, является системой.
И наконец, интегративность представляет собой обладание системой
свойствами, отсутствующими у ее элементов (верно и обратное – элементы обладают свойствами, не присущими системе).
Реакция системы на какой-либо входной сигнал называется переходным
процессом. Переходные процессы систем при ступенчатом входном сигнале
изображены на рис. 1.2. Эти процессы характеризуются временем переходного
процесса Т, величиной перерегулирования σ (максимальное отклонение Y от Y0
до Y1 за время переходного процесса).
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]