- •1. Задачи информационной технологии
- •1.1. Понятие информации
- •1.2. Автоматизация информационного процесса
- •1.3. Информатика
- •1.4. Задачи информационной технологии
- •1.5. Структура информационной технологии
- •2. Информационные процессы
- •2.1. Процесс передачи информации
- •2.2. Процесс обработки информации
- •2.3. Процесс накопления информации
- •2.4. Представление знаний
- •2.5. Модель взаимодействия открытых систем
- •3. Системный подход к организации информационных процессов
- •3.1. Сущность системного подхода
- •3.2.Основные понятия теории систем
- •3.3.Методы описания систем Качественные методы описания систем
- •Количественные методы описания систем
- •3.4.Моделирование систем
- •4. Методика создания информационных систем
- •4.1. Организация информационных систем
- •4.2. Стадии и этапы создания информационных систем
- •I стадия - предпроектное обследование:
- •II стадия - проектирование:
- •III стадия - ввод системы в действие:
- •IV стадия - промышленная эксплуатация.
- •4.4. Роль пользователя в создании информационных технологий
- •5. Информационное обеспечение ис и технологий
- •5.1. Структура и содержание информационного обеспечения
- •5.2. Электронный документооборот
- •5.3. Организация информационного обеспечения
- •5.5. Автоматизированные базы и банки данных
- •6. Технологическое обеспечение информационных систем конечного пользователя
- •6.1. Задачи технологического обеспечения
- •6.2. Диалоговый режим обработки информации
- •6.3. Сетевой режим автоматизированной обработки информации
- •6.4. Технология обработки текстовой и табличной информации
- •6.5. Системы управления базами данных и базами знаний
- •6.6. Интегрированные технологии в распределенных системах обработки данных
- •Список литературы
- •Содержание
1.2. Автоматизация информационного процесса
Одной из основных научно-технических предпосылок появления автоматизированных систем управления в народном хозяйстве считалась автоматизация информационного процесса в управлении. Развитие средств вычислительной техники позволило не только улучшить характеристики информационного процесса, но и получить новые возможности, сведя к минимуму затраты человеческого труда в подготовке отчетной документации. Первые автоматизированные системы были направлены на постановку и решение информационных задач, имеющих рутинный характер.
Современная автоматизированная система представляет собой систему комплексной обработки информации. Под обработкой информации понимается процесс решения вычислительных задач, адекватно отражающих функциональные задачи управления. Именно комплексная обработка информации позволяет системно подойти к постановке и решению основной задачи АСУ - повышению эффективности производства. Для этого необходимо от общей экономико-математической модели управления перейти к частным экономико-математическим моделям, описывающим отдельные функциональные задачи АСУ, организовать решение задач в соответствии с этими моделями. Это приводит к решению ряда вычислительных задач на базе современных средств вычислительной техники. Если в традиционных системах управления имеет место ручное или механизированное выполнение информационных процессов, то в АСУ осуществляется автоматизация информационного процесса практически на всех этапах преобразования информации. В информационном процессе функционирования АСУ можно выделить следующие типовые фазы преобразования информации: сбор, подготовку, ввод, передачу, обработку, накопление, вывод, воспроизведение и регистрацию. Их можно рассматривать как самостоятельные информационные процессы. В реальной системе отдельные фазы преобразования информации могут присутствовать неявно, соотношение и значимость их зависит от уровня системы, т.е. от того, является ли система организационно-экономической, организационно-технологической либо технологической. Чем ниже уровень системы, тем большее значение приобретают такие фазы, как сбор, ввод, передача, вывод, отображение и регистрация. С повышением уровня системы, с появлением организационно-экономических задач возрастает доля обработки информации, ее хранения и накопления. Периодичность информации также зависят от уровня системы. Чем ниже уровень, тем меньше период возникновения информации, тем чаще возникают управляющие воздействия. Обработка информации на нижних уровнях должна осуществляться в реальном масштабе времени. Для верхних уровней при решении организационно-экономических задач стратегического характера может быть допущена пакетная обработка информации. При этом возникают требования к организации вычислительного процесса. Рассмотрим последовательно основные фазы преобразования информации в автоматизированных системах как составляющие единого информационного процесса.
Сбор информации. Фаза сбора информации является начальным этапом формирования осведомляющей информации. Сбор осуществляется либо с датчиков информации, встроенных в технологические или производственные процессы, с контрольно-измерительных приборов, либо путем съема данных графиков, чертежей, схем номенклатур, прейскурантов, спецификаций и т. д. В общем случае сигналы, поступающие от объекта, можно разделить на статические, отображающие устойчивые состояния объектов, и динамические, для которых характерно быстрое изменение во времени, отображающее, например, изменение электрических параметров системы. Статические сигналы обычно фиксируются в документальной форме, динамические появляются на выходе датчиков, контрольно-измерительных приборов и т. д. По характеру изменения сигналы делятся на непрерывные и дискретные. Непрерывный сигнал математически отображается непрерывной функцией, а физически представляет собой непрерывное значений тока или напряжения. Дискретный сигнал определяется конечным множеством значений некоторой величины, отображающей состояние объекта. С технологического оборудования с помощью датчиков снимается непрерывная информация, которая подвергается операциям преобразования и кодирования. Эти операции выполняются преобразователями. При преобразовании осуществляется дискретизация непрерывной величины. Эту операцию могут выполнять и датчики. При кодировании дискретное значение непрерывной величины превращается в код. Под кодом понимают определенный набор символов и знаков, однозначно отображающих любое сообщение, в том числе дискретизированное или мгновенно снятое с датчика значение непрерывной величины. Физически код представляет собой некоторую последовательность импульсов, распределенных во времени либо в пространстве. Он включает в себя ряд элементов, каждый из которых содержит определенное количество информации. Представленные в кодированном виде значения исходной информации хранятся в накопительных устройствах и через коммутатор по определенному закону выводятся на следующую фазу преобразования информации. Режим опроса, т.е. функционирования коммутатора, задается устройством программного управления. При этом могут реализовываться режимы циклического опроса, случайного поиска, опроса по загрузке накопителей, а также по заданным приоритетам. Рассмотрим отдельные, наиболее характерные для фазы сбора информации процедуры кодирования с использованием неизбыточных кодов.
Подготовка информации. Фаза подготовки информации заключается в записи информации, снятой автоматически с объекта управления либо полученной оператором, на носитель с целью включения её в процесс управления. Вид представления информации на выходе фазы подготовки зависит от того, с какой следующей фазой сопрягается подготовка информации. Если эта информация после ее подготовки должна быть передана в канал связи, то необходимо представить ее в виде электрического сигнала, способного передаваться по физической линии либо специально организованному каналу связи. Если за фазой подготовки следует обработка или хранение информации, то необходимо информацию перенести на машинный носитель либо документ в соответствии с теми правилами, которые определяются последующими фазами информационного процесса. При пакетной обработке информации фаза подготовки непосредственно сопрягается с фазой обработки. Тогда по своему содержанию эта фаза соответствует подготовке входных машинных документов. Информация может записываться на перфокартах, перфолентах и других носителях. Фаза подготовки обычно реализуется оператором, который работает на специальных устройствах подготовки данных. В настоящее время стремятся уменьшить степень участия человека в подготовке машинных документов, усиливаются диалоговые методы общения оператора с ЭВМ, реализуются отдельные автоматические процедуры. Информация в ЭВМ может вводиться с помощью перфокарт, перфолент либо непосредственно с клавиатуры. Ввод осуществляется в виде буквенно-цифрового текста. В первых поколениях ЭВМ этот текст отображался на перфокарте в виде пятиразрядного международного кода, с 1964 г. был введен стандартный семиразрядный код. Далее он совершенствовался, однако основная проблема обеспечения безошибочного ввода информации оставалась. Большое количество ошибок происходило по вине операторов, поэтому наряду с неизбыточными кодами получают применение коды, в которые вводятся контрольные символы. Семиразрядный неизбыточный код реализовывался на семидорожечной перфоленте, однако из-за отсутствия возможности автоматического контроля при вводе информации этот вариант перфоленты получил ограниченное применение. Перешли к восьмидорожечной перфоленте, на которой основная информация записывалась в семиразрядном коде и предусматривался дополнительный восьмой разряд, обеспечивающий контроль на нечетность. Введение дополнительного контрольного разряда означает переход к коду, способному обнаруживать ошибку.
При подготовке задач к решению на ЭВМ команды могут вписываться в двоичных кодах. В таком же виде они хранятся в памяти ЭВМ. При этом составляется программа, которая записывается в так называемом машинном языке. Процесс кодирования команд на машинном языке получил название программирования. Символическое обозначение всех команд называют языком Ассемблер, а машинную программу, по которой выполняется перевод с языка Ассемблер на машинный язык - Ассемблер. При подготовке информации в ЭВМ пользуются общими языками, когда информация записывается в символическом виде. При вводе информация преобразуется в двоичный код автоматически с помощью специальной программы, существующей в ЭВМ. Это ускоряет процесс программирования. Таким образом, если на первых этапах развития вычислительной техники коды подготовки информации соответствовали машинным кодам ЭВМ, то в настоящее время этап подготовки и ввода информации реализуется на более высоком уровне, что облегчает работу пользователя с ЭВМ, но ставит задачи создания специальных языков, близких к естественному языку пользователя.
На физическом уровне с помощью клавиатуры подготавливается команда, выраженная машинным кодом, соответствующим нажатой клавише. На логическом уровне, который реализуется базовой системой ввода - вывода, происходит преобразование поступающего машинного кода в специальный двухбайтовый код. Младший из двухбайтовых кодов соответствует изображенному на клавише знаку. Этот байт называют главным, а старший байт является вспомогательным. На функциональном уровне отдельным клавишам сопоставляются определенные функции, что реализуется программным путем. Возможно также программное переопределение клавиш по назначению непосредственно в ходе работы.
Каждый байт может интерпретироваться как двоичное число без знака, поэтому восемь разрядов отображают десятичное число в двоичном представлении, т.е. получаем восьмиэлементный двоичный неизбыточный код. Возможен такой вариант представления данных, когда каждый байт интерпретируется как две четырехразрядные группы, каждая из которых кодирует десятичную цифру. Возникает двоично-десятичное представление, которое, как указывалось выше, используется и при сборе информации. Таким образом, в современных условиях подготовка информации, если она не связана непосредственно с последующей ее передачей, при отсутствии бумажных носителей означает подготовку программ к вводу информации через клавиатуру. Характерно, что и в этом случае автоматизация фазы подготовки информации осуществляется за счет процедуры кодирования, которая реализуется аппаратным или программным путем.
Передача информации. Фаза передачи информации в информационном процессе автоматизированной системы возникает тогда, когда существует взаимодействие между территориально удаленными объектами. Основные операции по автоматизации этой фазы информационного процесса могут быть представлены схемой, отражающей простейшее взаимодействие источника и потребителя информации, между которыми существует канал связи, и возникает задача передачи заданного объема информации через него с требуемой помехоустойчивостью. Сообщение, формируемое источником информации, подвергается на передающей стороне трем процедурам: преобразованию (выполняется преобразователем); кодированию (осуществляется кодирующим устройством); модуляции (реализуется модулятором). На приемной стороне над сигналом, который прошел через линейные согласующие устройства и канал связи, выполняются следующие процедуры: демодуляция с помощью демодулятора; декодирование (реализует декодирующее устройство); преобразование полученной информации в соответствующую форму (выполняет потребитель информации). Особенностью процесса передачи является то, что сигнал, отображающий код, в канале связи подвергается действию помех. Для обеспечения требуемой помехоустойчивости передачи информации предусматривают введение избыточности как в передаваемый сигнал, так и в код. Введение избыточности в передаваемый сигнал осуществляется за счет модуляции. Помехоустойчивость кода обеспечивается избыточным кодированием, которое является основным средством автоматизации фазы передачи информации.
Обработка информации. Термин "обработка информации" имеет более широкий смысл. Полезно выделить как подэтап предварительную обработку информации. При автоматизированном управлении целью обработки является решение с помощью ЭВМ вычислительных задач оптимизационного либо расчетного характера, отображающих функциональные задачи управления в системе. В этих условиях должны существовать модели обработки информации, соответствующие принятым алгоритмам управления. Можно считать, что в памяти ЭВМ хранится некоторая концептуальная модель - информационный образ объекта управления и модели процесса управления. Для обработки необходимо создать набор вычислительных алгоритмов с программным обеспечением, проблемно-ориентированным на задачи управления. На этапе предварительной обработки основной задачей является выявление смысла принятого сообщения. Семантическое содержание сообщения и его прагматическое значение зависят от пользователя, т.е. потребителя информации. Поэтому должно существовать правило интерпретации сообщения, которое принято по согласованию между источником информации и потребителем. Конкретное содержание процесса предварительной обработки зависит от конечной цели и может быть различным, например: для обнаружения сигнала, обработки текстовой информации, сжатия измерительной информации и т. д. В АСУ обработка информации автоматизирована. Эта операция является обязательной составляющей АСУ. Прежде всего необходимо обработать информацию, входящую во внешнее информационное обеспечение, т.е. ту, которая представлена в формализованном (документальном) виде. Показатели, содержащиеся в документах, обрабатываются в различных подразделениях предприятия. Одной из задач создания системы обработки является рациональное распределение вычислительных ресурсов между подразделениями с целью минимизации информационных потоков между службами предприятий и минимизация времени решения вычислительных задач. Вычислительные задачи, поставленные на основе данных, представленных в документах, имеют обычно информационный характер. Их решают с помощью ЭВМ на базе типовых вычислительных алгоритмов. Ряд задач в АСУ, связанных с прогнозированием, стратегическим планированием и управлением, решаются путем моделирования с использованием математических и имитационных моделей. В этих случаях возможна оптимизационная постановка задачи и получение значительного экономического эффекта от реализации автоматизированного управления. Несмотря на внешнюю разнотипность задач обработки информации, физическая реализация процесса обработки означает представление данных в ЭВМ с помощью машинных кодов и выполнение ряда типовых операций над данными. Как говорилось выше, пользователь может работать с ЭВМ в машинном коде, однако наличие языков программирования более высокого уровня позволяет оперировать со сложными иерархическими структурами данных. Возможны и разные формы представления форматов данных. Непрерывно совершенствуются процедуры ввода, вывода, поиска, представления и регистрации данных. Не останавливаясь на языках программирования, рассмотрим внутримашинные процедуры обработки информации в ЭВМ.
Хранение информации. Хранение информации можно рассматривать как передачу информации во времени. Различают оперативное и долговременное хранение информации. Необходимость хранения информации в ЭВМ связана не только с процессом арифметической обработки. При управлении создают информационные массивы, которые хранятся в информационной базе. Вопросы хранения информации, принципы организации информационных массивов, поиска, обновления, представления информации приобретают самостоятельный характер. Хранение информации осуществляется на специальных носителях. Носители информации можно разделить на оперативные и долговременные запоминающие устройства. Исторически наиболее распространенным носителем информации была бумага, которая, однако, непригодна в обычных (не специальных) условиях для длительного хранения информации. На бумагу оказывают вредное воздействие температурные условия: либо разбухает, либо ломается, способна к возгоранию.
В вычислительной технике по материалу изготовления различают следующие машинные носители: бумажные, металлические, пластмассовые, комбинированные и др.
По принципу воздействия и возможности изменения структуры выделяют магнитные, полупроводниковые, диэлектрические, перфорационные, оптические и др.
По методу считывания различают контактные, магнитные электрические, оптические. Особое значение при построении информационного обеспечения имеют характеристики доступа к информации, записанной на носителе. Выделяют носители прямого и последовательного доступа. Пригодность носителя для хранения информации оценивается следующими параметрами: временем доступа, емкостью памяти и плотностью записи.
Фаза хранения информации может быть представлена на концептуальном, логическом и физическом уровнях. Концептуальный уровень отражает содержательно информацию и способы реализации ее хранения. Логический уровень определяет порядок представления информации, организацию информационных массивов. Физический уровень означает реализацию хранения информации на конкретных физических носителях. Автоматизация фазы хранения информации осуществляется за счет процессов кодирования, процедур организации информационных массивов, алгоритмизации процессов ввода, поиска, вывода и обновления информации. При хранении в автоматизированных системах прежде всего нужно различать информацию, хранимую вне ЭВМ, т.е. в форме документов, и информацию, хранимую внутри ЭВМ с помощью специальных запоминающих устройств. На концептуальном уровне сведения о технико-экономическом объекте задают некоторый информационный образ. Этот образ отражается в виде технико-экономической информации, куда входят сведения наблюдателя об управляемом объекте, а также информация, которой обменивается этот объект с внешней средой. Ввиду большого объема технико-экономической информации необходимо компактное ее представление. Для этого используют процедуру классификации и кодирования.
Организация информационных массивов. Наряду с классификацией и кодированием существенным этапом автоматизации хранения информации является организация информационных массивов. Объекты и явления реального мира в ЭВМ представляются на стадии хранения информации в виде данных, при этом нам важны не только данные, но и связи между ними, т.е. принцип их организации. Желательно, чтобы концептуальная структура данных отображала реальные явления окружающего нас мира. Однако на физическом уровне структура данных во многом определяется требованиями, накладываемыми возможностями технических средств хранения информации. Наиболее простой является линейная структура хранения. Организация данных может быть выполнена в виде строки, одномерного массива, стека, очереди, дека и т. д. При организации данных в виде строки элементы данных располагаются по признаку непосредственного следования, т.е. по мере поступления данных в ЭВМ. В случае одномерного массива отдельные его элементы имеют индексы - целые числа. Эти числа можно рассматривать как номер элемента массива. Наличие индекса позволяет получить доступ к заданному элементу, и это оказывается намного проще, чем осуществлять поиск требуемого элемента в строке. С учетом динамики процесса ввода и вывода информации различают также структуры данных, в которых используется линейный принцип организации, реализующий дисциплину обслуживания FIFO. Такая структура получила название стека. В стеке первым удаляется последний поступивший элемент. Возможна реализация и другой дисциплины обслуживания, при которой для обработки информации выбирается элемент, поступивший ранее всех других. Такая структура получила название очереди. При одновременном сочетании рассмотренных дисциплин возникает структура данных, называемая дек. Рассмотренные структуры относятся к линейным и отображают достаточно простые одномерные структуры данных. В случае многомерных сложных структур возникают и нелинейные структуры хранения данных. К ним можно отнести многомерные массивы, отображаемые деревьями, графами, сетями. Элемент многомерного массива также определяется индексом, однако индекс состоит из набора чисел. В основе формального представления многомерного прямоугольного массива лежит матрица, а в матрице каждое ее значение определяется совокупностью чисел, что и составляет индекс требуемого элемента массива.
Организация расположения данных может быть представлена на логическом уровне, при этом возникают логические структуры информационных массивов. Данные компонуются в виде записей, которые в информационном массиве могут располагаться различным образом. Выделяют четыре основные структуры информационных массивов на логическом уровне: последовательную, цепную, ветвящуюся и списковую.
В последовательной структуре записи информационного массива располагаются последовательно, нахождение требуемой записи осуществляется путем просмотра всех предшествующих. Включение новой записи в информационный массив требует смещения всех записей, начиная с той, которая включается. Обновление информационных массивов при последовательной структуре требует перезаписи всего массива.
В цепной структуре информационные массивы располагаются произвольно. Для логической связи отдельных записей необходима их адресация, т.е. каждая предыдущая запись логически связанного информационного массива должна содержать адрес расположения последующей записи. В случае, если с определенного уровня, т.е. признака, значения в записях повторяются в различных сочетаниях, то возможен переход (в целях экономии памяти) от цепной структуры к ветвящейся.
В ветвящейся структуре сначала в информационном массиве размещается запись, отображающая признак объекта с небольшим числом значений, далее эти значения повторяются в записях в различных сочетаниях, т.е. возможно от некоторой основной записи переходить к другим в зависимости от запроса, не повторяя основную запись. Чтобы устранить повторяющиеся записи и соответствующие им поля в памяти, их удаляют из основного массива и объединяют в дополнительный небольшой информационный массив. Здесь эти записи упорядочиваются также по какому-то признаку без повторений. Тогда в основном массиве вместо удаленного информационного поля указываются адреса записей, которые размещены в дополнительном массиве. Данная структура является удобной при реорганизации информационной базы, поскольку повторяющиеся записи легко могут быть заменены, так как они хранятся в дополнительном массиве, основной же массив подвергается при этом малому изменению. Однако эта структура требует дополнительного объема памяти.
Списковая структура информационных массивов характеризуется наличием списка, который содержит набор данных, определяющий логический порядок организации информационного массива. Список включает имя, поля данных и адреса полей. В памяти ЭВМ элементы списка физически разнесены, но связаны друг с другом логически за счет адресных ссылок. Поле данных в зависимости от характера хранимой информации может представляться двоичным разрядом, словом фиксированной либо переменной длины, а также набором отдельных слов. Формализованно список может быть представлен в виде таблицы, в которой именам списка и полям данных сопоставлены адреса. Адреса выбираются произвольно по мере наличия свободных мест в запоминающем устройстве. В случае необходимости повторения какой-либо информации рекомендуется многократно обращаться по адресу, который может входить в несколько списков, т.е. применить механизм многократных адресных ссылок. Списковая структура с механизмом адресных ссылок может быть представлена в виде графа древовидной структуры. Каждый элемент списка тогда включает в себя маркерное поле, поле данных и адресное поле. Маркерное поле предупреждает, имеется ли ссылка на другой список либо такая ссылка отсутствует. В зависимости от этого в маркерном поле ставится знак минус или плюс. Списки могут отображать и более сложные структуры, чем древовидные. Они могут быть показаны ориентированными графами с петлями, в которых возможна ссылка вперед и назад. Возникает так называемый симметричный список, и появляется возможность движения в структуре данных в разных направлениях. Видно, что списковая структура отличается высокой логической простотой, но в связи с адресным обращением к данным время доступа здесь велико, так как каждому элементу списка необходимо иметь ссылку. Соответственно значительно возрастает и объем памяти запоминающего устройства, которую требуется иметь в списковой структуре по сравнению с последовательной структурой организации информационных массивов.