5. 1.5. Структура информационной технологии

Информационная технология обладает комплексным составом компонентов, поэтому полезно определить структуру и состав типовой информационной технологии. Назовем информационную технологию базовой, если она ориентирована на определенную область применения. Базовая информационная тех­нология должна задавать модели, методы и средства решения задач. Она создается на основе базовых аппаратно-про­граммных средств. Базовая техноло­гия должна быть подчинена основной цели - решению функци­ональных задач в той области, где она используется. Это могут быть задачи управления, проектирования, научного эксперимента, комплексного испытания и обучения. На вход базовой информационной техноло­гии как системы поступает комплекс решаемых задач, для которых должны быть найдены типовые решения на основе мо­делей, методов и средств информацион­ной технологии. Использование базовой информационной технологии рассмотрим на концептуальном, логическом и физи­ческом уровнях.

Концептуальный уровень задает иде­ологию автоматизированного решения задач. Начальным этапом является поста­новка задачи. Задача автоматизиро­ванного управления представляет собой совокупность взаимосвязанных алгоритмов, которые обеспечивают автоматизацию функции управления.

Постановка задачи означает содержа­тельное описание задачи, куда входят целевое назначение задачи, возможная экономико-математическая модель и метод ее решения, функциональная и информационная взаимосвязь ее с другими задачами. Содержание задачи раскрывается в рабочем документе проек­тировщика системы "Постановка задачи и алгоритм решения". При постановке задачи важна корректность описания с точки зрения экономических критериев, для этого должны быть правильно вы­браны ограничения. Следующим этапом является формализация задачи. На этом этапе разрабатывается математическая мо­дель решения ее либо подбирается одна из известных моделей. При решении комплексов задач автоматизированного управления полу­чили широкое применение экономико-математические модели в ви­де производственных функций, балансовых моделей, моделей объ­емного, календарного, объемно-календарного и сетевого планиро­вания и управления, моделей управления запасами и оперативного управления. Если выбрана или разработана математическая мо­дель, то ответственным этапом решения является алгоритмизация задачи. Алгоритмизация означает задание алгоритма либо совокупности алгоритмов, определяющих процесс преобразования исходных данных в искомый результат за конечное число шагов. В алгоритме могут быть выделены относительно самостоятельные части (блоки) и элементы алгоритма (операторы). Реализация алгоритмов на основе конкретных вычислительных средств осуще­ствляется на базе программирования задачи. Программиро­вание задачи при известном алгоритме может отличаться трудоем­костью, однако не содержит в себе принципиальных сложностей, поскольку разработаны типовые технологии программирования и существует большой класс специалистов в этой области.

При наличии программы осуществляется решение задачи, т.е. получение конкретных результатов для входных данных и при­нятых ограничений. Этап анализа решения необходим для того, чтобы проверить полученное решение на соответствие поста­новке задачи и исходным данным. В современном представлении поня­тие первоначальной задачи соответствует понятию предметной об­ласти. В условиях базовой информационной технологии возникает проблема разработки модели предметной области, ориен­тированной на широкий спектр решаемых задач. При этом необ­ходимо попытаться автоматизировать этап формализации задачи, т.е. переход от модели предметной области к модели решения задачи. На основании математической модели возможен переход к алгоритмической модели, от нее - к программе, а далее - к реализации процедур и операций. Процесс формирования модели предметной области и использова­ния ее для решения каких-то конкретных задач различны по содер­жанию творческого элемента. Поэтому выделяют проблему авто­матизированного проектирования задачи, которая решается раз­работчиком-системщиком, и проблему автоматизированного при­менения спроектированных решений для конкретных условий, которая решается пользователем.

На логическом уро­вне следует установить модели решения задачи и организации информационных процессов, обеспечивающих обработку информа­ции в процессе нахождения решения. Рассмотрим взаимосвязь мо­делей базовой информационной технологии. На этом уровне цель базовой информационной технологии - построение модели решаемой зада­чи и ее реализация на основе организации взаимодействия инфор­мационных процессов. Общая модель управле­ния содержит в себе закономерности построения требуемой модели решения задачи. Если информационная технология ориентирована на область применения, то в базе знаний должны содержаться фрагменты модели предметной области, представляющие собой обобщенные информационные структуры. На этапе проек­тирования решаемой задачи осуществляется настройка обобщенных структур на конкретные данные задачи.

Получаемые конкретные структуры подвергаются анализу, т.е. последовательно строится модель предметной об­ласти. На основе модели предметной области и обобщенной модели управления формируется модель решения задачи. В условиях выбранной базовой информационной технологии мо­дель решения задачи должна быть согласована с моделью организа­ции информационных процессов, включающей в себя мо­дели обмена, управления, накопления, об­работки данных и модели представления знаний. Каж­дая их этих моделей при раскрытии является базой построения частных математических моделей для анализа характеристик конк­ретного информационного процесса.

Модель обмена обеспечивает оценку вероятностно-временных характеристик процесса обмена с учетом маршрутизации, ком­мутации и передачи информации. Объектом исследования модели является система обмена, функционирующая в условиях воздействия внешней среды. В качестве воздействий выделяют вход­ные, ошибок, управля­ющие. На основании этой модели реализуется синтез системы обмена данными с выбором оптимальной тополо­гии и структуры сети, наилучшего метода коммутации, протоколов и процедур доступа, адресации и маршрутизации.

Модель накопления данных определяет каноническую схему ин­формационной базы и раскрывается на логическом уровне организацией информационных массивов, а на физическом уровне - их размещением. Информационный массив явля­ется основным элементом внутримашинного информационного обеспечения. Под информационным массивом понимают со­вокупность данных о группе однородных объектов, характеризу­емых одинаковым набором сведений. Массивы могут различаться по семантическому содержанию, технологии использования носи­теля информации и техническим характеристикам.

Логичес­кий уровень организации информационных массивов обладает тем преимуществом, что он может быть не увязан с условиями их физической организации, т.е. видом носителя, типом ЭВМ и т. д. Идеология логической организации информационных массивов со­вершенствовалась с развитием вычислительной техники.

Модель обработки данных определяет организацию вычислительного процесса, который включает в себя решение разнообразных задач, возникающих у пользователя. Ввиду большого различия областей применения информационной технологии содержание и характер решаемых задач могут быть разными, однако на уровне обработки данных все задачи сводятся к задачам арифметической обработки. Последовательность и про­цедуры решения вычислительных задач должны быть подобраны так, чтобы оптимизировать вычислительный процесс с точки зрения используемого объема памяти, ресурса, числа обращений и т. д. Принципы организации вычислительного процесса зависят от той проблемной области, на которую ориентирована информационная технология. Поэтому на уровне базовой технологии можно гово­рить об оптимальном использовании той или иной операционной системы, которая поддерживает вычислительный процесс. Свойства операционной системы должны соответствовать требованиям ор­ганизации вычислительного процесса.

Структура вычислительного процесса обычно задается числом задач с их составом, объемами оперативной памяти. При этом наиболее важным являются требования к моментам запуска и вы­пуска решаемых задач. Эти моменты определяют динамику получе­ния промежуточных и конечных результатов решения вычислитель­ных задач, которые используются при управлении производством. Обобщенным критерием оптимальной организации вычислитель­ного процесса при ограничениях на ресурс можно считать эффектив­ность удовлетворения всех запросов пользователя либо той систе­мы, в которую встроена информационная технология. Реальные возможности по управлению вычислительным процессом задает операционная система. Первые операционные системы были ориентированы на пакетную обработку информации. Это вызывало значительную задержку перед загрузкой программ в машину, по­скольку задачи собирались в пакеты. Такой режим оказался непри­годным для задач высокой размерности при необходимости реше­ния их в оперативном режиме. Переход к системам разделения времени позволил в условиях прерывания отдавать предпочтение приоритетным задачам. Оказалось возможным планировать вычис­лительный процесс по моменту выпуска задач. Новые возможности для пользователя дал переход к виртуальным операционным систе­мам. Система виртуальных машин предоставила пользова­телю (в его представлении) возможность иметь неограниченный вычислительный ресурс и не замечать параллельной работы сосед­них пользователей.

В условиях распределенной обработки данных необходимо рационально распределить вычислительный ресурс не только между вычислительными задачами, но и топологически между пользователями. Возникают задачи взаимодействия вычислительного процесса с локальными базами данных, меняется структура организации вычислительного процесса.

Базовая информационная технология на технологическом уров­не представляет собой совокупность базовых информационных про­цессов. Взаимная их увязка, синхронизация осуществляются через модель организации информационных процессов, которая реализуется в виде модели управления данными. Управление данными означает управление процессом накоп­ления, обмена и обработки данных. Накопление данных осуществ­ляется в условиях современных баз данных, причем управляющие воздействия должны обеспечить ввод информации, обновление ба­зы данных, а на физическом уровне размещение информационных массивов в базе. Это реализуется на основе аппаратно-про­граммных комплексов в виде СУБД. Существуют типовые СУБД, которые получили большое развитие и могут считаться базовыми в информационной технологии. Этими системами определяются условия доступа различных пользователей к данным. Руководители различных рангов могут получить доступ к данным только через специальную службу управления данными, которая существует на современных предприятиях. Переход к распределенным базам дан­ных изменяет ситуацию, у пользователя появляются собственные локальные базы данных, к которым он имеет прямой доступ. В этих условиях должны разрабатываться и новые системы управления.

На этапе обмена информацией управление данными означает их маршрутизацию, коммутацию и организацию передачи. Это реализуется на уровне сообщений, которые имеют адресную часть и могут самостоятельно перемещаться по сети в зависимости от адреса потребителя. Методы коммутации в сетях обычно реализуются на физическом уровне достаточно жестко. Сообщения следуют по заданным маршрутам в соответствии с "зашитыми" в сети принципами коммутации. На уровне передачи данных управ­ление заключается в определении требуемого числа передач, уровня избыточности, применяемых методов кодирования и модуляции с целью обеспечения требуемой помехоустойчивости передачи. Здесь могут реализовываться различные варианты систем с обрат­ной связью, адаптивных систем, в которых управление осуществля­ется по результатам приема. Управление обработкой информации реализуется в соответствии с моделями организации вычислитель­ного процесса. Отметим, что в условиях распределенной обработки данных может увеличиваться число функций управления данными, которые передаются пользователю: размещение данных на физическом уровне, выбор операционной системы, выбор методов организации данных и т. д. Особая роль принадлежит проектиров­щику задач на этапе формирования знаний при структурировании данных в соответствии с заданной предметной областью. Фор­мирование предметной области из отдельных фрагментов зачастую является чисто творческой задачей пользователя, и в этом смысле не все функции управления данными могут быть формализованы.

Модели представления знаний являются основой автоматизиро­ванного решения задач управления. Практическое использование при построении модели предметной области и математических моделей получили логическое, алгоритмическое, семантичес­кое, фреймовое и интегральное представления знаний.

Физический уровень базовой информационной технологии определяет возмож­ность ее реализации на типовых программно-аппаратных средствах. Он включает в себя подсистемы накопления, обмена, обработки, управления данных, а также подсистему формализации знаний, с которой взаимодействуют проек­тировщик и пользователь. Подсистема накопления данных реализуется на основе типовых банков, обеспечивает организацию, хранение и накопление данных, которые отражают характеристики реальных объектов либо инфор­мацию по решению конкретных задач. В условиях распределенной обработки информации подсистема накопления может реализовы­ваться в виде совокупности централизованной и локальной баз данных. Подсистема обмена строится на основе типовых локальных информационно-вычислительных сетей различных уровней, позво­ляющих осуществлять обмен вычислительным ресурсом между або­нентскими и главными вычислительными машинами, т.е. пре­доставлять пользователю различные возможности. В качестве реа­лизационных элементов могут выступать типовые сети, средства передачи данных в виде модемов, специализированные вычисли­тельные комплексы обмена информацией и доступа к сетям. Подси­стема обработки данных реализуется на базе стандартных ЭВМ различных уровней. На верхнем уровне - главные вычислительные машины, реализуемые в виде универсальных ЭВМ; на среднем уровне - абонентские вычислительные машины; на нижнем уров­не - персональные либо управляющие ЭВМ. Обработка данных осуществляется на основе существующих пакетов прикладных про­грамм в соответствии с той предметной областью, в которой ис­пользуется базовая информационная технология. Подсистема упра­вления данными реализуется в виде системы управления базой данных, системы управления сетью и системы управления организа­цией вычислительного процесса. Эта подсистема может быть пред­ставлена и определенными службами управления данными на пред­приятии, которые реализуют доступ к данным, возможность их обновления, изменяют режимы использования, обработки и накоп­ления. Подсистема формализации знаний базируется на основе баз знаний, которые формируются в рамках интеллектуальных систем.