Примеры информационных моделей
Определим информационную модель как связанную совокупность информационных объектов, описывающих информационные процессы в исследуемой предметной области. Существующие информационные модели разделим на универсальные и специализированные. Специализированные модели предназначены для описания конкретных систем, являются уникальными по своим возможностям, более дорогостоящими. Универсальные модели предназначены для использования в различных предметных областях, к ним относятся: базы данных и системы управления базами данных, автоматизированные системы управления, базы знаний, экспертные системы.
Модели конечных автоматов представляют собой перечень ограниченного числа состояний объекта и условия перехода из одного состояния в другое (эти условия могут быть однозначно заданы – детерминированный конечный автомат или включать «бросание жребия» – вероятностный автомат). Такие модели хорошо подходят для задач оперативного управления, например, выбора момента переключения светофора в зависимости от ситуации на перекрёстке или выбора модели, запускаемой на сборочный конвейер в зависимости от наличия комплектующих.
Модели графов, представляющие из себя множество вершин (узлов) и соединяющих некоторые из вершин линий (ребер, дуг). Эти модели позволяют описывать планирование строительства (сетевые графики) и задачи логистики (маршрутизации потоков), например, классическую «задачу коммивояжёра» – выбора наиболее короткого и неповторяющегося маршрута развозки товара.
Модели интеллектуальных систем, основанные на имитации рассуждений экспертов при решении сложных задач, – в компьютере формируется набор правил логического вывода, который опирается на знание эксперта в конкретной предметной области и позволяет перейти от описания исходной ситуации к заключению о наилучшем из нескольких возможных вариантов действия. Такой подход оказывается эффективным при решении задач планирования, требующих перебора огромного числа вариантов, очень быстро (по экспоненте) растущего с ростом размерности задачи (такие задачи называют экспоненциальными).
Модели эволюции используют генетические алгоритмы, которые имитируют действующие в живой природе механизмы случайной генерации наследуемых изменений с последующим естественным отбором. Такие модели перспективны для решения широкого класса задач прогнозирования развития и отбора лучших вариантов, что подтверждается впечатляющими результатами эволюции в природе.
Рассмотрим некоторые универсальные модели.
Базы данных
Базы данных представляют связанную совокупность структурированных данных, относящихся к определённому процессу или явлению, в конкретной предметной области.
Система управления базами данных представляет собой программный комплекс для создания, организации необходимой обработки, хранения и передачи баз данных.
Ядром любой БД является модель представления данных. Модель данных представляет множество структур данных и взаимосвязи между ними. Различают иерархическую, сетевую и реляционную модели данных.
Иерархическая модель представляет связи между объектами (данными) в виде дерева.
К основным понятиям иерархической модели относятся:
узел – набор атрибутов данных, описывающих объект;
связь – линия, связывающая узлы нижнего уровня с одним узлом вышележащего уровня. При этом узел вышележащего уровня называют предком для соответствующих ему узлов нижнего уровня, в свою очередь, узлы нижнего уровня называют потомками связанного с ними вышележащего узла (например, на рисунке 8.2 узел В1 – предок для узлов С1, С2, а узлы С1, С2 – потомки узла В1);
уровень – номер слоя узлов, отсчитанный от корня.
Рис. 8.16. Иерархическая модель данных
Количество деревьев в БД определяется числом корневых записей. К каждому узлу существует единственный путь от корня.
Сетевая структура имеет те же составляющие, что и иерархическая, но каждый узел может быть связан с любым другим узлом (рис. 8.3). Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических моделях запись потомок должна иметь только одного предка; в сетевых – потомок может иметь любое число предков.
Рис. 8.17. Сетевая модель данных
Обе эти модели не получили широкого распространения из-за сложности реализации графов в виде машинных структур данных, кроме того, в них сложно осуществить операции поиска информации.
Набольшее распространение получила третья модель данных – реляционная, она может также описывать иерархическую и сетевую модель. Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц и будет подробно рассмотрена во второй части данного пособия.