Управление и оптимизация / Osnovi informatsionnikh i komputernikh tekhnologiy 2011

машина, то есть внутреннее представление информации в нем дискретно. Дискретизация входной информации (если она непрерывна) позволяет сделать ее пригодной для компьютерной обработки.

Информационная система (ИС) - система, предназначенная для реализации и ведения информационной модели какой-либо области человеческой деятельности. Эта система должна обеспечивать следующие средства для протекания информационных процессов: сбор информации, преобразование и обработка, анализ, хранение и защита, передача для использования.

Обработка информации – получение одних информационных объектов из других информационных объектов путем выполнения некоторых алгоритмов.

Обработка является одной из основных операций, выполняемых над информацией, и главным средством увеличения объёма и разнообразия информации.

Средства обработки информации — это всевозможные устройства и системы, созданные человечеством, и в первую очередь, компьютер — универсальная машина для обработки информации. Компьютеры обрабатывают информацию путем выполнения некоторых алгоритмов. Живые организмы и растения обрабатывают информацию с помощью своих органов и систем.

Информатизация общества — организованный социальноэкономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей на основе формирования и использования информационных ресурсов.

Существует несколько способов классификации информационных технологий. Ниже на диаграмме представлены некоторые из возможных классификаций.

11

Информация и информационный фонд в условиях ЧС становится главным источником принятия решений, направленных на их ликвидацию. Информация о ЧС и тенденциях ее развития позволяет вести работу по предотвращению возможных ЧС, а в случае их возникновения помогает при ее анализе и прогнозировании. Обмен информацией, взаимодействие между различными центрами должны быть оперативными. Информацией должны быть обеспечены штаб и структурные подразделения системы управления в условиях ЧС, при этом информационная система должна оперативно реагировать на изменение информационной среды для того, чтобы обеспечить актуальность принятия решения.

С момента основания МЧС информационным технологиям уделяется большое внимание. В системе МЧС в настоящее время активно развиваются информационные технологии, связанные с экспертной поддержкой принятия решений, СУБД, компьютерная графика, гипертекстовые технологии. Создается Автоматизированная информационная система Государственной инспекции пожарного надзора, в том числе новые версии программного обеспечения, учитывающие последние нормативные документы, оптимизированные технологии 3D визуализации поднадзорных объектов с привязкой к геоинформационным технологиям (ГИС). МЧС РФ была разработана автоматизированная информационно-управляющая система (АИУС). Данная система предназначена для сбора, обработки оперативной информации о чрезвычайных ситуациях и информационного обмена между различными подсистемами и звеньями единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС). Система позволяет автоматизировать процесс поддержки принятия управленческих решений, доведения принятых решений до подчиненных и взаимодействующих органов управления, контроля их исполнения.

Создана и успешно функционирует система видеоконференцсвязи, которая позволила в значительной мере повысить оперативность управления и качество принимаемых решений, особенно при проведении аварийноспасательных и поисковых работ в районах чрезвычайных ситуаций.

Вводится и функционирует система оповещения населения.

В структуре МЧС имеется управление защиты информации и обеспечения безопасности спасательных работ, к задачам которого относится: обеспечение безопасности сведений, составляющих государственную тайну; контроль эффективности мероприятий и предпринимаемых мер по защите информации; проведение единой технической политики; координация работ по защите информации, централизованного оповещения гражданской обороны, а так же узлов связи всех уровней на основе создания цифровых узлов доступа и оснащения коммуникационным оборудованием и др.

Информационные ресурсы МЧС России содержат: данные мониторинга окружающей среды и объектов экономики (внутри и вневедомственные ресурсы), оперативно-управляющую информацию о чрезвычайных ситуациях (внутриведомственные ресурсы), управленческую

12

информацию: организационную, плановую, кадровую и пр. (внутриведомственные ресурсы); информацию по вопросам ГО и ЧС, в том числе данные о территориях, населении, экономике (вневедомственные ресурсы), нормативно-правовую информацию (вневедомственные ресурсы), научно-техническую информацию: отчеты по НИР и ОКР, научнотехническую литературу и др. (внутри и вневедомственные ресурсы); массовую информацию: органы печати, выставки, конференции и т.д. (внутри и вневедомственные ресурсы); ведомственные информационные ресурсы МЧС России являются составной частью информационных ресурсов РСЧС. [8]

Важными направлениями информационной работы являются оценка, анализ, синтез всего объема информации, касающейся тех или иных событий, объектов и прогнозов развития ЧС.

Системы счисления

Система счисления — это способ записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков. В частности, это могут быть цифры и буквы. В разных странах и в разное время существовали свои системы счисления, при этом для обозначения цифр использовались самые разнообразные символы.

Рис 1. Пример записи чисел в разных системах счисления

Системы счисления бывают позиционные и непозиционные. В непозиционных системах вес цифры (то есть тот вклад, который она вносит в значение числа) не зависит от ее позиции в записи числа. Так, в римской системе счисления в числе ХХХII (тридцать два) вес цифры Х в любой позиции равен просто десяти. В позиционных системах счисления вес каждой цифры изменяется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающих число. Например, в числе 757,7 первая семерка означает 7 сотен, вторая – 7 единиц, а третья – 7 десятых долей единицы.

Любая позиционная система счисления характеризуется своим основанием — это количество различных знаков или символов, используемых для изображения цифр в данной системе.

За основание системы можно принять любое натуральное число — два, три, четыре и т.д. Следовательно, возможно бесчисленное множество позиционных систем счисления: двоичная,

13

троичная, четверичная и т.д. Запись чисел в каждой из систем счисления с

основанием q означает сокращенную запись выражения: an-1 qn-1 + an-2 qn-2+ ... + a1 q1 + a0 q0 + a-1 q-1 + ... + a-m q-m,

где ai – цифры системы счисления; n и m – число целых и дробных разрядов, соответственно.

Кроме десятичной широко используются системы с основанием, являющимся целой степенью числа 2, а именно:

−двоичная (используются цифры 0, 1);

−восьмеричная (используются цифры 0, 1, ..., 7);

−шестнадцатеричная (для первых целых чисел от нуля до девяти используются цифры 0, 1, ..., 9, а для следующих чисел — от десяти до пятнадцати – в качестве цифр используются символы A, B, C, D, E, F).

Кодирование информации

Кодирование чисел

Для хранения информации посредством вычислительной техники используется ее кодирование. Метод кодирования зависит от типа информации: числовая, текстовая, графическая и др.

Числовые данные хранятся в компьютере в двоичном формате с фиксированной запятой и в двоичном формате с плавающей запятой. При этом первый способ обычно используется для хранения целых чисел, а второй - для вещественных.

Представление чисел в форме с фиксированной запятой означает, что заранее определено сколько и какие разряды отведены под хранение дробной и целой части числа. При этом запятая (разделитель дробной и целой части) в разрядной сетке может быть зафиксирована в поле любого разряда. К достоинствам использования чисел с фиксированной запятой можно отнести высокую точность изображения чисел и простоту выполнения арифметических операций, более экономичное расходование ресурсов. К недостаткам - небольшой диапазон представления чисел. Такое представление в основном используется в системах передачи данных, для управления технологическими процессами.

Для представления чисел в формате с плавающей точкой используется формула N =±mq±n , где q- основание системы счисления, p - порядок числа,

m - мантисса числа N. Значение порядка p определяет положение точки: 12510=12.5*101=1.25*102=0.125*103=0.0125*104=...

Таким образом, запись числа не является однозначной, чтобы избежать этого вводится так называемая нормализованная форма записи числа, в этом

случае мантисса изменяется в диапазоне 1q ≤ m ≤1.

14

При использовании данного формата диапазон представляемых чисел больше чем с фиксированной точкой, а точность вычислений выше. Однако в современных компьютерах обе формы представления используются совместно: целочисленный формат – для представления программ и выполнения операций над кодами адресов, плавающий формат используется для выполнения операций над данными.

Текстовые файлы - наиболее распространенный тип данных. Для хранения каждого символа чаще всего отводится один байт. Кодирование текстовых файлов выполняют с помощью специальных таблиц (8-битные таблицы), в которых каждому символу соответствует определенное число от 0 до 255 – 256 символов.

Числа от 0 до 32 используются для кодирования операций (перевод строки, ввод пробела и т. д.). Числа от 33 до 127 – для кодировки латинского алфавита, цифр, знаки арифметических операций, знаки препинания. Коды с 128 по 255 являются национальными, то есть8 в национальных кодировках одному и тому же коду отвечают различные символы.

Файл, для кодировки которого используется только 128 первых чисел,

называется ASCII-файлом (сокращение от American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информацией), но в таком файле не могут быть представлены буквы, отличные от латиницы (в том числе и русские). Большинство национальных алфавитов можно закодировать с помощью восьмибитной таблицы.

Для русского языка используются кодировки: Koi8-R, Windows-1251. Некоторые языки, например китайский, содержат значительно больше

чем 256 символов, поэтому для кодирования каждого из них используют несколько байтов. Для экономии места зачастую применяется следующий прием: некоторые символы кодируются с помощью одного байта, в то время как для других используются два или более байтов. Одной из попыток обобщения такого подхода является стандарт Unicode, в котором для кодирования символов используется 2 байта: диапазон чисел от нуля до 65536. Такой широкий диапазон позволяет представлять в численном виде символы любого языка.

Система Unicode каждому символу присваивает уникальный код, независимо от платформы, программы и языка. Данный стандарт был принят

Apple, HP, IBM, JustSystem, Microsoft, Oracle, SAP, Sun, Sybase, Unisys и

многими другими. Эта схема кодирования используется такими современными технологиями и стандартами, как например XML, Java, ECMAScript (JavaScript), LDAP, CORBA 3.0, WML и так далее. Именно

15

Unicode является официальной схемой реализации международного стандарта ISO/IEC 10646.

Хранение изображения

Важной составляющей информационно-технологической компетентности инженеров пожарной безопасности имеет компетенция в области профессионально-ориентированного применения средств компьютерной графики. Это связано с тем, что по роду своей служебной деятельности специалистам системы МЧС приходится самостоятельно готовить специфические документы на графической основе, в частности, планы эвакуации, схемы очагов возгорания, планы местности, схемы боевого развертывания, схемы водозаборов и другие подобные материалы. Использование возможностей компьютерной графики позволяет повысить оперативность подготовки подобной документации и представления в вышестоящие инстанции повысить наглядность и качество специализированной служебной документации, сделать ее соответствующей реальной ситуации.

Почти все создаваемые, обрабатываемые или просматриваемые с помощью компьютера изображения можно разделить на две части - растровую и векторную графику. Выделяют и некоторые другие виды компьютерной графики.

Растровые изображения представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселями (pixel, от англ. picture element). Код пикселя содержит информацию о его цвете и положении и хранится в двоичном формате в видеопамяти.

Для черно-белого изображения (без полутонов) пиксель может принимать только два значения: белый и черный (светится - не светится), а для его кодирования достаточно одного бита памяти: 1 - белый, 0 - черный. Для кодирования цветных изображений используют 8-битные, 16 и 32 битные схемы.

Существует несколько цветовых схем, основанных на различных способах восприятия цвета. В целом их все можно поделить на два типа: схемы представления цвета от излучаемого и отраженного света. В случае с компьютерной графикой отражающим объектом является бумага, излучающим – монитор. Рассмотрим две наиболее распространенные схемы: RGB и CMYK.

Система RGB - "красный, зеленый, синий" - RGB - red/green/blue.

Данная схема основана на излучении света и черный цвет в схеме отсутствует, так как его заменяет цвет черного экрана. Эта система цветов называется аддитивной, что в грубом переводе означает "складывающая/дополняющая". Иными словами мы берем черный цвет (отсутствие цвета) и добавляем к нему первичные цвета, тем самым получая цвета; максимальная интенсивность трех основных цветов дает белый.

16

Система CMYK - Cyan – голубой, Magenta – пурпурный, Yellow –

желтый и blacK – черный. Данная схема основана на отражении, белый цвет в схеме отсутствует, так как его мы и так имеем - это цвет бумаги. В тех местах, где нужен белый цвет, краска просто не наносится. Значит, отсутствие цвета в схеме CMYK соответствует белому цвету. Эта система цветов называется субтрактивной (subtractive), что в грубом переводе означает "вычитающая/исключающая ".

Значения цветов в RGB и CMYK сильно различаются. Первая схема используется в случае вывода информации на монитор, вторая для печати.

Графическая информация хранится в двоичном формате, при этом для ее хранения используют различные методы сжатия, которые определяются форматом файла. Тип сжатия определяет качество изображения, его характеристики и размер конечного файла.

Некоторые форматы растровых графических файлов

1)Сжатие без потерь:

a)PNG (Portable Network Graphics),

b)GIF (Graphics Interchange Format),

c)BMP(Bitmap Picture).

2)Сжатие с потерями:

a)JPEG (Joint Photographic Experts Group),

b)TIFF (Tagged Image File Format).

Одним из главных недостатков растровой графики является потеря качества при ее масштабировании.

Другой тип графики - векторная графика — основана на использование геометрических примитивов, таких как точки, линии, сплайны

имногоугольники, для представления изображений в компьютерной графике

иописываемых математическими формулами. Здесь базовым объектом, в отличии от растровой графики, является линия. Термин «векторная» используется в противоположность к растровой графике, которая представляет изображения как матрицу пикселей (точек или растров). Фирма Adobe разработала специальный язык PostScript (от poster script – сценарий плакатов, объявлений, афиш), служащий для описания изображений в векторном формате.

Укажем преимущества этого способа описания графики над растровой графикой.

−Минимальное количество информации передаётся намного меньшему размеру файла (размер не зависит от величины объекта).

−Можно бесконечно увеличить объект.

−При увеличении или уменьшении объектов толщина линий может быть постоянной.

−Параметры объектов хранятся и могут быть изменены.

Увекторной графики есть два фундаментальных недостатка.

17

−Не каждый объект может быть легко изображен в векторном виде. Кроме того, количество памяти и времени на отображение зависит от числа объектов и их сложности.

−Перевод векторной графики в растр достаточно прост. Но обратного пути, как правило, нет — трассировка растра обычно не обеспечивает высокого качества векторного рисунка.

Кроме растровой и векторной графики существует еще и фрактальная

графика, в которой формирование изображений целиком основано на математических формулах, уравнениях, описывающих те или иные фигуры, поверхности, тела. При этом само изображение в памяти компьютера фактически не хранится – оно получается как результат обработки некоторых данных. Таким способом могут быть получены даже довольно реалистичные изображения природных ландшафтов.

Сравнительно недавно появился еще один тип графики – 3D. Однако, попытки воссоздать на фотографиях, картинах и кинопленке трехмерный мир предпринимались достаточно давно, задолго до появления компьютеров.

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

−моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;

−рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;

−вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или

принтер.

Однако, в связи с попытками создания 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость.

Для создания компьютерной графики используются специальные программы, которые называются 3D-редакторами. Они предоставляют в распоряжение пользователя трехмерное пространство, в котором можно создавать, перемещать и вращать 3D-объекты. Кроме того, в современных 3D-редакторах имеются специальные инструменты, которые заставляют объекты самостоятельно двигаться, то есть создают на их основе анимацию.

Трехмерное моделирование позволяет проводить не только мониторинг, но и создавать ситуации для расчета эвакуации людей и расчета пожаров. Для решения этих задач существует комплекс специализированного программного обеспечения. Данные программы позволяют на основании планов зданий рассмотреть:

−возможность создания нескольких сценариев эвакуации;

−отображение карты расчетных участков и пути эвакуации;

−анимацию движения людских потоков с возможностью пошагового просмотра;

−просмотр основных параметров для каждого расчетного участка;

18

−формирование отчета, включающего исходные данные, таблицы расчета времени эвакуации, карты участков расчета, изображение путей эвакуаций;

−моделирование индивидуального движения людей в составе потока, возможность поиска кратчайшего пути с учетом динамического обхода препятствий, учет любых мобильных качеств каждого человека в потоке, отображение карты плотностей, пройденных и текущих путей всех агентов, возможность воспроизведения и записи результатов расчета, а также 2D/3D режимы визуализации движения;

−расчет опасных факторов пожара.

Кодирование звука

Звук - это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), мы увидим непрерывно изменяющееся с течением времени напряжение – аналоговый сигнал. Для компьютерной обработки такой сигнал нужно преобразовать в дискретный сигнал - последовательность двоичных чисел. Для этого измеряется напряжение через равные промежутки времени и записывается полученные значения в память. Устройство, выполняющее данное преобразование называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП), а затем сгладить получившийся «ступенчатый» сигнал.

Чем выше частота дискретизации (то есть количество отсчетов за секунду) и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают соответствующие компромиссные значения.

Важной составляющей в работе сил МЧС является система оповещения, в настоящее время данные систем основаны на цифровой передаче информации. Современная техническая база позволит расширить возможности централизованного оповещения за счет эффективного использования сетей радиовещания, телевидения, цифровых сетей связи, мощных звукоизлучающих устройств, что в конечном итоге приведет к повышению уровня защищенности населения Российской Федерации в чрезвычайных ситуациях.

Количество информации

В качестве единицы информации условились принять один бит (bit — binary digit — двоичная цифра). Бит в теории информации — количество информации, необходимое для различия двух равновероятных сообщений. В

19

вычислительной технике битом называют наименьший объем памяти, необходимый для хранения одного из двух знаков "0" и "1", используемых для внутримашинного представления данных и команд.

На практике чаще применяется более крупная единица — байт, равная восьми битам. Это количество битов требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256=28).

Представление информации в двоичном виде называется двоичным кодом.

Широко используются более крупные единицы информации:

−1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт,

−1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт,

−1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт.

−1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт,

−1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт.

История развития информационных технологий

1-й этап (до второй половины XIX в.) - "ручная" информационная технология, инструментарий которой составляли: перо, чернильница, книга. Коммуникации осуществлялись ручным способом путем пересылки через почту писем, пакетов, депеш. Основная цель технологии - представление информации в нужной форме, ее передача и хранение.

2-й этап (с конца XIX в. до середины XX в.) - "механическая" технология, инструментарий которой составляли: пишущая машинка, телефон, диктофон, оснащенная более совершенными средствами доставки почта. Основная цель технологии - представление информации в нужной форме более удобными средствами.

3-й этап (40 - 60-е гг. XX в.) - "электрическая" технология, инструментарий которой составляли: большие ЭВМ и соответствующее программное обеспечение, электрические пишущие машинки, ксероксы, портативные диктофоны. Изменяется цель технологии: акцент в информационной технологии начинает перемещаться с формы представления информации на формирование ее содержания.

4-й этап (с начала 70-х гг.) - "электронная" технология, основным инструментарием которой становятся большие ЭВМ и создаваемые на их базе автоматизированные системы управления (АСУ) и информационнопоисковые системы (ИПС), оснащенные широким спектром базовых и специализированных программных комплексов. Центр тяжести технологии еще более смещается на формирование содержательной стороны информации для управленческой среды различных сфер общественной жизни, особенно на организацию аналитической работы, активное использование технологий в научной среде. Множество объективных и субъективных факторов не позволили решить стоящие перед новой концепцией информационной технологии поставленные задачи. Однако была

20