Общие вопросы информатики

 

Все существующие системы, поддерживающие развитие и устойчивое состояние, должны получать и обрабатывать информацию из внешнего, по отношению к ним, мира. Особенности и характеристики этого мира определяют методы, способы, технологию, структуры и использование систем обработки информации. В этом смысле человек как биологический объект является одной из самых мощных систем.

Практически вся информация служит для получения новых знаний и создания возможности управления соответствующими системами. Естественно, что не всегда информация может использоваться для управления, так, например, обстоит дело в астрономии.

Однако только с развитием кибернетики стало возможным точно сформулировать структуру и процессы систем управления, в которой впервые было сформулирована и теоретически обоснована необходимость обратной связи (рис. 1.1), т.е. необходимость замкнутого цикла в любых системах с управлением. Такие системы имеют более общий характер, поэтому и рассматриваются в первую очередь.

 

 

 

Рис.1. 1. Замкнутый цикл систем управления

В системах управления должны существовать две взаимосвязанные системы: управляющая и управляемая (рис. 1.1), создающие возможности целенаправленного управления, что является основой естественных и искусственных управляемых систем.

Прямая связь (рис.1.1) несет информацию об объекте для создания управляющих воздействий и достижения заданной цели (на этом этапе будем использовать интуитивное понимание информации как сообщения), обратная связь - передает информацию и/или управляющие воздействия.

Процесс управления осуществляется последовательным выполнением необходимых функций. Длительное время основными считались только функции машин, механизмов, взаимодействие людей, выполнение расчетов и т. п.

Рассмотрим более детально пример управляющей системы (рис.1.2).

 

 

Рис.1.2. Система управления (Д1,Д2-датчики; И1,И2 - исполнительные устройства)

 

В системе, на рис.1.2., показано, что для получения информации используются датчики, которые в реальном случае могут быть совершенно различными и их количество произвольно. Действительно, объект может иметь множество точек, изменение значений в которых является существенным для управления или получения знаний. Например, такими являются температурные точки устройств, места, где меняются значения электромагнитного поля, давления и другие характеристики, такими же являются и места, где изменяется форма или содержание документов.

В общем случае датчиком может служить любой объект, из которого получают информацию, в том числе и человек ( например, в социальных или экономических системах).

Объекты характеризуются проблемным назначением: различные двигатели (характеристики воды, топлива и т. п.), машины, энергетические, радиоэлектронные, биологические и др. системы. Текущее состояние любого из них определяется соответствующими характеристиками физических процессов и полей (электрический ток и/или напряжение, оптическое излучение, давление воздуха и/или некоторой среды, температура и т. п.), поэтому для получения информации требуется преобразовать их к виду, удобному для анализа и обработки. Именно такую роль выполняют датчики, которые приводят физические характеристики объектов к соответствующим электрическим параметрам.

Для достижения заданной цели необходимо представлять, каким должен быть идеальный управляемый объект, для чего создается модель объекта, (блок “Модель”), которая представляет некоторое математическое описание необходимого идеального объекта. В блоке производится сравнение информации реальной и математической (идеально необходимой) систем, в результате чего принимается решение (блок - “Система принятия решений”), реализуемое в виде выдачи управляющих воздействий на исполнительные устройства И1, И2 (реально их количество произвольно). Исполнительные устройства изменяют физические характеристики управляемого объекта.

В сложных кибернетических системах, множество функций существенно возрастает, но принципы построения их остаются одинаковыми.

В качестве примера рассмотрим более сложную кибернетическую систему (рис 1.3 ) с точки зрения реализуемых функций. Если человек находится в системе управления, такие системы называют автоматизированными.

 

 

Рис.1.3. Информационно - управляющая (кибернетическая) система

 

С объекта обязательно собирается информация обычно с помощью большого количества датчиков, например, температура с множества точек самолета; в системе воздушного движения - о состоянии значений большого количества характеристик каждого самолета; в компьютерных системах - о параметрах каждого терминала [2] (вспомогательного компьютера, подключенного к основному); в радиоэлектронных системах - о характеристиках и параметрах устройств и блоков; в банковских системах - о температуре точек всех помещений, излучениях, визуальной (оптической) информации; в помещениях - о работе устройств и машин и т.п.

В большинстве случаев это значительное число самых разнообразных характеристик.

Блоки 10¸12, 13 представляют подсистемы ввода информации, которую готовит внешняя система (это могут быть и люди).

В блоках 8 и 9 показаны функции подготовки и исполнения принятых решений. Здесь также остается возможность многообразия исполнительных устройств (все зависит от типа объекта). Естественно, что предусматривается передача и преобразование информации (форма и представление должны быть согласованы с исполнительными устройствами).

В теории и практике управления было показано и теоретически обосновано, что управление [3]

- целенаправленный процесс;

- функциональный процесс;

- все процессы происходят в замкнутом цикле.

В неуправляющих системах отсутствует только замкнутый цикл.

В общем случае систему на рис. 1.3 можно представить только в виде функций получения и всевозможной обработки информации. Из рис. 1.3 следует также, что большую долю занимают функции обработки информации (блоки 2¸7, 13, 14): сравнение, расчет, определение альтернативных вариантов решений, принятие оптимальных решений, отображение решений (документы, графика, результаты расчетов и т.п.).

Кроме того, после приема информации для обработки она должна передаваться не зависимо от расстояния между функциональными блоками. Естественно, что сложность передающих устройств зависит от расстояния, структуры, состава, количества информации и т. п. Кроме того, информация должна передаваться в виде, удобном для дальнейшей обработки, это подразумевается, и поэтому не всегда фигурирует в явном виде в функциональных блоках. Обычно выполняется средствами и методами преобразования, трансформации, представления, кодирования информации.

Анализ систем (в кибернетике теоретический анализ) показывает, что если методы, целевая и объектовая направленность математической и смысловой части расчетов и обработки бесконечно разнообразна, то средства и информационная сущность однотипна для многих систем.

Рассмотрим структуру такой системы (рис.1.4).

После датчиков в универсальных информационных системах необходимо производить преобразование получаемой информации к форме и виду, удобному для передачи и обработки. Действительно существует разница в процессе снятия датчиками температуры человека, турбины самолета или радиоэлектронного блока. Однако, вводя средства масштабирования, можно использовать одинаковые способы конечного представления информации.

Различные сигналы могут быть преобразованы к одинаковому типу (форме представления), что и реализуется блоками преобразователей. Аналогично обстоит дело и для исполнительных устройств, здесь обратная задача: однотипные сигналы необходимо привести к форме, требуемой объектом. Формы и методы представления будут рассмотрены ниже.

Поскольку датчиков в реальных системах достаточно много, то

информация с них собирается, преобразуется и формируется для передачи, в некоторых случаях требуется хранение информации. С одной стороны, нужны некоторые средства представления, обозначения информации - носители, с другой - хранения.

Формы и способы передачи информации определяются конкретными объектами, например, между людьми обмен может производиться звуковыми и оптическими сигналами, документами, электрическими сигналами по телефонным линиям, электромагнитными сигналами по радиоканалам или другими способами. Таким образом переносят сообщение сигналы в виде колебаний воздуха, светового (электромагнитного) излучения, документов или других сигналов, которые являются носителями информации в сообщении.

Под носителями^Ì [1] понимаются некоторые материальные субъекты: бумажные носители, электрические и электромагнитные (в том числе и оптические) сигналы, звуковые колебания и т.п.

Сбор информации (блоки сбора) осуществляется как по многим датчикам, так и по множеству моментов времени съема информации, но самая большая доля хранимой информации приходится на системы обработки информации.

Из рис. 1.4 видно, что после преобразования необходимы сбор, передача и обработка информации.

Общность практически всех рассматриваемых систем заключается в выполнении действий (функций) с информацией, т.е. в них протекают информационные процессы.

Под информационным процессом понимается выполнение всех функций с информацией: прием, восприятие, преобразование, обработка, передача и т. д.

В любом случае для систем различного назначения используются свои информационные функции и соответствующие им устройства, которые и образуют информационную систему (ИС).

Информационные процессы протекают во всех выше приведенных системах с некоторым разнообразием, т.е. они являются набором обязательных действий в зависимости от типа системы.

Классифицируют ИС по различным признакам, например, по сфере применения, при этом выделяют: автоматизированные системы управления (АСУ, в основном организационного управления), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), системы автоматизации проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), интегрированные и др.

Проблемная направленность таких систем многообразна и включает системы инструментального типа, т.е. обеспечивающие управление информацией (системы управления базами данных – СУБД, обеспечения хранения информации, системы электронного документооборота и т.п.) и системы направленные на решение задач.

По степени автоматизации ИС могут быть “ручные”, автоматические и автоматизированные.

Если не выделяют каких-то особенностей систем, то их называют ИС. Понятие ИС имеет некоторый двузначный смысл: ранее под ИС понимались системы без управления, а в настоящее время - системы не зависимо от их вида и типа (Т.Е. ИС - широкое понятие).

В любой ИС можно выделить элементарные действия по работе с информацией, которые называют операциями.

Операция - совокупность элементарных действий по обработке информации на устройствах ИС, а логически законченная совокупность операций образует этап.

Выделенные понятия позволяют определить полный набор операций для ИС. Этот подход характерен для всех технологических процессов и, поэтому, в ИС процессы на основе поэтапной обработки информации с выделенными наборами операций называют информационной технологией (ИТ). Собственно любой набор операций обеспечивающий работу ИС представляет информационную технологию.

Технология обработки информации существует во всех ИС: “ручных”, автоматических и автоматизированных системах, естественно, со своими особенностями. Проблема заключается в разработке некоторых типовых, стандартных методов, операций и этапов. Оказывается такая стандартизация и разработка методов возможны и это является одной из задач информатики.

Подводя итог проведенного выше анализа, можно выделить несколько проблемных направлений в ИС: теория и методы информации и ИС, проблемы технических средств и систем, теория и методы информационных технологий. Все эти проблемы и являются предметом информатики. Естественно, что основой всех понятий, теории и средств является информация.

Информатика^Ì - научное направление, занимающееся изучением законов, методов и способов накапливания, обработки и передачи информации с помощью вычислительных, цифровых систем и технических средств; совокупность теории, научных методов, средств и технологии обработки информации.

Понимание места информации в различных системах привело к коррекции в них теоретических основ. Информатика внесла следующее понимание в теорию управления. Всякое управление /3/ :

- целенаправленный процесс;

- информационный процесс;

- производится в замкнутом цикле.

Поскольку информатика изучает /4/ все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи использования информации можно выделить /4/ восемь основных направлений.

1. Теоретическая информатика, использующая методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации. Является теоретическим фундаментом для всей информатики. Направление включает в себя теорию информации, теорию алгоритмов, теорию автоматов.

2. Кибернетика, являющаяся прикладной информатикой в области создания и использования автоматических и автоматизированных систем управления как отдельных объектов, так и различных сложных систем, вплоть до сообществ людей.

3. Программирование.

4. Искусственный интеллект.

5. Информационные системы.

6. Вычислительная техника.

7. Информатика в обществе.

8. Информатика в природе, изучающая информационные процессы, протекающие в биологических системах.

На основе проведенного анализа представим классификацию структуры информатики:

- теоретическая информатика;

- методы, системы и средства ИС;

- приложенческие аспекты информатики.

Раздел теоретической информатики включает дисциплины развивающиеся собственно для информатики и смежные, “пограничные” дисциплины, теоретические основы которых используются для информатики и имеют самостоятельное значение (для других направлений). Первый тип дисциплин возник и развивался как основы информатики и впоследствии переходил для общего использования и в других направлениях. К этому классу относятся дисциплины на базе математической логики, теории использующей бинарные (двоичные) значения: “истина” и “ложь”, да и нет, 1 и 0. Сюда входят теории автоматов, сетей, алгоритмов, вычислений и д.р.

Отдельный большой класс составляют теории информации и кодирования (способы и формы представления информационных единиц).

В настоящее время проходит становление и развитие теория и методология защиты информации и информационной безопасности /5/.

Разнообразие и количество смежных, пограничных дисциплин достаточно велико. (Большое и фундаментальное значение имеет дискретная математика: теория множеств, вычислительные математика и геометрия. Действительно, поскольку объемы принимаемой, хранимой, передаваемой и обрабатываемой информации конечны, то в теории информатики в основном изучаются методы на конечном множестве элементов, значений аргументов.)

Пограничное значение занимают методы моделирования, среди которых выделяются компьютерное моделирование , имитационное моделирование , теории массового обслуживания , принятия решений, игр , исследования операций , принятия решений и д. р.

Особое место занимает кибернетика, развитие которой как науки об управлении привело к пониманию всеобщности информации и информационных процессов и дало толчок к интенсивному исследованию и разработке информационно - управляющих систем и информатики в целом. (Кроме теорий управления и автоматического управления, в кибернетику входят теории распознавания образов, искусственного интеллекта, нейрокибернетики , вопросов бионики). Степень исследований в кибернетике для информатики столь велика, что ряд ученых относят ее даже к разделу информатики [2, 4].

В некотором смысле пограничными являются теория, методология и технология программирования. Это направление всецело обязано вычислительной технике и имеет самостоятельное значение, т.к. методы используются для внутренней структуры ЭВМ и отдельных аппаратных средств ИС. (Программирование немыслимо без разработки языков программирования, операционных систем, систем управления баз данных, протоколов связи информационных сетей и т.п.)

Такое же промежуточное положение занимает теория искусственного интеллекта, появившаяся в 70-х годах (нашего столетия), методы которой все шире используются для построения многих ИС.

Второе направление информатики связано с исследованием и разработкой методов, элементов, средств и систем информатики. Если проанализировать ИС, например, информационно-управляющую как самую сложную (рис.1.4) то можно видеть разнообразие требований в зависимости от объекта.

Как указывалось ранее, основное достижение информатики заключается в разработке стандартных методов и средств.

1. С математической точки зрения информация в ИС должна преобразовываться к дискетному виду, причем вид и форма представления должны быть одинаковы на всех этапах информационного процесса.

2. ИТ должна иметь набор отработанных операций.

3. Средства, функциональные устройства должны строиться на небольшом наборе аппаратных и программных элементов и устройств.

Первое требование привело к разработке теории, методов и средств представления всех видов информации в бинарном виде: сообщений, сигналов, символов, текстов, графики, чисел, высказываний и т.п.

Во втором случае технологические операции во всех возможных случаях отрабатываются одинаково, например, обработка документов на сканнерах, графика - на устройствах графопостроителях и т.п. (несмотря на разнообразие устройств, все они должны выдавать или получать информацию в дискретном представлении).

Третье требование выполняется использованием элементов аппаратуры с бинарным представлением информации - цифровой элементной базы. Управление работой этих элементов осуществляется с помощью программирования.

Оригинальные, не цифровые (аналоговые и др.), элементы используются в небольшом количестве точек информационного процесса, если нельзя обойтись без них. Действительно, датчики (рис 1.4) принимают сигнальную информацию носителей от источника и преобразовывают в электрические сигналы в соответствии с требованиями ИС. Подобная же ситуация и при передаче информации по каналам (радиоканалы, системы телекоммуникации). Далее преобразователи (рис. 1.4) полученную информацию приводят к виду, принятому в ИС. Такая информация представляется в двоичном виде - преобразование типа из аналоговой формы в цифровую (“аналого-цифровые” преобразователи). Противоположное представление (ввод информации в объект через носители) осуществляется в обратной связи: исполнительные устройства и системы преобразования (рис.1.4) ("цифро-аналоговые" преобразователи).

Бурное развитие цифровой элементной базы, методов и теории построения вычислительных систем привело к выбору ЭВМ в качестве стандартного средства обработки и хранения информации в ИС. Отметим, что это стало очевидным только при появлении ЭВМ последних поколений и в результате современных достижений в области теории и практики информатики. Эти же причины привели к появлению небольших устройств обработки, преобразования и хранения - микропроцессоры, транспьютеры и т.п., что дало возможность использовать их в качестве стандартных средств практически на всех этапах ИС.

Рассматриваемое второе направление (методы, системы и средства ИС) состоит в исследовании и разработке:

- информационных систем;

- анализе и прогнозировании информационных потоков;

- способов и форм представления информации;

- технических средств преобразования и обработки информации;

- вычислительных систем;

- информационных технологий;

- информационных сетей;

- систем программирования;

- систем передачи информации (с информационных позиций);

- операционных систем;

- баз данных и знаний.

Таким образом, современные ИС имеют возможность их построения на базе стандартных: методов представления информации, элементной базы, средств обработки информации (ЭВМ). Здесь стандартизация рассматривается с информационной точки зрения. Следует подчеркнуть, что построение ИС возможно и другими различными методами, однако с точки зрения современного состояния теории информатики это не рационально!

Третье направление (приложенческие аспекты информатики) заключается в специализации информатики для различных приложений, что становится особенно важным в связи с переходом общества от индустриального к информационному.

Основные проблемы заключаются в исследовании и разработке:

- методов и средств построения специальных баз данных и знаний; информационных сетей и единой среды;

- профессиональных систем, например автоматизированных рабочих мест;

- обучающих систем;

- проблем социального, правового и технического характера с точки зрения информатики, в том числе информационной безопасности и др.

В это же направление входят исследования информационных процессов в природе, например, в биологических (бионика, биокибернетика) и природных (биогеоценология - поддержание, воздействие и сохранение равновесия) системах.

Из проведенного краткого анализа видно сколь разнообразны потребности в информатике и тенденции развития информационного общества.

Из сказанного ясно, что основным элементом информатики является информация, собственно информатика и есть наука по всем аспектам информации, и отсюда следует необходимость глубокого и всестороннего изучения всех аспектов информации.