Автоматизированные системы научных исследований
Автоматизированные системы для научных исследовании (АСНИ) представляют собой программно-аппаратные комплексы, обрабатывающие данные, поступающие от различного рода экспериментальных установок и измерительных приборов, и на основе их анализа облегчающие обнаружение новых эффектов и закономерностей, рис. 6.9.
Рис. 6.9. Типовая структура АСНИ
Блок связи с измерительной аппаратурой преобразует к нужному виду информацию, поступающую от измерительной аппаратуры. В базе данных хранится информация, поступившая из блока связи с измерительной аппаратурой, а также заранее введенная с целью обеспечения работоспособности системы. Расчетный блок, выполняя программы из пакета прикладных программ, производит все математические расчеты, в которых может возникнуть потребность в ходе научных исследований Расчеты могут выполняться по требованию самого исследователя, или блока имитационного моделирования. При этом на основе математических моделей воспроизводится процесс, происходящий во внешней среде.
Экспертная система моделирует рассуждения специалистов данной предметной области. С ее помощью исследователь может классифицировать наблюдаемые явления, диагностировать течение исследуемых процессов.
АСНИ получили широкое распространение в молекулярной химии, минералогии, биохимии, физике элементарных частиц и многих других науках.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Близкими по своей структуре и функциям к системам автоматизации научных исследований оказываются системы автоматизированного проектирования (САПР), знакомство с которыми было начато в главе 2. Здесь мы ограничимся взглядом на САПР как на сложную информационную систему.
Проектирование новых изделий - основная задача изобретателей и конструкторов - протекает в несколько этапов, таких как формирование замысла, поиск физических принципов, обеспечивающих реализацию замыслов и требуемые значения параметров конструкции, поиск конструктивных решении, их расчет и обоснование, создание опытного образца, разработка технологии промышленного изготовления. Если формирование замысла и поиск физических принципов пока остаются чисто творческими, не поддающимися автоматизации этапами, то при конструировании и расчетах с успехом могут быть применены САПР, рис. 6.10.
Рис. 6.10. Типовая схема САПР
База данных, блок имитационного моделирования, расчетный блок и экспертная система выполняют функции, аналогичные функциям соответствующих блоков АСНИ. Вместо блока связи с измерительной аппаратурой в САПР имеется блок формирования заданий. Проектировщик вводит в блок техническое задание на проектирование, в котором указаны цели, которые необходимо достичь при проектировании, и все ограничения, которые нельзя нарушить. Блок подготовки технической документации облегчает создание технической документации для последующего изготовления изделия.
В настоящее время САПР является неотъемлемым атрибутом крупных конструкторских бюро и проектных организаций, работающих в различных предметных областях. Это важная сфера приложения идей и методов информатики.
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Когда о человеке говорят «он прочно стоит на земле», то имеют в виду не только прямой смысл этих слов, но и нечто основательное в характере, положении, профессиональной квалификации. В информации, окружающей нас, тоже удивительно много «стоит на земле», хотя мы не всегда об этом задумываемся. Огромное количество практически необходимых знаний просто «подвисают», не будучи привязанными к тому участку земли, информацию о котором они несут. Те информационные системы, которые хранят эти знания, позволяют их актуализировать, сопоставлять, использовать для решения прикладных задач, называются географическими информационными системами, короче-геоинформационными системами (ГИС).
Как и многие виды информационных систем, ГИС уходят корнями в 60-е годы нашего века. Однако, их истинный расцвет состоялся лишь тогда, когда появились адекватные технические средства - огромные по емкости и скорости доступа носители информации и высококачественные графические визуальные устройства отображения информации - ведь в ГИС почти все разыгрывается на фоне географической карты. В нашей стране ГИС еще только «становятся на ноги»; специалисты предрекают им большое будущее.
Приведем пример возможной ГИС. Муниципальная ГИС большого города (прообразы таковых имеются и в России) обслуживает всех тех, для кого информация привязана к месту ее нахождения в городе: городские власти, архитектурное управление, транспортников, предприятия по обслуживанию городских коммунальных сетей, энергетиков, связистов, работников торговли (магазинов, торговых баз), милицию, медицинские службы (особенно скорой помощи), налоговые службы, строительные организации, санитарно-эпидемиологические службы, органы социальной защиты и т.д. - всех трудно перечислить, ибо современный город является сложным социальным, экономическим и техническим образованием, и количество служб и учреждений, поддерживающих его жизнедеятельность, велико. Почти всегда нужная им информация привязана к карге города - как проехать скорой помощи, где произошел выброс вредных веществ и куда они распространяются, где перекрыгь трубопровод при аварии, в каком состоянии транспортные магистрали и как проехать, если некоторые из них временно перекрыты, и прочее, и прочее. Потенциальный клиент такой ГИС - как любая городская служба, так и рядовые граждане, которые используют ее как информационно-справочную систему.
Для развертывания такой ГИС необходимо решить рад сложных и дорогостоящих организационных задач, в том числе
• создания и ведения регулярно обновляемой цифровой ^компьютерной) топографической основы;
• организации согласованного обновления пространственной информации, собираемой различными ведомствами;
• создания общегородских классификаторов основных структурных единиц города (улиц, микрорайонов и т.д.);
• создания единого координационного центра для ведения муниципальной ГИС.
По-видимому, муниципальный уровень является самым низким, на котором возможно создание многоцелевой ГИС того типа, который описан выше. На уровне региона или государства в целом информация столь велика по объему и столь тематически многообразна, что целесообразно создание тематических ГИС. Одной из важнейших задач, для решения которых такие региональные и общегосударственные ГИС должны быть вскоре разработаны, является создание государственного земельного кадастра, производимое на основе постановления правительства по федеральной целевой программе, принятой в августе 1996 г. Слово «кадастр» означает реестр, содержащий сведения об объекте. Цель разработки земельного кадастра - способствовать проведению единой политики в области земельных отношений, обеспечению интересов государства и населения страны, создание цивилизованного рынка земли, защиты прав ее владельцев, арендаторов и т.д. Информация эта колоссальна по объему и требует постоянной актуализации, фиксирующей все изменения в сфере землепользования.
Создание ГИС может быть и объектом международного сотрудничества. Так, в период 1993 - 96 гг. усилиями шести стран создана ГИС «Черное море». Будучи жизненно важным для нескольких стран, море претерпевает катастрофические изменения, приводящие к сокращению и гибели целых экосистем. ГИС «Черное море» включает огромный объем картографической информации (более 2000 карт), базы данных по геологии, метеорологии, физической океанографии, загрязнениям, биоресурсам, рыбным ресурсам. Таким образом, государственные органы прибрежных стран, научные работники, да и просто все заинтересованные в судьбе моря получили возможность доступа к комплексу информации о нем.
Не следует думать, что каждая ГИС является столь огромной. Достаточно широкое распространение получили, так называемые, настольные ГИС. Они также хранят картографическую информацию и базы данных, привязанные к ней, но в гораздо более локальных вариантах. Скажем, для автовладельца большой интерес может представить ГИС, содержащая сведения о дорогах в районе, их покрытиях (асфальтовые, грунтовые и т.д.).
Рис. 6.11. Типовая структура ГИС
Для создания ГИС используют специализированные инструментальные программные средства, различные для разных классов ГИС. «Тяжелые» профессиональные системы типа Intergraph не предназначены для персональных компьютеров (хотя и существуют их усеченные версии). Для создания локальных ГИС на ПК существуют специальные программные средства, работающие в среде MS Windows. Так, отечественные программы GeoDraw и GeoGraph 1.5 позволяют создать ГИС на основе многослойной топологической модели географических данных. Такая модель позволяет описать не только координаты объектов, но и их качественные характеристики (например, взаимное расположение), что важно при преобразованиях изображений. К каждому слою изображения может быть подключено несколько таблиц баз данных; наоборот, каждая таблица может быть подключена к нескольким слоям. Пользователь этой инструментальной системы может наполнить ее конкретным содержанием, рис. 6,11.
Особой проблемой в ГИС является ввод графической (особенно картографической) информации и выбор ее форматов. Если ввод карты может быть осуществлен сканированием, то, в отличие от многих других задач хранения, обработки и вывода изображений, растровый формат изображения, создаваемый при сканировании, в ГИС менее удобен, чем векторный. Дело в том, что графическая информация в ГИС часто подвергается манипуляциям типа «растянуть», «сжать» и более сложным геометрическим преобразованиям. Поэтому первоначальное растровое изображение в ГИС-системах обычно подвергается векторизации, т.е. установлению геометрических и формульных соотношений между линиями и точками, образующими изображение.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение и основные структурные элементы АСУ?
2. В чем состоят недостатки концепции АСУ 70-х годов?
3. В чем состоят основные положения современной концепции информационной системы управления?
4. Каковы перспективы развития информационно-управляющихсистем в образовании?
5. Каково назначение и основные структурные элементы АСНИ?
6. Каково назначение и основные структурные элементы САПР?
7. Каково назначение и основные структурные элементы ГИС?
ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ
Систему искусственного интеллекта, построенную на основе высококачественных специальных знании о некоторой предметной области (полученных от экспертов - специалистов этой области), называют экспертной системой. Экспертные системы - один из немногих видов систем искусственного интеллекта (см. гл. 1) -получили широкое распространение и нашли практическое применение. Существуют экспертные системы по военному делу, геологии, инженерному делу, информатике, космической технике, математике, медицине, метеорологии, промышленности, сельскому хозяйству, управлению, физике, химии, электронике, юриспруденции и т.д. И только то, что экспертные системы остаются весьма сложными, дорогими, а главное, узкоспециализированными программами, сдерживает их еще более широкое распространение.
От других программ экспертные системы отличаются по следующим признакам:
1) компетентность - в конкретной предметной области экспертная система должна достигать того же уровня, что и эксперты - люди, при этом она должна пользоваться теми же эвристическими приемами, также глубоко и широко отражать предметную область;
2) символьные рассуждения - знания, на которых основана экспертная система, представляют в символьном виде понятия реального мира, рассуждения также происходят в виде преобразований символьных наборов;
3) глубина - экспертиза должна решать глубокие, нетривиальные задачи, отличающиеся сложностью либо в плане сложности знаний, которые экспертная система использует, либо в плане их обилия, это не позволяет использовать полный перебор вариантов как метод решения задачи и заставляет прибегать к эвристическим, творческим, неформальным методам;
4) самосознание - экспертная система должна включать в себя механизм объяснения того, каким образом она приходит к решению задачи.
Экспертные системы (рис. 6.12) создаются для решения разного рода проблем, но основные типы их деятельности можно сгруппировать в категории, приведенные в табл. 6.6.
Экспертные системы, выполняющие интерпретацию, как правило, используют информацию от датчиков для описания ситуации. Например, это может быть интерпретация показаний измерительных приборов на химическом заводе для определения состояния процесса. Интерпретирующие системы имеют дело не с четкими символьными представлениями проблемной ситуации, а непосредственно с реальными данными. Они сталкиваются с затруднениями, которых нет у систем других типов, потому что им приходится обрабатывать информацию зашумленную, недостаточную, неполную, ненадежную или ошибочную. Им необходимы специальные методы регистрации характеристик непрерывных потоков данных, сигналов или изображений и методы их символьного представления.
Интерпретирующие экспертные системы могут обрабатывать разнообразные виды данных. Например, системы анализа сцен и распознавания речи, используя
Рис.6.12. Схема обобщенной экспертной системы
Таблица 6.6