Глава 3. Структура базовой информационной технологии. Преобразование информации в данные
Как, уже отмечалось, базовой информационной технологией будем называть информационную технологию, ориентированную на определенную область применения. Предметом изучения излагаемого курса являются автоматизированные информационные технологии в управлении организационно-экономическими системами, возникающими при производстве материальных благ и услуг. Любая информационная технология слагается из взаимосвязанных информационных процессов, каждый из которых содержит определенный набор процедур, реализуемых с помощью информационных операций. Информационная технология выступает как система, функционирование каждого элемента которой подчиняется общей цели функционирования системы - получении качественного информационного продукта из исходного информационного ресурса в соответствии с поставленной задачей.
Как базовая информационная технология в целом, так и отдельные информационные процессы могут быть представлены тремя уровнями: концептуальным, логическим и физическим. Концептуальный уровень определяет содержательный аспект информационной технологии или процесса, логический - отображается формализованным (модельным) описанием, а физический уровень раскрывает программно-аппаратную реализацию информационных процессов и технологии.
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ
При производстве информационного продукта исходный информационный ресурс в соответствии с поставленной задачей подвергается в определенной последовательности различным преобразованиям. Динамика этих преобразований отображается в протекающих при этом информационных процессах. Таким образом, информационный процесс - это процесс преобразования информации. В результате него информация может изменить и содержание, и форму представления, причем, как в пространстве, так и во времени.
Фазы преобразования информации в информационной технологии достаточно многочисленны, и простое их перечисление может привести к потере ощущения целостности технологической системы (за деревьями не увидеть леса). Однако, если провести структуризацию технологии, выделив такие крупные структуры как процессы и процедуры, то концептуальная модель базовой информационной технологии может быть представлена схемой
рис. 2.1.
Рис. 2.1. Концептуальная модель базовой информационной технологии
На этой схеме в левой части изображены блоки информационных процессов, в правой - блоки процедур. Блок в виде прямоугольника изображает процесс или процедуру, в которых преобладают ручные или традиционные операции. Овальная форма блоков соответствует автоматическим операциям, производимым с помощью технических средств (ЭВМ и средств передачи данных). В верхней части схемы информационные процессы и процедуры осуществляют преобразование информации, имеющей человеческую форму представления, т.е. ярко выраженное смысловое содержание. Синтаксический аспект информации находится здесь на втором плане. В этом случае говорят о преобразовании собственно информации. В нижней части схемы производится преобразование данных, т.е. информации, представленной в машинном виде. И на этом уровне представления преобладает синтаксический аспект информации.
Технология переработки информации начинается с формирования информационного ресурса, который после определенных целенаправленных преобразований должен превратится в информационный продукт. Формирование информационного ресурса (получение исходной информации) начинается с процесса сбора информации, которая должна в информационном плане отразить предметную область, т.е. объект управления или исследования (его характеристики, параметры, состояние и т.п.). Собранная информация для ее оценки (по полноте, непротиворечивости, достоверности и т.д.) и последующих преобразований должна быть соответствующим образом подготовлена (осмыслена и структурирована, например, в виде таблиц). После подготовки информация может быть передана для дальнейшего преобразования традиционными способами (с помощью телефона, почты, курьера и т.п.), а может быть подвергнута сразу процессу преобразования в машинные данные, т.е. процессу ввода. Процессы сбора, подготовки и ввода в информационной технологии организационно-экономических систем по своей реализации являются в основном ручными (кроме процесса подготовки, который частично может быть автоматизированным). Процесс ввода преобразует информацию в данные, имеющие форму цифровых кодов, реализуемых на физическом уровне с помощью различных физических представлений (электрических, магнитных, оптических, механических и т.д.).
Следующие за вводом информационные процессы уже производят преобразование данных в соответствии с поставленной задачей. Эти процессы протекают в ЭВМ (или организуются ЭВМ) под управлением различных программ, которые и позволяют так организовать данные, что после вывода из ЭВМ результат обработки представляет собой наполненную смыслом информацию о результате решения поставленной задачи. При преобразованиях данных можно выделить четыре основных информационных процесса и соответствующих им процедур. Это процессы обработки, обмена, накопления данных и представление знаний.
Процесс обработки данных связан с преобразованием значений и структур данных, а также их преобразованием в форму, удобную для человеческого восприятия, т.е. отображением. Отображенные данные - это уже информация. Процедуры преобразования данных осуществляются по определенным алгоритмам и реализуются в ЭВМ с помощью набора машинных операций. Процедуры отображения переводят данные из цифровых кодов в изображение (текстовое или графическое) или звук.
Информационный процесс обмена предполагает обмен данными между процессами информационной технологии. Из схемы рис 2.1. видно, что процесс обмена связан взаимными потоками данных со всеми информационными процессами на уровне переработки данных. При обмене данными можно выделить два основных типа процедур. Это процедуры передачи данных по каналам связи и сетевые процедуры, позволяющие осуществить организацию вычислительной сети. Процедуры передачи данных реализуются с помощью операции кодирования-декодирования, модуляции-демодуляции, согласования и усиления сигналов. Процедуры организации сети включают в себя в качестве основных операции по коммутации и маршрутизации потоков данных (трафика) в вычислительной сети. Процесс обмена позволяет с одной стороны передавать данные между источником и получателем информации, а с другой - объединять информацию многих ее источников.
Процесс накопления позволяет так преобразовать информацию в форме данных, что удается ее длительное время хранить, постоянно обновляя, и при необходимости оперативно извлекать в заданном объеме и по заданным признакам. Процедуры процесса накопления, таким образом, состоят в организации хранения и актуализации данных. Хранение предполагает создание такой структуры расположения данных в памяти ЭВМ, которая позволила бы быстро и не избыточно накапливать данные по заданным признакам и не менее быстро осуществлять их поиск. В настоящее время ЭВМ имеет два основных вида запоминающих устройств оперативные (электронные) и внешние (на магнитных и оптических дисках). Их физическая природа и устройство различны, поэтому различаются и возможности по организации структур хранения данных. Можно выделить операции по организации хранения и поиска данных в оперативной и внешней памяти ЭВМ. В процессе накопления данных важной процедурой является их актуализация. Под актуализацией понимается поддержание хранимых данных на уровне, соответствующем информационным потребностям решаемых задач в системе, где организована информационная технология. Актуализация данных осуществляется с помощью операций добавления новых данных к уже хранимым, корректировки (изменения значений или элементов структур) данных и их уничтожения, если данные устарели и уже не могут быть использованы при решении функциональных задач системы. Наконец, информационный процесс представления знаний включен в базовую информационную технологию как один из основных информационных процессов, поскольку высшим продуктом информационной технологии является знание. Формирование знания как высшего информационного продукта до недавнего времени являлось (да в основе своей является и сейчас) прерогативой человека. Однако, оказать помощь человеку при решении не формализуемых или трудно формализуемых задач может автоматизированный процесс представления знаний. В этом процессе объединяются процедуры формализации знаний, их накопления в формализованном виде и формальной генерации (вывода) новых знаний на основе накопленных в соответствии с поставленной задачей. Вывод нового знания - это эквивалент решения задачи, которую не удается представить в формальном виде. Таким образом, процесс представления знаний - это процесс, состоящий из процедур получения формализованных знаний и процедур генерации (вывода) новых знаний из полученных. К сожалению, практическая реализация процесса представления знаний с помощью ЭВМ еще не достигла достаточно широкого применения в информационных технологиях. Это связано как с продолжающимися поисками форм представления знаний в теории искусственного интеллекта, так и практическими трудностями при создании баз знаний. Тем не менее, развитие теории искусственного интеллекта продолжается и в новом веке процесс представления знаний займет ключевое место в информационных технологиях.
В зависимости от решаемых информационной технологией задач удельный вес и взаимосвязь информационных процессов различны.
ЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ
Логический уровень информационной технологии, представляется комплексом взаимосвязанных моделей, формализующих информационные процессы при технологических преобразованиях информации и данных. Формализованное (в виде моделей) представление информационной технологии позволяет связать параметры информационных процессов, а это означает возможность реализации управления информационными процессами и процедурами.
На рис 2.2. приведены состав и взаимосвязи моделей базовой информационной технологии. В зависимости от области применения и назначения информационной технологии модели информационных процессов конкретизируются, а некоторые могут и отсутствовать. Например, в настоящее время из-за отсутствия на потребительском рынке информационных технологий относительно недорогих, надежных и простых в эксплуатации интеллектуальных систем, процесс представления знаний в структуре организуемой информационной технологии может отсутствовать. Если, к примеру, информационная технология проектируется на не объединенных в сеть АРМах, процесс обмена данными и соответственно его модели будут отсутствовать. Однако, наибольший эффект информационная технология дает тогда, когда в ее составе используется весь набор информационных процессов.
На основе модели предметной области (МПО), характеризующей объект управления, создается общая модель управления (ОМУ), а из нее вытекают модели решаемых задач (МРЗ). Так как решаемые задачи в информационной технологии имеют в своей основе различные информационные процессы, то на передний план выходит модель организации информационных процессов, призванная на логическом уровне увязать эти процессы при решении задач управления.
Рис. 2.2. Состав моделей базовой информационной технологии
При обработке данных формируются четыре основных информационных процесса: обработки, обмена, накопления и представления знаний.
Модель обработки данных включает в себя формализованное описание процедур организации вычислительного процесса, преобразования данных и отображения данных. Под организацией вычислительного процесса понимается управление использованием ресурсов компьютера (памяти, процессора, внешних устройств) при решении задач обработки данных. Эта процедура формализуется в виде алгоритмов и программ системного управления компьютером. Комплексы таких алгоритмов и программ получили название операционных систем. Операционные системы выступают в виде посредников между ресурсами компьютера и прикладными программами, организуя беспрерывную и безошибочную их работу. Процедуры преобразования данных на логическом уровне представляют собой алгоритмы и программы обработки данных и их структур. Сюда включаются стандартные процедуры, такие как сортировка, поиск, создание и преобразование статистических и динамических структур данных, а так же нестандартные процедуры, обусловленные алгоритмами и программами преобразования данных при решении конкретных информационных задач. Моделями процедур отображения данных являются компьютерные программы преобразования данных, представленных машинными кодами, в воспринимаемую человеком информацию, несущую в себе смысловое содержание. В современных ЭВМ данные могут быть отражены в виде текстовой информации, в виде графиков, изображений, звука, с использованием средств мультимедиа, которые интегрируют в компьютере все основные способы отображения.
Модель обмена данными включает в себя формальное описание процедур, выполняемых в вычислительной сети: передачи (П), маршрутизации (М), коммутации (К). Именно эти процедуры и составляют информационный процесс обмена. Для качественной работы сети необходимы формальные соглашения между ее пользователями, что реализуется в виде протоколов сетевого обмена. В свою очередь передача данных основывается на моделях кодирования, модуляции, каналов связи. На основе моделей обмена производится синтез системы обмена данными, при котором оптимизируется топология и структура вычислительной сети, метод коммутации, протоколы и процедуры доступа, адресации и маршрутизации.
Модель накопления данных формализует описание информационной базы, которая в компьютерном виде представляется базой данных. Процесс перехода от информационного (смыслового) уровня к физическому отличается трехуровневой системой моделей представления информационной базы: концептуальной, логической и физической схем. Концептуальная схема информационной базы (КСБ) описывает информационное содержание предлагаемой области, т.е. какая и в каком объеме информация должна накапливаться при реализации информационной технологии. Логическая схема информационной базы (ЛСБ) должна формализовано описать ее структуру и взаимосвязь элементов информации. При этом могут быть использованы различные подходы: реляционный, иерархический, сетевой. Выбор подхода определяет и систему управления базой данных (СУБД). А СУБД, в свою очередь, определяет физическую модель данных - физическую схему информационной базы (ФСБ), описывающую методы размещения данных и доступа к ним на машинных (физических) носителях информации.
В современных информационных технологиях формирование моделей предметной области и решаемых задач производится в основном человеком, что связано с трудностями формализации этих процессов. Но по мере развития теории и практики интеллектуальных систем становится возможным формализовать человеческие знания, на основе которых и формируется вышеуказанные модели. Модель представления знаний, включенная в систему моделей информационной технологии, позволит проектировщику ИТ в автоматизированном режиме формировать из фрагментов модель предметной области, а так же модели решаемых задач. Наличие этих моделей поможет пользователю в заданной предметной области выбрать необходимую ему модель решаемой задачи и решить ее с помощью информационной технологии. Модель представления знаний может быть выбрана в зависимости от предметной области и вида решаемых задач. Сейчас практически используются такие модели как логические (Л), алгоритмические (А), фреймовые (Ф), семантические (С) и интегральные (И).
Взаимная увязка базовых информационных процессов, их синхронизация на логическом уровне осуществляется через модель управления данными (УД). Так как базовые информационные процессы оперируют данными, то управление данными - это управление процессами обработки, обмена и накопления. Управление процессом обработки данных означает управление организацией вычислительного процесса, преобразованиями и отображениями данных в соответствии с моделью организации информационных процессов, основанной на модели решаемой задачи. При управлении процессом обмена управлению подлежат процедуры маршрутизации и коммутации в вычислительной сети, а так же передачи сообщений по каналам связи. Управление данными в процессе накопления означает организацию физического хранения данных в базе и ее актуализацию, т.е. добавление данных, их корректировку и уничтожение. Кроме того, должны быть подчинены управлению процедуры поиска, группировок, выборок и т.п. На логическом уровне управление процессом накопления - это комплексы программ управления базами данных, получившими название систем управления базами данных (СУБД). Увеличение объемов информации, хранимых в базах данных, при переходе к распределенным базам и банкам данных, управление процессом накопления усложняется и не всегда поддается формализации. Поэтому в ИТ при реализации процесса накопления часто возникает необходимость в человеке - администраторе базы данных, который формирует и ведет модель накопления данных, определяя ее содержание и актуальное состояние.
ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ
Физический уровень информационной технологии представляет ее программно-аппаратную реализацию. При этом стремятся максимально использовать типовые технические средства и программное обеспечение, что существенно уменьшает затраты на создание и эксплуатацию ИТ. С помощью программно-аппаратных средств практически осуществляются базовые информационные процессы и процедуры в их взаимосвязи и подчинении единой цели функционирования. Таким образом, и на физическом уровне ИТ рассматривается как система, причем большая система, в которой выделяется несколько крупных подсистем. Это - подсистемы, реализующие на физическом уровне информационные процессы: подсистема (п/с) обработки данных, подсистема обмена данными, подсистема накопления данных, подсистема управления данными и подсистема представления знаний. С системой информационной технологии взаимодействуют пользователь и проектировщик системы. Состав и взаимосвязь подсистем ИТ приведены на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Состав и взаимосвязь подсистем базовой информационной технологии
Для выполнения функций подсистемы отработки данных используются электронные вычислительные машины различных классов. В настоящее время при создании автоматизированных информационных технологий применяются три основных класса ЭВМ: на верхнем уровне -
большие универсальные ЭВМ (по зарубежной классификации - мэйнфреймы), способные накапливать и обрабатывать громадные объемы информации и используемые как главные ЭВМ; на среднем - абонентские вычислительные машины (серверы); на нижнем уровне - персональные компьютеры либо управляющие ЭВМ. Обработка данных, т.е. их преобразование и отображение, производится с помощью программ решения задач в той предметной области, для которой создана информационная технология.
В подсистему обмена данными входят комплексы программ и устройств, позволяющих реализовать вычислительную сеть и осуществить по ней передачу и прием сообщений с необходимой скоростью и качеством. Физическими компонентами подсистемы обмена служат устройства приема - передачи (модемы, усилители, коммутаторы, кабели, специальные вычислительные комплексы, осуществляющие коммутацию, маршрутизацию и доступ к сетям). Программными компонентами подсистемы являются программы сетевого обмена, реализующие сетевые протоколы, кодирование-декодирование сообщений и др.
Подсистема накопления данных реализуется с помощью банков и баз данных, организованных на внешних устройствах компьютеров и ими управляемых. В вычислительных сетях, помимо локальных баз и банков, используется организация распределенных банков данных и распределенной обработки данных. Аппаратно-программными средствами этой подсистемы являются компьютеры различных классов с соответствующим программным обеспечением.
Для автоматизированного формирования модели предметной области из ее фрагментов и модели решаемой информационной технологией задачи создается подсистема представления знаний. На стадии проектирования информационной технологии проектировщик формирует в памяти компьютера модель заданной предметной области, а так же комплекс моделей решаемых технологией задач. На стадии эксплуатации пользователь обращается к подсистеме знаний и, исходя из постановки задачи, выбирает в автоматизированном режиме соответствующую модель решения, после чего через подсистему управления данными включаются другие подсистемы информационной технологии. Реализация подсистем представления знаний производится, как правило, на персональных компьютерах, программирование которых осуществляется с помощью прологоподобных или алголоподобных языков. При отсутствии в ИТ подсистемы представления знаний состав и взаимосвязь подсистем ограничивается пунктирным контуром на рис. 2.3.
Подсистема управления данными организуется на компьютерах с помощью подпрограммных систем управления обработкой данных и организации вычислительного процесса, систем управления вычислительной сетью и систем управления базами данных. При больших объемах накапливаемой на компьютере и циркулирующей в сети информации на предприятиях, где внедрена информационная технология, могут создаваться специальные службы такие, как администратор баз данных, администратор вычислительной сети и т.п.
Таким образом, информационная технология имеет три уровня представления - концептуальный, логический и физический. Последовательное рассмотрение этих трех уровней представления позволяет облегчить восприятие при переходе от содержания цели информационной технологии к ее физическому достижению.