WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

«ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ЭКОНОМИКЕ Издательство ТГТУ Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального ...»

-- [ Страница 2 ] --

Существенно снизить объем цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным качеством, можно с помощью компрессии, т.е. путем уменьшения количества отсчетов и уровней квантования. Главная задача методов компрессии – достижение максимального сжатия звуко вого сигнала при минимальных субъективно слышимых искажениях восстановленного сигнала. При этом используются довольно сложные кодирующие устройства и программы сжатия – кодеки (от коди рование-декодирование).

Заметим, что существование строгих формальных правил для записи звука позволяет использовать ЭВМ не только для записи и хранения в цифровом виде речи и мелодий, но и для создания музыкаль ных произведений (синтеза звука) и их обработки. О качестве музыкальных произведений, создаваемых машинами, спорят, но, тем не менее, многие из современных композиторов признают и широко исполь зуют возможности компьютеров.

2.4 П р е д с т а в л е н и е ч и с л о в о й и н ф о р м а ц и и Сходство в кодировании числовой и текстовой информации состоит в следующем: чтобы можно было сравнивать данные этого типа, у разных чисел (как и у разных символов) должен быть различный код. Основное отличие числовых данных от символьных заключается в том, что над числами кроме операции сравнения производятся разнообразные математические операции: сложение, умножение, извлечение корня, вычисление логарифма и пр. Правила выполнения этих операций в математике под робно разработаны для чисел, представленных в позиционной системе счисления. Многовековая исто рия развития математики показывает, что именно позиционный принцип позволяет использовать эти правила как универсальные алгоритмы, справедливые для системы счисления с любым основанием: 2, 3, 8, 10, 16, 60 и пр.

Система счисления – совокупность приемов обозначения чисел, способ записи чисел.

Система счисления называется позиционной, если значение ("вес") цифры в числе зависит не толь ко от значения самой цифры, но и от ее позиции в записи числа.

Так, в числе 575,5 последняя цифра "5" передает ("весит") половинку единицы, предпоследняя циф ра "5" передает пять единичек, а первая цифра "5" передает уже пятьсот единиц. Это число можно запи сать так:

575 = 5102 + 7101 + 5100 + 510–1.

Основание системы счисления – это:

– число различных цифр, используемых для записи чисел;

– количество единиц младшего разряда, соответствующих одной единице следующего старшего разряда.

Наиболее привычная для нас система счисления – десятичная. Для записи чисел в ней используется 10 разных цифр;

единице любого разряда соответствует 10 единиц предыдущего разряда.

В двоичной системе счисления для записи чисел используется всего две цифры – 0 и 1, а единице любого разряда соответствует две единицы предыдущего разряда.

В шестнадцатеричной системе счисления используется 16 цифр: первые десять привычные араб ские цифры, а для обозначения оставшихся шести цифр используются первые шесть прописных букв латинского алфавита (A, B, C, D, E, F).

В шестидесятеричной системе счисления, так хорошо знакомой нам по нашим часам при "исчисле нии" секунд и минут, в настоящее время для записи чисел используется десять цифр, привычных нам по десятичной системе, но вес единицы каждого разряда составляет 60 единиц разряда предыдущего.

Заметим, что обычно основание системы счисления указывается как нижний индекс, например, 123,510 1101,1012 120,78 9А07,С816.

В позиционных системах счисления каждое число может быть записано в цифровой и многочленной форме.

Пусть запись числа в цифровой форме состоит из цифр аn аn–1 аn–2... а2 а1 a0, а–1 а–2...

Если это число представлено в позиционной системе счисления с основанием р, то многочленная форма представления числа имеет следующий вид:

аnрn + аn–1 pn–1 + аn–2pn–2 +...+ а2p2 + а1p1 + а0p0 + а–1p-1 + а–2p–2 +....

Перевести число из p-ричной в десятичную систему счисления можно, записав его в многочленной форме и вычислив значение полученного многочлена.

ПРИМЕРЫ 123,510 = 1* 102 + 2* 101 + 3* 100 + 5* 10-1.

1101,1012 = 1* 23 + 1*22 + 0* 21 + 1* 20 + 1* 2-1 + 0* 2-2 + 1* 2-3.

120,78 = 1* 82 + 2* 81 + 0* 80 + 7* 8-.

9А07,С816 = 9* 163 + 10* 162 + 0* 161 + 7* 160 + 12* 16-1 + 8 * 16-.

Произведя соответствующие вычисления, Вы получите:

1101,1012 = 8+4+0+1+0,5+0,25+0,125 = 13,87510.

120,78 = 64+16+0+0,875 = 80,87510.

9А07,C816 = 36864+2560+0+7+0,75+0,03125 = 39431,7812510.

Осуществить перевод из десятичной системы счисления в любую другую позиционную систему можно также, используя позиционный принцип. Полезным в этом случае будет такое понятие, как ба зис системы счисления, т.е. последовательность так называемых ключевых чисел, каждое из которых задает значение цифры по ее месту в записи числа.

ПРИМЕРЫ Базис десятичной системы счисления:..., 10n,..., 1000, 100, 10, 1, 0.1, 0.01,....

Базис двоичной системы счисления:..., 2n,..., 16, 8, 4, 2, 1, 1/2, 1/4,....

Базис троичной системы счисления:..., 3n,..., 81, 27, 9, 3, 1, 1/3, 1/9,....

Базис шестнадцатеричной системы счисления:..., 16n,..., 256, 16, 1, 1/16, 1/256,....

Перевести число из десятичной в p-ричную систему счисления – значит "разложить" это число по соответствующему базису, а именно, определить, какие элементы базиса (начиная с максимально воз можного) и сколько раз входят в "переводимое количество".

ПРИМЕР Перевод числа 2610 в двоичную систему счисления:

максимальный элемент базиса, меньший 26 – это 16 – входит 1 раз (остаток 26 – 16 = 10 единиц);

элемент 8 входит в остаток 1 раз (остаток 10 – 8 = 2 единицы);

элемент 4 входит в остаток 0 раз (остаток 2 – 0 = 2 единицы);

элемент 2 входит в остаток 1 раз (остаток 2 – 2 = 0 единиц);

элемент 1 входит в остаток 0 раз.

Таким образом, 2610 = 110102.

Схематично это можно представить так:

Перевод числа 2610 в шестнадцатеричную систему счисления:

максимальный элемент базиса, меньший 26 – это 16 – входит 1 раз (остаток 26 – 16 = 10 единиц);

элемент 1 входит в остаток 10 раз (обозначается цифрой А) (остаток 10 – 10 = 0 единиц);

Таким образом, 2610 = 1А16 (рис. 17).

Рис. Рассмотренные способы перевода чисел из одной системы счисления в другую хорошо отражают принцип позиционности, но далеко не самые удачные для представления их в виде строго формализо ванного алгоритма. Известно несколько способов перевода чисел. Некоторые из них более удобны для "ручного" перевода, другие специально разработаны для их автоматического исполнения. Далее приве дены основные алгоритмы перевода целых и дробных чисел для различных систем счисления.

Алгоритмы для перевода целых числе Постановка задачи. Дано число Аq (в системе счисления с основанием q). Заменить его равным числом Хр (в системе счисления с основанием р).

Алгоритм I. Для того, чтобы целое число Аq заменить равным ему целым числом Хр, необходимо число Аq разделить нацело по правилам q-арифметики на основание р. Остаток деления запомнить, а частное вновь нацело разделить на р. И так далее, пока частное не станет равно 0.

Цифрами искомого числа Хр являются остатки от деления, выписанные так, что последний остаток является цифрой старшего разряда числа Хр.

Алгоритм II пригоден для любых р и q, однако рекомендуется для перевода чисел из десятичной системы счисления в произвольную систему счисления.

Пример 2610 --> Х2 2610 --> Х3 2610 --> Х q = 10, p = 2 q = 10, p = 3 q = 10, p = 2610 = 2610 = 2610 = 1A Алгоритм II. Для того чтобы данное целое число Аq заменить равным ему числом Xр, достаточно цифру старшего разряда числа Аq умножить по правилу р-арифметики на основание q. К полученному произведению прибавить цифру следующего разряда числа Аq Полученную сумму вновь умножить на q по правилам р-арифметики, вновь к полученному произведению прибавить цифру следующего (более младшего) разряда. И так до тех пор, пока не будет прибавлена младшая цифра числа Аq.

Алгоритм II пригоден для любых р и q, однако рекомендуется при переводе из произвольной сис темы счисления в десятичную.

Пример 101102 --> X10 2078 --> X10 2F516 --> X (((1*2+0)*2+1)*2+1)*2+0 (2*8+0)*8+7 = (2*16+15)*16+ = 2210 13510 = 2) 5) 11) 22 16) 135 = 47) Алгоритмы для перевода правильных дробей Постановка задачи. Дано число 0, Аq (в системе счисления с основанием q). Заменить его равным числом 0, Хр (в системе счисления с основанием р).

Алгоритм III. Для того, чтобы исходную правильную дробь 0, Aq заменить равной ей правильной дробью 0, Хр, нужно 0, Aq умножить на "новое" основание р по правилам q-арифметики, целую часть полученного произведения считать цифрой старшего разряда искомой дроби. Дробную часть получен ного произведения вновь умножить на р, целую часть полученного результата считать следующей циф рой искомой дроби. Эти операции продолжать до тех пор, пока дробная часть не окажется равной нулю, либо не будет достигнута требуемая точность.

Алгоритм рекомендуется при переводе из десятичной системы счисления в произвольную.

Пример Дробь 0,37510 заменить равной ей двоичной дробью.

Решение 0,375 * 2 = 0, 0,75 * 2 = 1, 0,5 * 2 = 1,0 (дробная часть равна 0) 0,37510=0, Алгоритм IV. Для того чтобы исходную правильную дробь 0, Aq заменить равной ей правильной дробью 0, Хр, необходимо цифру младшего разряда дроби 0, Аq разделить на основание q по правилам р арифметики, к полученному частному прибавить цифру следующего (более старшего) разряда и далее поступать так же, как и с первой взятой цифрой.

Эти операции продолжать до тех пор, пока не будет прибавлена цифра старшего разряда искомой дроби. После этого полученную сумму разделить еще раз на р и к результату приписать запятую и нуль целых.

Алгоритм рекомендуется при переводе из произвольной системы счисления в десятичную.

Пример Дробь 0,11012 заменить равной ей десятичной правильной дробью.

Решение 1 : 2 + 0 = 0, 0,5 : 2 + 1 = l, 1,25 : 2 + 1 = 1, 1,625 : 2 + 0 = 0, 0,11012 = 0,812510.

Алгоритмы перевода чисел в системы счисления с кратными основаниями Постановка задачи. Перевести число Аq из системы счисления с основанием q в систему счисле ния с основанием qn, где n – натуральное число.

Алгоритм V. Для записи двоичного числа в системе счисления с основанием q = 2n достаточно данное двоичное число разбить на группы вправо и влево от десятичной точки по п цифр в каждой группе. Затем каждую такую группу следует рассмотреть как n-разрядное двоичное число и записать его как цифру в системе с основанием q = 2n.

В крайних группах, если двоичных цифр оказалось меньше n, можно добавлять незначащие нули.

Пример Число 1011000010,001l0012 заменить равным ему числом восьмеричной системы счисления, т.е. сис темы с основанием q = 23, и шестнадцатеричной системы счисления, т.е. системы счисления с основанием q = 24.

Решение Для перевода в восьмеричную систему счисления разбиваем двоичное число на группы по три циф ры в каждой:

001 011 000 010, 001 100 100 – двоичное чис ло 1 3 0 2,1 4 4 – восьмеричное число Внизу под каждой из групп выписаны цифры, соответствующие трехразрядным двоичным числам:

12 = 18;

0112 = 38;

0002 = 08;

0102 = 28;

0012 = 18;

1002 = 48.

Для перевода в шестнадцатеричную систему счисления разбиваем двоичное число на группы по че тыре цифры в каждой:

0010 1100 0010, 0011 0010 – двоичное число 2 С 2, 3 2 – шестнадцатеричное число Внизу под каждой из групп выписаны цифры, соответствующие четырехразрядным двоичным чис лам:

102 = 216 ;

11002 = С16 ;

00102 = 216 ;

00112 = 316 ;

00102 = 216.

Постановка задачи. Перевести число Аq из системы счисления с основанием qn в систему счисле ния с основанием q, где n – натуральное число.

Алгоритм VI. Для замены числа, записанного в системе с основанием р = 2n, равным ему числом в двоичной системе счисления достаточно каждую цифру данного числа заменить n-разрядным двоичным числом.

Пример Число 2607,348 заменить равным ему двоичным числом.

В соответствии с алгоритмом запишем:

2 6 0 7,3 4 – восьмеричное число;

010 110 000 111,011 100 – двоичное число.

В результате получим 2607,248 = 10110000111,01112.

Из сказанного следует, что замена двоичного числа на равное ему восьмеричное и наоборот может осуществляться механически, без всяких вычислений.

Нетрудно представить себе пишущую машинку, у которой на клавишах восьмеричные цифры: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 – и на молоточках, которые бьют по бумаге, соответствующие им трехразрядные двоич ные числа: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Такая машинка позволит всякое восьмеричное число, отстукиваемое на клавиатуре, отпечатать на бумаге в виде равного ему двоичного числа. Замените кла виши на молоточки – и будет изготовлена двоично-восьмеричная кодирующая машинка.

Пример Число 6В07,D416 заменить равным ему двоичным числом.

В соответствии алгоритмом запишем:

6 B 0 7,D 4 – шестнадцатеричное число;

0110 1011 0000 0111,1101 0100 – двоичное число.

В результате получим 6B07,D416 = 110101100000111,1101012.

Различия в представлении целых и вещественных чисел Целые и вещественные числа представляются в памяти компьютера по-разному.

Мало научиться записывать числа, важно облегчить процесс автоматизированного выполнения арифметических действий над числами.

Вернемся к первым ЭВМ. Основным видом их "деятельности" были вычисления, но объем опера тивной памяти и быстродействие процессора были невелики, и инженерам приходилось придумывать разнообразные способы экономного хранения и обработки чисел, чтобы даже сложные расчеты выпол нялись за разумное время.

Операции над целыми числами выполнять проще, но зато в реальной практике измерения в целых числах встречаются не так уж часто. Поэтому для целых чисел решено было отводить по одной или две ячейки памяти – один или два байта.

Один байт чаще всего отводился для всевозможных счетчиков, т.е. для представления целых поло жительных чисел.

Максимальным десятичным числом, которое можно было закодировать таким образом было 25510 = 111111112 = 28 – 1.

Для представления положительных и отрицательных целых чисел отводилось два байта (16 бит).

Признаком, передающим знак числа, было выбрано значение самого старшего бита: 0 означает, что за кодировано положительное число, 1 – отрицательное.

Максимальным десятичным числом, которое можно было закодировать таким образом было 3276710 = 01111111 111111112 = 215 – 1.

С вещественными числами дело обстоит немного сложнее, поскольку надо было придумать способ, одинаковый для кодирования и больших, и маленьких чисел, т.е. и миллион (1000000), и одну миллион ную (0,000001) хотелось бы кодировать посредством одного и того же алгоритма.

В соответствии с принципом позиционности любое десятичное число можно представить как неко торую степень десяти.

Пример 1000000 = 0,1 * 0,000001 = 0,1 * 10– –123,45 = –0,12345 * 103.

Такое представление чисел называется записью с плавающей точкой (запись 123,45 – запись с фик сированной точкой). В этой записи число имеет четыре характеристики:

– знак числа;

– знак порядка;

– порядок (степень числа 10);

– мантисса (дробная часть числа).

При двоичном кодировании необходимо все эти характеристики как-то отразить.

Было решено отводить под вещественные числа 4 байта (32 бита). Три младших байта отводилось под запись мантиссы, а старший байт включал в себя:

– один (старший) бит – знак числа: 0 – положительное, 1 – отрицательное;

– один бит – знак порядка: 0 – положительный, 1 – отрицательный;

– младшие 6 бит – порядок числа.

Если порядок числа был равен 1111112 = 6310, то, следовательно, максимальным числом, которое можно было закодировать таким образом, было 1063.

Пример Число –123,4510 = –0,12345 103 в памяти компьютера будет представлено так:

В настоящее время, когда быстродействие процессоров и объем оперативной памяти достаточно ве лики, а обычной разрядностью компьютеров становится разрядность в 32 или 64 бита, уже нет жестких требований к использованию экономных кодов для записи чисел. И сейчас имеется возможность прово дить расчеты, величины в которых могут превосходить 1063 во много раз.

Элементы машинной арифметики Все арифметические операции над двоичными числами в компьютере можно свести к двум опера циям: сложению и сдвигу кодов. Это позволяет технически реализовать четыре арифметических дейст вия в одном арифметико-логическом устройстве, используя одни и те же схемы выполнения операций.

Примеры 10110 _10110 10110 _10110 |_ + 1011 1011 1011 1011 100001 1011 10110 10110.

Прямой, обратный, дополнительный коды числа При выполнении арифметических операций в компьютере применяются прямой, обратный и до полнительный коды: прямой – при умножении и делении;

обратный – при замене вычитания сложени ем;

дополнительный – при сложении положительных и отрицательных чисел.

Прямой код двоичного числа – это само двоичное число, причем значение знакового разряда для положительных чисел равно 0, а для отрицательных 1.

Обратный код для положительного числа совпадает с прямым кодом, а для отрицательного числа все двоичные цифры числа заменяются на "противоположные" (инверсные) значения (единица на ноль и обратно). Знак числа остается прежним.

Дополнительный код положительного числа совпадает с прямым кодом. Дополнительный код отри цательного числа образуется как результат суммирования обратного кода с единицей младшего разряда.

Пример Путь число кодируется 1 байтом.

Десятич- Двоичное Прямой Обратный Дополни ное число число код код тельный код +0,8125 +0,1101 0 0 0001101 0 –0,8125 –0,1101 1 1 1110010 1 После выполнения арифметических действий дополнительный и обратный коды отрицательных чи сел преобразуются в прямой код. Обратный код преобразуется заменой всех значащих цифр, кроме зна кового разряда, на противоположные цифры. Дополнительный код преобразуется так же, как и обрат ный код, а затем добавляется единица к младшему разряду.

Сложение чисел производится в дополнительных кодах поразрядно. Единица переноса из знакового разряда теряется.

Вычитание сводится к алгебраическому сложению кода уменьшаемого с кодом вычитаемого, взято го с обратным знаком.

Умножение и деление двоичных чисел производятся в прямом коде и сводятся к двум операциям:

сложению и сдвигу кодов. Знак произведения и частного определяется по тем же правилам, что и в де сятичной системе счисления.

Тема 4 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ.

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ Данная тема включает в себя следующие разделы:

1 Классификация программного обеспечения (ПО).

2 Системное ПО. Операционные системы.

3 Инструментальное ПО. Среды программирования.

4 Сервисное ПО: архиваторы, антивирусные программы, утилиты.

5 Основные виды прикладного ПО.

5.1 Программные средства работы с текстом.

5.2 Программные средства работы с графикой.

5.3 Программные средства работы со звуком.

6 Программные средства для вычислительных работ.

7 Системы искусственного интеллекта.

8 Программные средства автоматизации управления.

9 Базы данных. Геоинформационные системы.

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ПО) Программное обеспечение современного компьютера очень разнообразно в соответствии с многообразием задач, решаемых пользователями с его помощью, и множеством операций, выпол няемых устройствами компьютера. Все программные модули взаимосвязаны через управляющие (системные) программы. Часть модулей работает во взаимодействии с пользователем, часть – ав томатически. Каждая из программ выполняет свою функцию, а все вместе они обеспечивают ав томатизированное выполнение информационных процессов при решении задач пользователей.

Таким образом, программное обеспечение компьютера – это автоматизированная информационная система, достаточно большая и сложная.

Современные программы состоят, как правило, из большого числа модулей, а потому вместо тер мина "программа" чаще используются термины "программное средство" и "пакеты программ".

Какие же виды программных средств можно выделить?

Прежде всего, это программы, необходимые для управления работой самого компьютера как слож ной системы. Пользователь, как правило, может даже не знать, что это за программы, сколько их, что они делают. Но большинство команд пользователя выполняется именно с их помощью. В совокупности они называются системным программным обеспечением. К нему традиционно относят:

• программы начальной загрузки компьютера. Они хранятся в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве) и обеспечивают проверку работоспособности основных устройств компьютера после его включения и передачу управления операционной системе. Часто называются базовым ПО;

• операционные системы (ОС), необходимые для управления согласованной работой всех уст ройств и программ компьютера, выполнения команд пользователя;

• файловая система;

• операционные оболочки, предназначенные для обеспечения удобного для пользователя способа работы с файлами и запуска прикладных программ;

• драйверы устройств, обеспечивающие программную поддержку работы конкретных устройств (в последнее время входят в состав операционной системы).

Другой класс программного обеспечения – прикладное ПО. Именно оно предназначено для решения пользователем задач из самых различных предметных областей – математики, лингвистики, делопроиз водства, управления и т.д. Существуют самые разные классификации прикладного ПО. Приведем одну из них, деление в которой осуществляется на основании типа решаемых задач.

В прикладном ПО можно выделить следующие группы программных средств (ПС):

• ПС для обработки текстов – текстовые редакторы, текстовые процессоры, редакционно издательские системы, программы-переводчики, программы проверки орфографии и синтаксиса, лин гвокорректоры, программы оптического распознавания символов и т.п.;

• ПС для обработки числовой информации – электронные таблицы, пакеты математических про грамм, пакеты для статистической обработки данных и др.;

• ПС для обработки графической информации – графические редакторы, аниматоры, программы деловой и презентационной графики, средства работы с трехмерными и видеоизображениями и др.;

• ПС для обработки звуковой информации – музыкальные и звуковые редакторы, синтезаторы зву ка, программы распознавания и синтеза речи и пр.;

• ПС, обеспечивающие работу в телекоммуникационных сетях – почтовые программы, поисковые системы, броузеры и пр.;

• ПС, обеспечивающие автоматизированное хранение информации – системы управления базами данных (СУБД), построенные с их помощью базы и банки данных (БД и БнД), специализированные ин формационно-поисковые системы (ИПС) и др.;

• ПС, используемые в процессах управления и диагностики – различные типы автоматизирован ных систем управления (АСУ) и систем автоматизированного управления (САУ), системы поддержки принятия решений (СППР), экспертные системы (ЭС) и пр.;

• ПС, применяемые для проведения исследовательских и проектно-конструкторских работ – спе циализированные моделирующие программы, системы автоматизированного проектирования (САПР) и пр.;

• ПС, используемые в обучении – электронные учебники, тренажеры, тесты и пр.;

• игровые программы;

• программы, созданные пользователем с помощью сред программирования.

Еще один класс программного обеспечения – специальное ПО. Основное его отличие от системного ПО в том, что пользователь сам решает, будет ли он использовать эти ПС или нет, а отличие от при кладного ПО состоит в том, что специальные ПС используются не для решения задач из других пред метных областей, а для задач, связанных с использованием непосредственно компьютера.

Например, когда пользователь активно работает за компьютером, то ему часто приходится сохра нять на винчестере нужные файлы и удалять те, которые больше не потребуются. При удалении файла место, которое он занимал, освобождается. На это место в дальнейшем может быть записан другой файл, но его размер может быть меньше. В результате многократного удаления/записи файлов на диске появляется много небольших "пустых" мест. Их размер не позволяет записать на них новые файлы це ликом, и если свободного места на диске немного, то файлы большого размера разбиваются на отдель ные фрагменты и записываются по частям. В этом случае говорят, что информация записана фрагмен тарно (не непрерывно). Обращение к таким файлам требует гораздо большего времени и, чтобы избе жать этого, пользователь может провести дефрагментацию диска, т.е. выполнить программу, которая перепишет, если это возможно, файлы один за другим, собрав тем самым все свободные участки в одну область.

В специальном ПО можно выделить инструментальное ПО и сервисное ПО. Инструментальное ПО – это всевозможные среды программирования, с помощью которых создается все многообразие про граммных средств. К сервисному ПО относятся:

• антивирусные программы;

• программы-архиваторы;

• утилиты, расширяющие возможности ОС по управлению аппаратными и программными средст вами (восстановление ошибочно удаленных файлов, дефрагментация диска, попытка восстановления "испорченных" секторов диска, очистка системных регистров и т.п.) Программное обеспечение компьютера постоянно совершенствуется. Появляются новые програм мы, позволяющие расширить круг решаемых задач. Существующие программы модифицируются: уст раняются замеченные ошибки, добавляются новые функции, пользовательский интерфейс (способ взаимодействия пользователя с программой) делается более удобным. Для сложных программ состав ляются инструкции, пишутся обучающие версии, демонстрирующие приемы и правила работы и т.д.

Все эти процессы называют сопровождением программ.

Одной из важных подсистем программного обеспечения является файловая система. В виде файлов хранятся и сами программы, и данные к ним, и результаты их работы.

Файл – это поименованная целостная совокупность записей на внешнем носителе. Иными словами, файл – это совокупность записей, логически взаимосвязанных между собой, хранящихся на внешнем носителе под определенным именем.

То, что файл – целостная совокупность записей, означает, что, например, нельзя скопировать или удалить только половинку файла.

В определении подчеркивается, что файлы хранятся лишь на внешних носителях. Это, в частности означает, что по отношению к оперативной памяти нельзя сказать, что информация в ней хранится в ви де файлов.

То есть файловая система – это способ хранения информации на внешних носителях.

Имя файла состоит из двух частей – собственно имени и расширения, определяющего чаще всего тип записей, составляющих содержимое файла.

Кроме имени файла атрибутами файла являются тип его содержимого, дата и время создания, фа милия создателя, размер, условия предоставления разрешений на его использование, метод доступа, полный путь к файлу.

Файлы объединяются в каталоги, каждый из которых тоже имеет свое имя. Не может быть в одном каталоге двух файлов с одинаковым именем.

Последовательное перечисление имен всех подкаталогов, в которых размещен файл, называется полный путь к файлу.

ПРИМЕР Путь С:\TEXT\GLAVA1\p1.txt означает, что файл p1.txt (скорее всего текстовый) находится в ката логе GLAVA1, который, в свою очередь, находится в каталоге TEXT на диске С:.

2 СИСТЕМНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Частью программного обеспечения, наиболее тесно взаимодействующей с аппаратной частью ком пьютера, является системное программное обеспечение и, прежде всего операционная система.

Операционная система играет роль посредника между пользователем, программами и оборудовани ем компьютера. Она обеспечивает возможность запуска программ, поддерживает работоспособность устройств, предоставляет средства проверки и настройки различных компонентов. Чем гибче и много функциональнее операционная система, тем больше возможностей она предоставляет, тем удобнее ра ботать с компьютером.

Операционная система (ОС) – это комплекс (набор) программ, который обеспечивает взаимодей ствие всех устройств ЭВМ и позволяет пользователю осуществлять общее управление ЭВМ.

Главное назначение ОС – управление ресурсами, а главные ресурсы, которыми она управляет, – это аппаратура компьютера. ОС управляет вычислительным процессом и информационным обменом между процессором, памятью, внешними устройствами. Поскольку все устройства компьютера работают од новременно, ОС обеспечивает разделение ресурсов, предотвращая тем самым опасность возникновения конфликтных ситуаций между компонентами вычислительной системы, способных привести к сбою в работе, потере или искажении информации.

ОС реализует много различных функций, в том числе:

• создает рабочую среду и поддерживает пользовательский интерфейс;

• обеспечивает выполнение команд пользователя и программных инструкций;

• управляет аппаратными средствами компьютера;

• обеспечивает разделение аппаратных ресурсов между программами;

• планирует доступ пользователей к общим ресурсам;

• обеспечивает выполнение операций ввода– вывода, хранения информации и управление файло вой системой;

• осуществляет восстановление информации в случае аппаратных сбоев и программных ошибок.

Развитие операционных систем всегда следовало за развитием аппаратуры.

Краткий исторический экскурс В первых вычислительных машинах (1940-е гг.) ОС не было. Пользователи имели полный доступ к машинному языку и все программы писали непосредственно в машинных кодах.

Большинство компьютеров второго поколения (1950-е гг.) работало в "пакетном" режиме. Про граммные средства, обслуживающие пакетную обработку программ пользователей можно считать пер выми ОС. Их задача сводилась к тому, чтобы, получив от оператора сразу несколько программ пользо вателей, быстро выполнить их одну за другой, тем самым устранив задержки при переходе от програм мы к программе.

По мере роста мощности вычислительных систем ОС стали создаваться как системы коллективно го пользования с мультипрограммным режимом работы и как системы мультипроцессорного типа ("мульти" – множественность, многократность). В мультипрограммных системах программы несколь ких пользователей находятся в основной памяти компьютера, а центральный процессор быстро пере ключается с задачи на задачу. В мультипроцессорной системе единый вычислительный комплекс со держит несколько процессоров, что повышает его вычислительную мощность.

Постепенно начали появляться методы, обеспечивающие независимость программирования от уст ройств конкретной ЭВМ. Были разработаны ОС с разделением времени, которые предоставляли сразу нескольким пользователям возможность взаимодействовать с компьютером в диалоговом (интерактив ном) режиме: пользователь печатает запрос компьютеру на своем терминале, компьютер обрабатывает этот запрос с максимально возможной скоростью (в течение секунды или менее) и выдает (если требу ется) ответ на терминале пользователя. Диалоговый режим позволил в значительной степени повысить эффективность процесса разработки и отладки программы, дал возможность пользователю обнаружи вать и исправлять ошибки за считанные секунды или минуты вместо того, чтобы ждать, пока будут по лучены результаты пакетной обработки.

ОС третьего поколения (1970-е гг.) были многорежимными. Некоторые из них обеспечивали работу сразу во всех известных режимах:

– пакетную обработку;

– разделение времени;

– режим реального времени и мультипроцессорный режим.

Названные системы были громоздкими и дорогостоящими;

кроме того, они значительно ус ложняли процедуру использования ЭВМ, так как пользователю, для того, чтобы заставить такую ОС выполнять простейшие действия, необходимо было изучать сложнейшие языки управления за даниями, чтобы описать задание и требуемые для них ресурсы.

К началу 1980-х гг. проблема совместимости различных компьютерных систем стала одной из серь езных проблем, которую можно было решить с помощью нового подхода к построению операционных систем. Основу системы должно было составлять микроядро (microkernel), написанное специально для данного процессора. Все ее прочие части выделяются в отдельные модули, независящие от типа про цессора, которые взаимодействуют с ним и между собой. В результате перенести ОС и все программное обеспечение с одного компьютера на другой будет легко. Эта идея быстро приобрела популярность.

С появлением персональных компьютеров возникли новые проблемы и у разработчиков ОС, так как необходимо было уместить широкую по набору выполняемых функций ОС, в гораздо меньший объем памяти ПК. В этих целях функции ОС были "разделены". Наиболее часто используемые программы по мещаются в "ядро" системы, и они постоянно находятся в оперативной памяти машины, и менее ис пользуемые программы или утилиты, размещаются на внешнем запоминающем устройстве (диске) и вызываются в ОЗУ по мере необходимости.

Большинство современных ОС для ПК являются многозадачными (мультипрограммными). Их пре имущество состоит в том, что пользователь может одновременного работать с несколькими приложе ниями, а также обмениваться данными между приложениями. Основными недостатками являются большая требовательность к ресурсам компьютера, а также то, что при возникновении неисправимой ошибки в одном из приложений все приложения системы, как правило, заканчивают свою работу, что может повлечь за собой потерю данных.

Операционные системы разделяются на два больших класса:

• ОС общего назначения (стандартные), наиболее известные среди которых MicroSoft DOS, MicroSoft Winows 95/98, Windows 2000 Professional, AT&T Unix, IBM OS/2, Apple МacOS, SunOS;

• сетевые ОС, которые, наряду с функциями стандартных ОС, реализуют задачи, связанные с ап паратными ресурсами и файлами, находящимися на различных узлах сети. Наиболее известные среди них Novell NetWare, UNIX, LUNIX, Windows NT, Windows ME (Millenium Edition), OS/2 LAN Server, OS/2 SMP, Solaris.

Операционная система создается, как правило, в расчете на определенные типы компьютеров и час то не может работать на другой аппаратной платформе. В свою очередь, прикладные программы, осо бенно общего назначения, также создаются для работы под управлением конкретной ОС и часто не мо гут использоваться с ОС другого типа.

Пример. Фирма IBM устанавливает на своих персональных компьютерах такие ОС, как MS-DOS, Windows и их разновидности. Фирма Apple использует преимущественно MacOS для своих Macintosh PowerPC. Фирма Sun – SunOS и Solaris. Системы UNIX и Linux реализованы для различных аппаратных платформ.

К числу основных характеристик операционных систем относятся:

• разрядность;

• поддержка многопроцессорности;

• многозадачность;

• работа в реальном (все программы и данные располагаются в одной области ОП) или защищен ном (программы и данные хранятся раздельно в соответствии с их важностью в системе) режиме;

• поддержка многопользовательского режима;

• переносимость, т.е. возможность ОС работать на компьютерах, базирующихся на центральных процессорах с различной архитектурой.

Приведем характеристики некоторых ОС.

СР/М – 8-разрядная, однопользовательская, однопроцессорная ОС. Предоставляет пользователю лишь самый необходимый набор средств для управления ресурсами ПЭВМ, доступа к файловым систе мам и организации диалога.

MS-DOS – 16-разрядная, однопользовательская, однопроцессорная ОС, позволяющая работать только в реальном режиме.

Windows NT – 32-разрядная, многопользовательская, многозадачная, переносимая, многопроцес сорная ОС, работающая в защищенном режиме. Имеет встроенные сетевые возможности.

OS/2 – 32-разрядная, многопользовательская, многозадачная ОС, предназначенная для работы с процессорами семейства Intel. Работает в защищенном режиме, имеет встроенные сетевые воз можности.

UNIX – 32-разрядная, многопользовательская, многозадачная, переносимая ОС, располагающая встроенными сетевыми возможностями. Ориентирована на эффективную поддержку процесса разра ботки программного обеспечения. Имеют развитую файловую систему, мощный командный язык, обеспечивают программирование доступа ко всем типам внешних устройств. Реализована для различ ных аппаратных платформ. Некоторые разновидности этой ОС: LINUX (Intel), AIX (IBM), A/UX (Macintosh), ULTRIX (DEC).

Если ОС является посредником между пользователем и аппаратным обеспечением компьютера, то посредником между пользователем и программным обеспечением являются так называемые операци онные оболочки.

Операционная оболочка делает более удобной работу пользователя с прикладными программами и файловой системой. Они предназначены для того, чтобы:

• облегчить пользователю выполнение операций над файлами, таких как быстрый поиск, копиро вание, удаление и пр.;

• сделать более удобным запуск на выполнение приложений;

• обеспечить возможность быстрого перехода от одного приложения к другому при многозадач ном режиме работы и т.п.

Norton Commander – одна из наиболее известных оболочек, работавших под управлением DOS.

Сама DOS поддерживала командный пользовательский интерфейс, т.е. для выполнения любой опе рации необходимо было ввести с клавиатуры текст команды, состоявшей из кода операции, параметров, задающих режим выполнения операции, и операнды, над которыми эта операция производилась.

Например, для копирования файла primer.txt с диска a: на диск с: необходимо задать команду: copy a:\primer.txt c:

Интерфейс Norton Commander можно назвать фиксированным меню. Каждый пункт меню имеет свое строго фиксированное положение на экране. Пользователь не может изменить ни их состав, ни название, ни расположение. Основные команды задаются с помощью функциональных клавиш (F1, F2,...), остальные – с помощью ниспадающего меню (когда выбор какого-либо пункта меню приводит к появлению окна с уточняющими параметрами выполнения операции.

Заметим, что Norton Commander создавался еще в расчете на алфавитно-цифровые дисплеи и об рамление панелей и окон первоначально было сделано с помощью псевдографики. Распространение графических дисплеев привело к появлению графического пользовательского интерфейса. Первыми ПК с графическим пользовательским интерфейсом были компьютеры Macintosh фирмы Apple, оснащеные операционной системой MacOS. Графический интерфейс характерен и для семейства операционных систем Windows.

В графических интерфейсах информация и команды представляются в виде пиктограмм, и пользо ватель выполняет те или иные операции, указывая на эти пиктограммы. Причем, пользователь может выбрать только те пиктограммы, которые соответствуют нужным ему операциям, и разместить их на экране дисплея так, как ему удобно.

Операционной оболочкой системы Windows является диспетчер программ (Program Manager). Для работы с файлами используются специальные программы – Диспетчер файлов (File Manager), Мой ком пьютер, Far Manager и др.

К системному программному обеспечению относятся и драйверы устройств (device driver), т.е.

программы, обеспечивающие взаимодействие операционной системы с физическим устройством.

Драйвер обрабатывает прерывания обслуживаемого устройства, поддерживает очередь запросов и преобразует запросы в команды управления устройством.

Раньше при подключении нового устройства пользователю самому необходимо было заботиться о том, чтобы драйвер этого устройства был в соответствующем каталоге ОС. Значительная емкость современных винчестеров позволяет хранить драйверы большинства известных устройств и при под ключении нового устройства ОС может "подобрать" ему наиболее подходящий драйвер. В этом слу чае говорят, что ОС поддерживает технологию Plag & Play (подключай и работай).

И еще немного истории.

Принято считать, что первую операционную систему для своего компьютера IBM – 701 разработала Исследовательская лаборатория фирмы General Motors в начале 1950 гг. В 1955 г. совместно с фирмой North Aviation, Исследовательской лабораторией была создана операционная система для компьютера IBМ – 704.

Считается, что более-менее завершенную форму операционные системы приобрели к середине гг. в компьютерах третьего поколения. К числу исторически первых операционных систем можно отне сти системы DOS/360, OS/360, созданные фирмой IBМ. Операционная система с разделением времени Compatible Time Sharing System, разработанная Массачусетсом технологическом институте в 1963 г., состояла примерно из 32 тыс. слов памяти по 36 бит каждое. Годом позже была создана фирмой IBМ система OS/360, состоящая более чем из миллиона машинных команд.

Разработчики фирмы IBМ сделали все компьютеры System/360 совместимые по архитектуре, пре дусмотрели возможность применения на всех таких компьютерах одной и той же операционной систе мы – OS/360, и заложили совместимость программного обеспечения при переходе от менее мощных машин к более мощным, т.е. новые версии операционных систем должны работать и с прикладными программами, созданными для более ранних версий. Таким образом возникла ставшая сегодня практи чески стандартом концепция семейства совместимых компьютеров, но появление новых компьютеров определяет появление новых операционных систем.

В 1975 г. Г. Килдэл разработал операционную систему СР/М, которая долгое время считалась наи более универсальной, а ее различные версии использовались в 1992 г. более чем миллионом пользова телей в мире.

Чуть позже Т. Петерсон написал ОС SCP86DOS для микропроцессора 8086. Он слегка усовершен ствовал распространенную в то время систему СР/М и назвал свое произведение QDOS – Quick and Diftu Operation System, что можно приблизительно перевести как "операционная система на скорую ру ку".

В 1980 г. фирма IВМ приступила к выпуску персональных компьютеров, рассчитанных на пользо вателей, не подготовленных в области информатики. Предоставить такую программу вызвался Билл Гейтс, президент малоизвестной в то время компании Microsoft. Фирма Microsoft купила у Тима Петер сона лицензию на QDOS, отбросила в сокращении первую букву Q, а то, что осталось, переименовало в MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System – дисковая ОС). Операционная система DOS превратилась в стандартное программное обеспечение, а доходы о ее продажи, заложили основу финансового могуще ства Microsoft.

5 ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 5.1 П р о г р а м м н ы е с р е д с т в а р а б о т ы с т е к с т о м Электронные записные книжки, текстовые редакторы, текстовые процессоры, редакционно издательские системы), программы-переводчики, программы автореферирования текста, программы и программные модули проверки орфографии, подбора синонимов, лингвистические корректоры, систе мы, осуществляющие интеллектуальный поиск и интеллектуальную обработку текстов, размещенных в сетях и др.

Основные функции текстового редактора:

- обеспечение ввода текста с клавиатуры или из существующего файла;

- редактирование текста (добавление, изменение, удаление или копирование фрагментов текста – символов, слов и т.д.);

- оформление текста (выбор шрифтов, способа выравнивания, установление межстрочного и ме жабзацного интервалов и т.п.);

- размещение текста на странице (установка размера страницы, полей, отступов;

разбиение на ко лонки;

расстановка номеров страниц, колонтитулов и пр.) - сохранение текста в файле на внешнем носителе или получение твердой копии (печать текста);

- проверка орфографии, подбор синонимов, контекстный поиск и замена;

- система подсказок и т.д.

Наиболее распространенные текстовые редакторы: Лексикон, Edit, Слово и дело, Ched, NotePad, Write, Word Pad, Блокнот.

Текстовый процессор отличается от текстового редактора более широкими функциональными воз можностями, а именно:

- настраиваемое пользователем меню;

- использование контекстного меню;

- сопровождение текста таблицами и проведение в них простейших расчетов;

- вставка графических объектов (рисунков, диаграмм, заголовков и пр.) или создание рисунков с помощью встроенных инструментов;

- вставка формул, графиков, диаграмм;

- оформление текста списками, буквицами;

- использование инструмента автокоррекции текста и его автореферирования;

- фоновая проверка орфографии, синтаксиса и многое другое.

Наиболее распространенные текстовые процессоры: Word (Microsoft Office), Word Pro (Lotus SmartSuite), WordPerfect (Perfect Office), WordExpress, Accent, StratusPad.

Редакционно-издательские системы (программы верстки) должны обеспечивать все функции тек стового процессора, а также:

- воспринимать тексты, созданные в различных текстовых редакторах;

- воспринимать отсканированные или нарисованные в графических редакторах иллюстрации, соз данные на разных платформах ПК, и корректировать их цвета;

- иметь больший набор шрифтов и возможность их графического преобразования (сжатие, растя жение или симметричное отражение по вертикали или горизонтали);

- иметь возможности для различного "обтекания" рисунка текстом;

- обеспечивать автоматическое составление оглавления текста, автоматическое оптимальное раз мещение текста на странице;

- обеспечивать адаптацию к различным печатающим устройствам и т.д.

Наиболее популярными программами профессиональной верстки являются QuarkXPress, Ventura Publisher, PageMaker, FrameMaker.

5.2 П р о г р а м м н ы е с р е д с т в а р а б о т ы с г р а ф и к о й Графические редакторы (Paint графические редакторы;

графические процессоры, аниматоры;

про граммные средства для работы с трехмерной графикой;

средства деловой графики;

средства для созда ния презентаций, средства моделирования и проектирования.

По своему "профессиональному" назначению средства компьютерной графики и анимации можно подразделить на следующие группы:

• пакеты компьютерной графики для полиграфии – позволяют дополнять текст иллюстрациями разного происхождения, создавать дизайн страниц и выводить полиграфическую продукцию на печать с высоким качеством;

• программы двумерной компьютерной живописи – графические редакторы;

• презентационные пакеты, используемые как средства создания разнообразных слайдов для со провождения докладов, выступлений, рекламных акций;

• программы двумерной анимации, используемые для создания динамических изображений и спе цэффектов в кино;

• программы для двумерного и трехмерного моделирования, применяемые для дизайнерских и инженерных разработок;

• пакеты трехмерной анимации, используемые для создания рекламных и музыкальных клипов и кинофильмов;

• комплексы для обработки видеоизображений, необходимые для наложения анимационных спе цэффектов на видеозапись;

• программы для научной визуализации.

Графические редакторы (Painter, Corel Draw, FreeHand, Picture Man и др.) предназначены преиму щественно для просмотра, создания и редактирования плоскостных (двумерных) статичных изображе ний.

Графические процессоры (Adobe Photoshop, Adobe Illustrator) предназначены не столько для созда ния, сколько для преобразования существующих изображений, полученных путем сканирования, циф ровой фотографии и т.д. Они включают в себя в качестве инструментов для обработки изображений разнообразные эффекты.

Например, применяя в PhotoShop последовательно поворот изображения на 90о, эффект "ветер", об ратный поворот на 90о, эффект "Дрожание", эффект "Размытие", и смену палитры, можно из обычного текста получить изображение "огненной" надписи (рис. 18).

Рис. 18 "Огненная" надпись из обычного шрифта Программы аниматоры (Animator Pro, PowerAnimator, Animation Works Interactive, Animo и др.) могут создавать и работать как с двумерными, так и с трехмерными изображениями. В отличие от тра диционной анимации, где каждый кадр рисуется вручную, в компьютерной двумерной анимации значи тельную часть рутинной работы берет на себя программа. Используя специальные инструменты поль зовательского меню таких программ, можно задать движение по определенной траектории (автоматиче ски будут созданы соответствующие промежуточные кадры) или плавно изменить палитру в течение нескольких кадров (например, постепенно затемнить изображение или убрать часть цветов).

Основные технологии создания анимационной графики.

Классическая анимация. Этот метод представляет собой поочередную смену рисунков, каж дый из которых нарисован отдельно (принцип мультфильма). Он очень трудоемок из-за необхо димости создания каждого рисунка.

Спрайтовая анимация. Это анимация, чаще реализуемая при помощи языка программирова ния или специального инструментального средства. В спрайтовой анимации отсутствует поня тие кадра (принцип подвижных игр). Спрайт представляет собой растровое изображение не большого размера, которое может перемещаться по экрану независимо от остального изображе ния.

Морфинг. Преобразование одного графического образа в другой на основе соответствия указанных характерных точек начального и конечного изображений. Программа генерирует заданное число про межуточных кадров, которое обеспечивает плавный переход начального образа в конечный.

Анимация цветом. Положение объектов не изменяется, меняется лишь цвет, но можно создавать замечательные сцены восхода солнца, предгрозовой погоды и т.п.

Трехмерная графика и анимация (3D Studio, PowerAnimator, trueSpace, Prisms, Three-D, RenderMan, Crystal Topas и др.) по технологии напоминает кукольную: вы создаете каркасы объектов, накладываете на поверхность материалы (эффекты дерева, стекла, ткани и т.п.), компонуете все это в единую сцену, устанавливаете освещение и камеру, а затем задаете количество кадров в фильме и траектории движе ния объектов. Просмотреть происходящее можно с помощью камеры, которая тоже может двигаться.

Например, PowerAnimator использует как один из методов "оживления" движение по подобию. За писав на цифровую видеокамеру движения живого актера, можно "заставить" созданного в аниматоре персонажа повторять их в новых условиях.

Программы двумерного и трехмерного моделирования (AutoCAD, Sketch!, Ray Dream Designer, Crystal 3D Designer, AutoStudio и др.) применяются для дизайнерских и инженерных разработок инже нерами-конструкторами, архитекторами, технологами и др.

Программы для научной визуализации (Surfer, Grapher, IRIS Explorer, PV-Wave, Khronos, Data Visualizer, MapViewer и др.) могут быть предназначены для различных целей – от решения проблем му ниципального планирования до визуализации солнечных взрывов.

Наиболее часто они применяются для создания поверхностей, описываемых функциями типа z = f(x, y), для построения топографических карт и карт тех процессов, для создания моделей погодных условий и океана и т.п.

5. 3 Программные средства работы со звуком Музыкальные редакторы, синтезаторы звуков, в частности, синтезаторы речи, системы авто матического распознавания речи, звуковые редакторы, голосовые навигаторы, позволяющие реализо вать речевой интерфейс пользователя, программы диктовки, позволяющие преобразовывать речь в "письменный" текст, программы для улучшения качества фонограмм и др.

С появлением в 1989 г. звуковых карт, перед пользователями открылись новые возможности. И де ло даже не в том, что на порядок улучшилось качество звука. Появилась звуковая подсистема — ком плекс программно-аппаратных средств, предназначенный для:

• записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или маг нитофона. В процессе записи входные аналоговые звуковые сигналы преобразуются в цифровые и далее могут быть сохранены на винчестере ПК;

• воспроизведения записанных ранее звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников), воспроизведения звуковых компакт-дисков;

• обработки звуковых сигналов: редактирования, объединения или разделения фрагментов сигна ла, фильтрации, изменения его уровня и т.п.;

• генерирования с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов (мелодичных и ударных), а также человеческой речи и любых других звуков;

• микширования (смешивания) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источни ков;

• управления панорамой стереофонического звукового сигнала (кажущимся расположением ис точников звука) и уровнем сигнала в каждом канале при записи и воспроизведении;

• управления работой внешних электронных музыкальных инструментов через специальный ин терфейс MIDI (Musical Instrument Device Interface);

• управление компьютером и ввод текста с помощью микрофона.

К программным средствам ввода и обработки звуковой информации относятся в основном музы кальные редакторы, синтезаторы звуков, в частности, синтезаторы речи, программы для распознавания речи, редакторы оцифровок реальных звуков (самплов), звуковые редакторы, генераторы стилей звуча ния музыкальных инструментов, программы для улучшения качества фонограмм и др.

Наиболее популярными программными средствами для синтеза, обработки и воспроизведения звука являются Adagio, TiMidity, Playmidi, Tracker, Gmod, MikMod, XAudio, S3mod, Nspmod, Yampmod и др.

Создание (синтез) звука в основном преследует две цели:

• имитация различных естественных звуков (шум ветра и дождя, звук шагов, пение птиц и т.п.), а также акустических музыкальных инструментов;

• получение принципиально новых звуков, не встречающихся в природе.

Обpаботка звука обычно направлена на получение новых звуков из уже существующих (например, голос робота), либо придание им дополнительных качеств или устранение существующих (например, добавление эффекта хора, удаление шума или щелчков).

Пpогpаммы обpаботки цифpового звука (Cool Editor, Sound Forge, Samplitude, Software Audio Workshop) дают возможность прослушивать выбранные участки, делать вырезки и вставки, амплитуд ные и частотные преобразования, звуковые эффекты (эхо, реверберацию, фленжеp, дистошн), наложе ние других оцифровок, изменение частоты оцифровки, генерировать различные виды шумов, синтези ровать звук.

Какие основные методы используются для обработки звука?

Монтаж и редактирование. Состоит в вырезании из записи одних участков, вставке других, их за мене, размножении и т.п. Практически каждый музыкальный редактор имеет такие возможности редак тирования. Все современные звуко- и видеозаписи в той или иной мере подвергаются монтажу.

Амплитудные преобразования, например, усиление или ослабление звука.

Частотные (спектральные) преобразования, например, фильтрация – усиление или ослабление оп ределенных полос частот.

Фазовые преобразования. Слуховой аппарат человека использует фазу для определения направле ния на источник звука. Фазовые преобразования стереозвука позволяют получить эффекты вращающе гося звука, движущегося источника звука и им подобные.

Временные преобразования. Заключаются в добавлении к основному сигналу его копий, сдвинутых во времени на различные величины. При небольших сдвигах (порядка менее 20 мс) это дает эффект размножения источника звука (эффект хора), при больших – эффект эха.

Формантные преобразования оперируют с формантами – характерными полосами частот, встречаю щимися в звуках, произносимых человеком. Каждому звуку соответствует свое соотношение амплитуд и частот нескольких формант, которое определяет тембр и разборчивость голоса. Изменяя параметры фор мант, можно подчеркивать или затушевывать отдельные звуки, менять одну гласную на другую, сдвигать регистр голоса и т.п.

Обработка речевой информации включает в себя синтез речи и автоматическое распознавание ре чи.

В настоящее время сфера применения синтезаторов речи непрерывно расширяется – используются различные автоматизированные информационно-справочные системы, системы автоматизированного контроля, способные голосом предупредить человека о состоянии контролируемого объекта, и другие системы.

Разработаны устройства, позволяющие преобразовать письменный текст в соответствующее ему фонемное представление, что позволяет воспроизводить в виде речи произвольный текст, хранящийся в памяти компьютера. Например, одной из услуг в сети Internet является "озвучивание" сообщения. Вы отправляете на соответствующий сервер по электронной почте "письменное" сообщение с указанием телефонного номера, по которому это сообщение следует передать. В указанное время "компьютерный секретарь" дозвонится по данному телефону и с помощью синтезатора речи передаст сообщение в зву ковой форме.

Немало усилий было положено на то, чтобы снабдить программы и операционные системы графи ческим интерфейсом пользователя. Сейчас развивается новое направление – речевой интерфейс пользо вателя. Голосовые навигаторы (PilotVoice, Listen, Just Voice, Speech Recognizer, QwickSwitchBitWare, Voice Assist) управляют программами, в какой-то мере заменяя клавиатуру и мышь.

Растет популярность средств автоматического распознавания речи (Automated Speech Recognition, ASR). Системы ASR (программы диктовки DragonDictate, Office TalkKolvox Communication, Power Secretary, VoiceType Dictation) преобразуют речь в закодированный "письменный" текст. Для этого про изводится спектральный анализ оцифрованной речи и определяются при помощи специальных матема тических методов минимальные звуковые единицы языка – фонемы.

6 ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ РАБОТ Электронные таблицы, пакеты прикладных программ (ППП) для статистической обработки данных, специализированные математические ППП.

Электронные таблицы (SuperCalc, Excel, Lotus, Quattro Pro, SDSS Spreadsheet, VistaCalc, GS-Calc и др.) относятся к классу систем обработки числовой информации, называемых Spreadsheet. Букваль ный перевод термина "spreadsheet" c английского языка означает "расстеленный лист (бумаги)".

Области применения электронных таблиц: бухгалтерский и банковский учет;

планирование распре деления ресурсов;

проектно-сметные работы;

инженерно-технические расчеты;

статистическая обра ботка больших массивов информации;

исследование динамических процессов.

Основные возможности электронных таблиц:

• решение расчетных задач, проведение вычислений по формулам, заданным пользователем;

• решение оптимизационных задач;

• анализ и моделирование на основе результатов вычислений;

• оформление таблиц, отчетов;

• построение диаграмм требуемого вида;

• создание и ведение баз данных с возможностью выбора записей по заданному критерию и сорти ровки по любому параметру;

• перенесение (вставка) в таблицу информации из документов, созданных в других программных средствах;

• печать итоговых документов;

• коллективное использование данных, хранящихся в таблицах, распространение и просмотр элек тронных таблиц всеми участниками рабочей группы.

Элементами таблицы являются столбцы, строки, ячейки, блоки ячеек (рис. 19).

Чаще всего строки пронумерованы (1, 2, 3, 4,...), а столбцы поименованы латинскими буквами и комбинациями букв (А, В, С,..., АА, АВ,..., IV).

Элемент, находящийся на пересечении столбца и строки, называется ячейкой (клеткой).

Прямоугольная область таблицы называется блоком (диапазоном, интервалом) ячеек. Блок задается адресами верхней левой и правой нижней ячеек блока, перечисленными чаще всего через двоеточие.

Модель ячейки в Excel.

Каждая ячейка таблицы имеет следующие характеристики (рис. 20):

• адрес;

• содержимое;

• изображение;

• формат;

• имя;

• примечание (комментарий).

имя содержимое изображение Рис. 19 Фрагмент таблицы в Excel Рис. 20 Модель ячейки в Excel Адрес ячейки – имя (номер) столбца и номер строки, на пересече нии которых находится ячейка. Ис пользуется в формулах в виде отно сительной, абсолютной или смешанной ссылки, а также для быстрого перемещения по таблице.

Содержимым ячейки может быть:

• число (целое со знаком или без (–345), дробное с фиксированной точкой (253,62) или с плаваю щей точкой (2,5362е + 2));

• текст;

• формула.

Формула – всегда начинается со знака "=" и может содержать числовые константы, абсолютные или относительные ссылки на адреса ячеек, встроенные функции.

Аргументы функций всегда заключаются в круглые скобки. Стандартные функции можно как вве сти с клавиатуры, так и воспользоваться меню ВСТАВКА / ФУНКЦИЯ или кнопкой fx.

Изображение – то, что пользователь видит на экране монитора.

Если содержимым ячейки является формула, то изображением будет вычисленное числовое значе ние.

Текст, помещенный в ячейку, может быть "виден" целиком, либо (если соседняя ячейка не пуста) будет видно столько символов, какова ширина ячейки.

Изображение числа зависит от выбранного формата. Одно и то же число в разных форматах ("дата", "процент", "денежный" и т.д.) будет иметь различное изображение.

Формат ячейки – определяется форматом чисел, шрифтом, цветом символов, видом рамки, цветом фона, выравниванием по границам ячейки, наличием защиты ячейки.

Имя – употребляется как замена абсолютного адреса ячейки для использования его в формулах.

Например, назначив ячейке С3 имя "Произведение" в ячейку D3 можно поместить формулу: = Произведение/3 (вместо формулы = С3/3). В этом случае при копировании формулы адрес ячейки меняться не будет.

Комментарий – сопроводительный текст к содержимому ячейки. Ввести примечание в ячейку можно с помощью меню ВСТАВКА / ПРИМЕЧАНИЕ. Ячейка, имеющая примечание, отмечается в ра бочем листе точкой в правом верхнем углу.

Преимущества использования ЭТ при решении задач.

1 Решение задач с помощью электронных таблиц освобождает от составления подробного алго ритма решения задачи и отладки соответствующей программы. Нужно только определенным образом записать в таблицу исходные данные и математические соотношения, входящие в модель решения задачи.

2 При использовании однотипных формул нет необходимости вводить их многократно, можно скопировать формулу в нужные ячейки. При этом произойдет автоматический пересчет адресов ячеек, встречающихся в формуле. Если же необходимо, чтобы при копировании формулы ссылка на какую-то ячейку не изменилась, то существует возможность задания абсолютного (неизменяемого) адреса ячей ки.

3 Изменение содержимого любой ячейки приводит к автоматическому пересчету значений всех ячеек таблицы, в которых есть ссылки на данную.

4 Исходные данные и результаты расчетов можно анализировать как в числовом виде, так и пред ставить их с помощью деловой графики (гистограммы, секторные диаграммы, графики зависимостей и пр.). Причем, изменение данных, по которым строились графики, автоматически отразится в изменении графического образа.

Пакеты статистической обработки (Systat, Statistica, Stadia и др.) предназначены, как это ясно из названия, для проведения статистической обработки больших массивов данных.

Заметим, что многие электронные таблицы позволяют пользователю рассчитать не только простые статистические показатели, такие как максимальное, минимальное и среднее значение или сумму квад ратов отклонения от среднего значения, но и произвести более сложные расчеты с использованием встроенных статистических функций: вычисление коэффициентов корреляции, характеризующих сте пень сходства результатов разных измерений, ранг числа в списке чисел, коэффициенты функций рас пределения данных и многое другое. Пакеты статистической обработки включают в себя реализацию более сложных статистических методов. Например, они существенно облегчают проведение регресси онного (установление связи между переменными – результатами статистических измерений), кластер ного (определение основных классов, составляющих изучаемый процесс или явление), факторного (вы явление факторов, объясняющих результаты статистических измерений) и других видов анализа дан ных.

Как правило, пакеты статистической обработки имеют развитые средства графического представ ления исходных данных и результатов расчета. Причем, это не только двумерные диаграммы и графики, но и многомерные изображения.

Математические пакеты (Eureka, Mathcad, Mathcad Professional, Matlab, Maple, Mathematica и др.) позволяют решить практически любую математическую задачу и представить результаты расчетов в табличном или графическом виде. Причем, многие математические пакеты имеют развитые средства построения трехмерных поверхностей, задаваемых с помощью функций.

Например, если Вы хотите построить график архимедовой спирали, заданной в полярных коорди натах в пакете MathCad достаточно щелкнуть в панели инструментов "Графики" по кнопке "Поляр ные координаты".

В открывшемся окне ввести имя функции (в нашем случае r() = a, а = = 2), в правом верхнем углу окна ввести наибольшее значение аргумента (например, 2) и щелкнуть по рабочему полю вне окна графиков. На экране появится нужный график (рис. 21).

Рис. 21 Архимедова спираль 7 СИСТЕМЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА Искусственный интеллект (artificial intelligence) – воспроизведение интеллектуальных действий (процедур) компьютерными средствами.

Системы искусственного интеллекта – технические системы, воспроизводящие отдельные аспек ты человеческого интеллекта, воплощенные в компьютерных программах посредством специальных логических систем.

Попытки формализовать мышление человека, построить адекватную модель рассуждений, выявить способы творческого разрешения проблемных ситуаций предпринимаются учеными с древних времен.

Платон, Аристотель, Сенека, Р. Декарт, Г.В. Лейбниц, Дж. Буль, Н. Лобачевский и многие другие ис следователи стремились описать мышление как набор некоторых элементарных правил и операций, смоделировать интеллектуальную деятельность.

Искусственный интеллект как самостоятельное научное направление появился во второй половине ХХ в. Во многом это было связано с развитием кибернетики, которая изучает управление и связь в сложных системах, в том числе управление (а также самоуправление, самоорганизацию) такой системы как человек. Управление связано с принятием решений на основе анализа, сравнения, переработки ин формации, выдвижением предположений, доказательством правильности гипотез, т.е. с теми операция ми, которые традиционно относятся к области интеллектуальной деятельности.

Исследования в области ИИ развиваются по двум основным направлениям. Это связано с тем, что ответить на вопрос, что такое интеллектуальная система, можно двояко.

С одной стороны, систему можно считать интеллектуальной, если процесс ее "рассуждений", спо собы формирования разумного поведения подобны естественному мышлению. В этом случае искусст венный интеллект создается на основе скрупулезного изучения и моделирования принципов и конкрет ных особенностей функционирования биологических объектов.

С другой стороны, систему можно считать интеллектуальной, если достигнутый ею результат по добен результату, который в тех же условиях получает человек, т.е. хорошо совпадает поведение искус ственно созданных и естественных интеллектуальных систем. Что касается внутренних механизмов формирования поведения, то разработчик ИИ вовсе не должен копировать особенности "живых анало гов".

Первое направление, которое чаще называют искусственным разумом, использует данные о нейро физиологических и психологических механизмах интеллектуальной деятельности. Разработчики стре мятся воспроизвести эти механизмы с помощью технических устройств. При этом ученые стремятся не к слепому подражанию, не к заимствованию всех характеристик биологических объектов, а к критиче скому, строгому отбору только полезных для техники свойств. Моделировать деятельность живых ор ганизмов интересно и нужно, особенно те функции, которые повышают гибкость, надежность, эконо мичность системы или процесса.

Второе, называемое машинным интеллектом, – рассматривает продукт интеллектуальной деятель ности человека (решение задач, доказательство теорем, игры со сложной стратегией и пр.), изучает его структуру и стремится воспроизвести этот продукт средствами вычислительной техники. Успехи этого направления тесно связаны с развитием компьютеров и искусством программирования.

Оба направления активно используют методы моделирования – имитационного и структурного, ма тематического и компьютерного и др.

Самой сложной биологической системой, выполняющей разнообразные функции по переработке сигналов и управлению, издавна признана нервная система. Многие ее особенности связаны со струк турными особенностями нервных клеток – нейронов и нейронной сетью, поэтому они нередко являются объектами моделирования в исследованиях в области искусственного интеллекта.

Кора больших полушарий головного мозга человека содержит около 14 млрд. нейронов, образую щих сложнейшее переплетение связей. Устройство и законы функционирования самого нейрона также очень сложны, что позволяет использовать для его описания только упрощенные модели. Такие модели носят название нейроноподобных сетей. Используются они для построения систем управления различ ными робототехническими устройствами. Нейроноподобные сети являются устройствами параллельной обработки информации и имеют преимущества при построении систем, предназначенных для работы в реальном масштабе времени.

Пример. Первый в нашей стране транспортный робот ТАИР с сетевой системой управления был по строен еще в 1975 г. Он мог целенаправленно двигаться в естественной среде (в парке), объезжать пре пятствия, избегать опасные места, поддерживать внутренние параметры в заданных пределах. При этом достигал цели с минимальными энергетическими и временные затратами. Нейроноподобная сеть, со ставляющая основу управления, содержала 100 узлов и отвечала за шесть видов деятельности: распо знавание и оценку ситуации, решения, маневры верхнего и нижнего уровня, элементарные двигатель ные действия. Исследования ТАИРа и его "последователя" лабораторного робота МАЛЫШ, обладаю щий более развитой системой технического зрения и нейроноподобной сетью, обрабатывающей данные восприятия, стали основой построения промышленного транспортного робота широкого назначения ГРУЗ-2Т.

Существующие и разрабатываемые в настоящее время роботы значительно отличаются по своему назначению и функциональным возможностям. Некоторые из них имеют системы восприятия визуаль ной, аудиальной, тактильной информации из внешней среды и системы воздействия на внешние объек ты – различные манипуляторы, захваты, толкатели и пр. Многие роботы снабжаются системами, обес печивающими перемещения робота – колесные, плавающие, летающие, шагающие платформы и аппа раты. Роботы, снабженные системами целеполагания и планирования действий, а также системами коммуникации с человеком-оператором относятся к классу роботов с искусственным интеллектом. Раз работка таких роботов ведется в настоящее время.

Особое внимание в исследованиях по машинному интеллекту уделяется проблемам распознавания образов и организации речевого "общения".

Одна из удивительнейших способностей человека – способность узнавать. Едва бросив взгляд, мы узнаем, что перед нами кот или собака, корабль или бабочка, буква "ч" или "у". Узнаем, как правило, безошибочно, будь то сам "оригинал" или его уменьшенное или увеличенное изображение. Способно стью узнавать человек обладает испокон веков. И все-таки до сего времени ученые в точности не знают, как же человек узнает.

Задачи распознавания образов очень разнообразны. Наиболее простые из них решаются, например, в программах оптического распознавания символов (OCR – optical character recognition), предназначен ных для ввода печатного или рукописного текста, в частности, с помощью сканера. Распознавание сим волов, даже будучи "наиболее простым" в классе задач распознавания образов, тем не менее, достаточ но сложны для их формализованного описания.

Пример. На рис. 22 приведены различные начертания буквы "А". У них разное начертание, цвет, наклон. Какие формальные признаки, присущие только этой букве и никакой другой, можно выделить?

Просто ли перевести их на строгий алгоритмический язык?

Рис. В робототехнике распознавание образов осуществляется системами технического зрения. Они используются в системах технического контроля для обнаружения дефектов в заготовках и изде лиях, в станках с программным управлением – при управлении позиционированием деталей, сбор кой, сваркой и т.п. В широко разрабатывающихся сейчас алгоритмах по распознаванию и "пони манию" сложных сцен, включающих несколько произвольно расположенных в пространстве трехмерных объектов, используется информация о расположении и конфигурации теней, полуто нов, об особенностях отражения света материалами различных текстур (металл, дерево, ткань и пр.) и т.п.

Автоматическое распознавание речи необходимо для создания средств речевого ввода команд и текстов, автоматического перевода, реферирования текстов, построения справочных и информационно поисковых устройств. Синтез речи является одним из функциональных узлов различных роботов связи.

Существуют системы, которые могут сообщение, присланное вами по электронной почте, преобразо вать в "голосовое" и передать по нужному телефону в заданный промежуток времени. Другие системы по названному телефонному номеру (входящему в заранее определенный список) обеспечивают услуги выдачи адресов, маршрутов проезда и т.п.

Интересна история исследований по машинному интеллекту.

Практически с момента появления ЭВМ появился интерес к автоматизации решения плохо форма лизуемых задач, в частности, процесса доказательства теорем, к познанию закономерностей творческой деятельности.

С самого начала использования ЭВМ для решения задач стало ясно, что одними точными матема тическими методами не обойтись. Для многих задач, которые люди умеют решать (играть в шахматы, сочинять стихи, строить научные теории), точных методов не существует. В этом случае можно попро бовать воспроизводить компьютерными средствами те правила и приемы, которыми пользуется человек при решении аналогичной задачи. Эти специфические для человека правила и приемы называются эв ристиками, а методы решения задач, опирающиеся на них, эвристическими методами.

Компьютеры позволяют изучать эвристическую деятельность человека с помощью моделей. Среди них важную роль занимают игры, особенно, шахматы, которые выступают "пробным камнем" модели рования мышления. В процессе шахматной игры человек анализирует множество условий и оценивает множество возможностей: на 64 клетках шахматной доски возникает трудно вообразимое число комби наций фигур – 2 10116. Конечно, человек перебирает не все возможные варианты, он пользуется выра ботанной стратегией. Аналогичные модели перебора множества возможных вариантов возникают при решении самых разнообразных задач, например, поиск пути в лабиринте или определение стратегии размещения ценных бумаг.

На компьютере модели поведения человека в ситуации выбора из множества вариантов, реализуют ся с помощью эвристического программирования. Главное в эвристической программе – стратегия по иска решений. В процессе выполнения программы машина по результатам промежуточных действий как бы судит о своей деятельности, дополнительно собирает необходимую ей информацию. Эвристиче ские программы не рассматривают вариантов бесперспективного поиска, а ищут решение только в на правлении, где оно возможно.

Эвристическое программирование используется при создании систем искусственного интеллекта, называемых решателями задач. Обычно программы-решатели строятся для задач, связанных с преобра зованием ситуаций, когда заданы исходная и желаемая ситуация, а также набор операторов или дейст вий, которые могут строго определенным образом изменять ситуации. Чаще всего решатели использу ются как составная часть систем автоматизации управления сложными объектами, в частности, робота ми.

К системам ИИ относятся и системы машинного перевода, которые включают в себя лингвистиче ские описания входного и выходного языков, базы данных – словари, алгоритмы, на основе которых осуществляется непосредственно перевод. Первые системы машинного перевода осуществляли перевод пословно, не "вникая" в смысл предложения. Предназначены они были для перевода технической доку ментации, патентов и т.п. Развитые системы машинного перевода работают по многоэтапной схеме.

Основные этапы – это анализ переводимого (исходного) текста и синтез перевода. Перевод осуществ ляется обычно пофразно.

Этапы анализа таковы:

• выделение из текста очередной фразы;

• лексический анализ – выделение слов и частей речи;

• поверхностный синтаксический анализ – выделение членов предложения;

• глубинный синтаксический анализ, учитывающий смысловые связи между словами.

В результате анализа строится внутреннее представление фразы, отражающее ее смысл.

Синтез перевода включает следующие этапы:

• подбор слов выходного языка для передачи внутреннего представления фразы;

• расстановка слов в нужном порядке с извлечением из словаря внешней лексической формы слов;

• формирование окончательного вида переведенной фразы.

Почему машинный перевод относится к классу систем искусственного интеллекта? Одна из причин – многозначность большинства естественных языков, когда смысл фразы можно определить только из контекста.

Например, можно ли однозначно понять и перевести следующие фразы вне контекста?

"Не валяй дурака", "Вот где собака зарыта", "Остался с носом", "Он на этом деле собаку съел".

Одной из ключевых проблем создания систем ИИ является проблема представления и использова ния знаний о той предметной области, в которой система решает те или иные задачи. Общий круг задач, решаемых в этой связи, относится к разделу ИИ, называемому инженерией знаний. База знаний являет ся важным элементом любой системы управления. Идея баз знаний сформировалась в ходе исследова ний по созданию принципов и методов работы с большими базами данных. Оказалось, что эффектив ность использования баз данных может быть существенно повышена, если связывать хранящуюся ин формацию не только за счет форм (таблиц, списков, деревьев), а за счет тех отношений, которые суще ствуют между фактами. Причем, отношения эти должны быть не случайными, ситуативными, а отра жать существенные связи объекта. Такие базы данных получили название интеллектуальных баз дан ных или баз знаний.

Знания о предметной области и способах решения в ней задач могут быть декларативные и проце дурные. Декларативные знания описывают объект (отвечают на вопросы типа "Что есть Х?", "Как свя заны X и Y?", "Почему Х?"). Процедурные знания описывают последовательность действий, которые могут использоваться при решении задач (отвечают на вопросы типа "Как сделать Х?").

Базы знаний строятся на основе моделей, разработанных в когнитивной психологии (психологии познания). Основных моделей три: логическая, сетевая, продукционная.

Логическая модель широко использует аппарат математической логики. Декларативные знания представляются в виде формул, а использование логических операций позволяет записать процедурные знания.

Пример Суждение "Я обязательно поеду на матч, если достану билет или меня пригласит товарищ и если не будет дождя" можно записать следующим образом:

(A B) ¬C D где А = "Я достану билет", B = "Меня пригласит товарищ", C = "Будет дождь", D = "Я поеду на матч", – логическая операция "ИЛИ", – логическая операция "И", ¬ – логическая операция "НЕ", – логи ческая операция "ЕСЛИ..., ТО...".

Может быть и такая форма записи:

( ИМЕТЬ (я, билет) ПРИГЛАСИТЬ (товарищ, я) ) ¬ ИМЕТЬ МЕСТО (дождь) ПОЙТИ (я, матч) В основе сетевой модели лежит идея о том, что любые знания можно представить в виде совокуп ности объектов (понятий) и связей (отношений) между ними. Знания представленные таким образом носят название семантические сети.

Пример. Фраза "девочка ищет в комнате большой красный мяч, который лежит под письмен ным столом" может быть представлена в виде семантической сети, изображенной на рис. 23.

Заметим, что блок-схемы алгоритмов также представляют собой семантические сети. Вершины этих сетей – процедуры, а дуги означают действие "перейти к процедуре" ("передать управление про цедуре").

Понятия, входящие в сеть, описываются в виде фреймов. Фрейм – это минимально возможное (так, чтобы не потерялся сам объект) описание сущности какого-либо явления, процесса, ситуации. Компо ненты фрейма называются слотами. Изображается фрейм в виде цепочки слотов, причем, исключение из фрейма любого слота делает его неполным, иногда бессмысленным.

Рис. 23 Пример семантической сети Пример Описание фрейма "Заполненный" фрейм (фрейм-прототип) (фрейм-экземпляр) Битва = <кто?> <с кем?> <ко- Битва1 = <СССР> <Герма гда?> <где?> <результат> ния> <декабрь 1941> <Сталинград> <победил> Битва2 = <Иван Царевич> <Кощей Бессмертный> <ут ром> <в чистом поле> <побе дил> Книга = <Автор(ы)> <назва- Книга1 = <Стругацкий А., ние> <жанр> <издательство> Стругацкий Б.> <Понедель <год издания> <кол-во стр.> ник начинается в субботу> <Фантастические повести> <Москва: Детская литерату ра> <1987> <496> Основу продукционной модели составляют множества продукций – правил вывода. В наиболее про стом виде продукция записывается как стандартное выражение, включающее в себя правило вывода ви да "если..., то...". Это выражение носит название ядро продукции. Например, "Если ввел неверный сим вол, нами клавишу < >". Кроме ядра в продукцию, как правило, входит еще условие. Оно определяет те ситуации, в которых можно использовать указанное правило. Только что рассмотренная продукция будет более определенной, если к ней добавить условие "Вводится текст с клавиатуры компьютера".

Пример Форма продукции (краткая) Продукция Имя продукции: Определение вида треугольни При выполнении условия С ка:

имеет место: если А, то В Известно, что а, b, с – стороны треугольника;

если a2 + b2 = c2, то треуголь ник прямоугольный Поведение при пожаре:

Вы находитесь дома и у вас есть телефон и телефон рабо тает;

если в доме вспыхнул пожар, то вызывайте пожарную ко манду по телефону Наиболее динамично развивающимся видом искусственного интеллекта являются экспертные системы и системы поддержки принятия решений.

Экспертная система (ЭС) – вычислительная система, в которую включены знания специалистов о некоторой конкретной предметной области и которая в пределах этой области способна принимать ре шения, качество которых соответствует решениям, принимаемым экспертами-людьми (рис. 24).

Человека с самого начала не устраивала возможность задавать компьютеру лишь вопросы типа "Чему равен синус 10 радиан?" Хотелось бы получать ответы на вопросы: "Что случилось с этим больным?", "Имеет ли смысл бурить скважину в этом месте?", "Были ли случаи подобного применения патентного права?", "Каково молекулярное строение этого вещества?", "Почему падает спрос на эту продукцию?".

Экспертные системы имеют в своем составе обширную базу данных – факты выбранной предмет ной области, а также базу знаний, в которой отражены профессиональные навыки и умения специали стов высокого уровня в данной области.

Основу квалификации эксперта, кроме формализованных знаний, составляют трудноформализуе мые эвристические приемы, догадки, интуитивные суждения и умения делать выводы, которые сам экс перт может не вполне осознавать. Поэтому создание экспертных систем – длительный и сложный про цесс. Заполнение базы знаний – наиболее трудоемкий этап. Разработку структуры и наполнение базы знаний осуществляет инженер по представлению знаний. Он работает в тесной связи с одним или не сколькими экспертами. Вместе они подробнейшим образом определяют, какими должны быть правила вывода, как они взаимосвязаны между собой, по возможности устраняют противоречия в мнениях экс пертов, находят аналогии, вырабатывают метаправила (т.е. правила, описывающие, каким образом дру гие правила должны быть использованы или модифицированы), строят разветвленные сети логических выводов и многое другое.

Экспертная система должна обладать следующими свойствами:

• способностью рассуждать при неполных и противоречивых данных;

• способностью объяснять цепочку рассуждений понятным для пользователя способом;

• факты и механизмы вывода должны быть четко отделены друг от друга;

Рис. 24 Типовая структура экспертной системы • система должна быть "самообучаемой", т.е. выводы, полученные при решении задачи включают ся в базу знаний для решения других задач;

• на выходе ЭС должна выдавать совет – не таблицу чисел или графики на экране, а четкий совет;

• быть экономически выгодной.

Пример. Одна из самых известных в мире консультационных ЭС – MYCIN, предназначенная для медицинской диагностики инфекционных заболеваний крови, сопоставляет с помощью правил симпто мы исследуемой болезни с симптомами болезней, накопленных в базе знаний. Врач отвечает на запросы ЭС о симптомах болезни, а затем, получив достаточно фактов, ЭС помогает врачу поставить диагноз и дает рекомендации по лечению.

Немного истории.

Первая программа ИИ – "Логик-теоретик", которая доказывала теоремы в символьной логике, появилась в 1956 году в институте Карнеги (США). Ее авторы А. Ньюэлл, Г. Саймон и Дж. Шоу ос новывались на идее о том, что мышление следует понимать как механизм для обработки информа ции, а решение задач человеком осуществляется путем целесообразного выбора на множестве кон курирующих между собой альтернатив. После "Логика-теоретика" авторы попытались создать Об щий решатель задач (General Problem Solver – GPS). Поставленная цель не была достигнута: оказа лось, что класс доступных ему задач оказался весьма узок. Тем не менее, эта программа надолго во шла в арсенал средств искусственного интеллекта, на ее основе отрабатывались приемы эвристиче ского программирования, была создана база для совершенствования решателей задач.

Термин "искуственный интеллект" впервые ввел Дж. Маккарти, автор многих ярких работ по про граммированию. Он же организовал первую конференцию по ИИ и начал теоретическую работу, кото рая привела к созданию языка символьного программирования Лисп (Lisp), ставшего базовым языком для создания программного обеспечения для систем искусственного интеллекта.

Первые роботы, системы управления которых были построены на основе нейроноподобных сетей (на уровне отдельных нейронов) были разработаны в 60-х годах ХХ в. Л. Сутро, У. Килмером, Дж. Ол бусом и др.

Компьютер для перевода технических текстов с русского языка на английский появилась в 1954 го ду. За несколько минут было переведено около 60 предложений.

Первые машинные стихи появились в 1960-х гг. Вот два примера машинных стихотворений:

Пока жизнь создает оши- Добрый реет шелест бочные, Плачет пустота совершенно пустые об- Слушают качели разы, И поет беда Пока медленное время течет Стань покорно горе мимо полезных дел, Томно лишь летит А звезды уныло кружатся в И прозрачно море небе, Тайно шелестит Люди не могут смеяться. И бежит земная Незаметно тень Медленно лесная Славит влажный день Теоретическую основу моделей представления знаний (а также основу разработки большинства компьютерных языков) заложил Н. Хомский, который предложил новую систему понимания языка, на зываемую формальной грамматикой, которая позволяет описать структуру фраз, текстов.

Фреймы впервые были определены М. Минским в 1974 г. как структуры, группирующие данные по объединяющему их смыслу.

Семантические сети как модель представления знаний были предложены Р. Квиллингом в 1970-х гг.

Одна из первых экспертных систем была разработана для химических исследований в середине 1960-х гг. Проект DENDRAL был предназначен для определения пространственных структур органиче ских молекул.

Одна из первых успешно действующих ЭС в области компьютерных систем и электроники (XCON) появилась только в конце 1970-х гг. Современные разработки ЭС в этой области связаны с проектиро ванием конфигурации компьютеров, с диагностикой неисправностей, с управлением процессом произ водства компьютеров.

8 ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ Управление осуществляется в любых системах, но есть такие системы, где управление – это про фессия. Руководитель, управляющий, директор, начальник, менеджер, заведующий, администратор – все это специалисты по управлению.

К чему сводится управленческая деятельность? Обычно к определению целей работы предприятия или организации, наблюдению за ходом производства, контролю качества продукции, составлению производственной документации, размножению и рассылке документов, связи отделов производства между собой, взаимодействию с биржевыми и банковскими организациями, регистрации и сортировке документов. Иными словами, к сбору, анализу, выработке, передаче, хранению и переработке информа ции.

Современное производство отличается сложностью, многообразием связей, форм и методов. Чтобы производство было эффективным, потоки информации – плановые и отчетные документы, производст венная документация, банковские операции необходимо обрабатывать безошибочно и в самые сжатые сроки. Своевременно и правильно обработанная информация становится важным производственным ресурсом. Использование компьютеров и информационных технологий на всех этапах управления спо собно повысить его эффективность и качество.

Автоматизированные системы управления (АСУ) – комплекс технических и программных средств, обеспечивающий в тесном взаимодействии с отдельными специалистами или коллекти вами управление объектом в производственной, научной или общественной сфере.

Основное преимущество АСУ перед "ручными" методами управления состоит в том, что для принятия необходимых решений управленческому персоналу предоставляется более полная, свое временная и достоверная информация в удобной для восприятия форме. АСУ – это автоматизиро ванный сбор и обработка информации, хранение ее в памяти ЭВМ, это использование норматив но-справочной, исходной, промежуточной и выходной информации. Использование систем под держки принятия решений, экспертных систем, систем автоматизированного проектирования дает возможность получать принципиально новую информацию. Это еще одна функция АСУ.

Качество управления непосредственно связано с применением математических методов в управле нии, внедрение которых без компьютера, как правило, невозможно из-за большого объема вычислений.

Пример. Задача составления оптимальной последовательности запуска деталей в производство со держит n! вариантов, где n – количество видов деталей. При n = 10 число возможных вариантов запуска достигает 3 млн. 600 тыс. Но в производстве насчитывается нередко до нескольких сотен видов деталей!

К математическим методам в первую очередь относятся оптимизационные методы, статистическая обработка информации, математическое моделирование и др.

АСУ различают по выполняемым функциям и результатам деятельности.

По функциям АСУ подразделяются на:

• административно-организационные:

- системы управления предприятием (АСУП);

- отраслевые системы управления (ОАСУ);

• АСУ технологическими процессами (АСУТП):

- гибкие производственные системы (ГПС);

- системы подготовки производства (АСУПП);

- системы контроля качества продукции (АСК);

- системы управления станками с числовым программным обеспечением (ЧПУ);

• интегрированные системы, объединяющие предыдущие виды АСУ в различных комбинациях (на пример, АСУП-ГПС, САПР-АСУПП и т.д.).

По результатам деятельности различают АСУ информационные, информационно советующие, управляющие, самонастраивающиеся, самообучающиеся.

Из всех типов автоматизированных систем АСУП – наиболее сложная как по структуре, так и по выполняемым функциям. В настоящее время их все чаще называют системами управления бизнес процессами предприятия.

Управление производством на предприятии – трудное и ответственное дело, требующее согласо ванной работы конструкторов, технологов, снабженцев, производственников, сбытовиков, экономистов и других специалистов.

Каковы же основные принципы автоматизации управления предприятием?

Прежде всего – принцип комплексности. Системы обеспечивают полный цикл управления, начиная от подготовки и планирования производства и заканчивая сбытом готовой продукции и формированием финансовой и бухгалтерской отчетности. Отчетность же, в свою очередь, через обратную связь замыка ется на функцию планирования. В задачи управления входят разработка и производство новых видов изделий, определение технологических маршрутов и подготовка программ для станков с ЧПУ, расчет пропускной способности оборудования и оценка портфеля заказов, расчет планов производства, по требностей во всех видах ресурсов, учет процесса производства, контроль за расходом сырья и ком плектующих, расчет издержек производства и основных технико-экономических показателей (прибыли, рентабельности, себестоимости, производительности труда и пр.).

Типовая система автоматизации управления предприятием включает в себя:

• составление проектов и контроль за их исполнением;

• управление складскими ресурсами;

• оптимизацию движения различных производственных потоков:

- материальных – сырья, материалов, инструментов, готовой продукции);

- денежных – взаиморасчеты между подразделениями, расчеты с поставщиками и клиентами;

- информационных – доведение распоряжений до конкретных исполнителей, контроль за свое временностью обновления данных в системе и их непротиворечивостью;

- автоматизированные системы управления технологическими процессами;

• управление загрузкой мощностей предприятия;

• разработка новых изделий, включая техническую документацию;

• финансовый анализ и бухгалтерский учет;

• оформление заказов и контроль за их своевременным исполнением;

• анализ изменений, происходящих как внутри, так и вне предприятия и предупреждение о вне штатных ситуациях и пр.

Одной из главных задач системы автоматизации управления предприятием является эффективный анализ изменений, происходящих как внутри, так и вне предприятия. Анализ дает возможность соста вить прогнозы дальнейшего развития, на основании которых руководство предприятия может прини мать решения об организационных или производственных изменениях. Для анализа обычно использу ется значительный объем накопленных данных за различные отрезки времени.

Другая важная особенность АСУ заключается в том, что она не является лишь одним из пассивных инструментов ведения бизнеса. Грамотно организованная система активно способствует совершенство ванию бизнеса. Поэтому одно из важнейших условий построения системы – гибкость, что позволяет настраивать ее в соответствии со спецификой конкретного предприятия. Система, с одной стороны, должна гармонично вписаться в сложившиеся на предприятии традиции, а с другой стороны стимули ровать его руководство к переходу на новые технологии и методы работы.

Отметим, что внедрению АСУ на предприятии предшествует долгая и кропотливая работа по ис следованию его особенностей, сложившейся системы управления, выявлению сильных и слабых сторон деятельности и пр. Проект по автоматизации управления включает в себя не только определенное коли чество автоматизированных рабочих мест специалистов и комплект программного обеспечения, но, прежде всего, предложения по реорганизации управления предприятием. Как правило, внедрение АСУ неизбежно влечет за собой изменение существующих организационных структур и методов управления, требует более четкой регламентации документооборота, упорядочивания нормативов, совершенствова ния организации производства и труда. Выбор и внедрение проекта АСУ сопоставимы с приобретени ем, например, новой производственной линии или строительством цеха.

Автоматизация полного цикла управления включают в себя еще и системы автоматизированного управления технологическими процессами (АСУТП), которые обеспечивают процесс управления вы пуском непосредственно готовой продукции.

Программное обеспечение – важный компонент АСУ. Современное программное обеспечение АСУП бывает универсальным, которое можно использовать на крупных предприятиях для любого типа производственного процесса, либо типовым для средних и малых предприятий данной отрасли произ водства.

Еще один важный компонент – это информационное обеспечение АСУ. Оно охватывает множество документов, необходимых для управления производством, – правовую, нормативную, техническую, конструкторскую, технологическую, учетную документацию и схемы ее движения, различные класси фикаторы, кодификаторы и другие информационные массивы.

Информационная база АСУ – это система показателей, описывающих объекты управления: харак теристики и свойства зданий, сооружений, оборудования, сырья и материалов, выпускаемой продукции, кадрового потенциала, поставщиков, клиентов, производственные показатели и т.п.

В информационной базе информация не только накапливается и хранится, но и обрабатывается, не редко с использованием методов искусственного интеллекта. Это позволяет в рамках информационной базы решить многие задачи, связанные с поиском, слиянием, обобщением информации. Информацион ная база АСУ – основа безбумажной технологии управления.

Основными элементами АСУ являются автоматизированные рабочие места специалистов (АРМ), объединенные в локальную корпоративную вычислительную сеть.

Автоматизированное рабочее место – рабочее место специалиста, оснащенное компьютером или комплексом специализированных устройств, соответствующим программным обеспечением, которые позволяют автоматизировать часть выполняемых специалистом производственных операций.

Пример АРМ бухгалтера – это компьютер с установленным на нем пакетом бухгалтерских программ с вы ходом на банк учетных данных предприятия.

АРМ конструктора не обходится без специализированных устройств и программ работы с графи кой, а также нормативно-справочных ИПС.

АРМ технолога-контролера включает кроме всего прочего приборы контроля и автоматической ре гистрации параметров технологического процесса.

В интегрированных АСУП АРМ специалистов объединены нередко в технологические цепочки, так что выходная информация конструктора является входной для технолога. В свою очередь выходная ин формация технолога становится управляющей программой для автоматического оборудования и вход ной информацией для контролера и т.д.

Перечислим преимущества, которые дает предприятию системный подход к автоматизации управ ления:

• необходимую оперативность контроля и гибкость управления предприятием;

• возможность получения непротиворечивых и полных данных о финансово-экономическом со стоянии предприятия;

• обеспечение оперативного доступа к аналитической информации о работе предприятия со сто роны служб управления в процессе принятия решений. Другими словами – управление в "горячем ре жиме";

• автоматизированную систему ведения отчетной документации и автоматизацию документообо рота в целом;

• снижение трудоемкости по составлению всевозможных отчетов и справок, выполнению типо вых расчетов;

• возможность статистического анализа показателей работы предприятия и определение на его основе мероприятий по совершенствованию производственной деятельности и сокращению материаль ных потерь;

• внедрение обоснованного рационального планирования;

• использование современных методологий управления предприятием;

• улучшение условий труда управленческого аппарата;

• наличие нескольких уровней защиты информации от несанкционированного доступа и много уровневое разграничение привилегий доступа;

• возможность автоматизации деятельности международных компаний, подразделения которых работают с различными план-счетами, валютами, с учетом различных нормативных и правовых отно шений.

АСУ только предоставляет преимущества. Реализовать их – задача людей. А потому особое внимание при внедрении АСУ уделяется именно человеческому фактору. Любая из технических систем – лишь механизм для повышения эффективности управления, принятия правильных стра тегических и тактических решений на основе своевременной и достоверной информации, выда ваемой компьютером.

Немного истории.

28 марта 1979 г. на атомной станции "Тримайл Айленд" произошла авария. Заело крошечный кла пан пневматической системы, это привело к прекращению циркуляции воды в системе водяного охлаж дения реактора, а потом и к неуправляемому разогреву урановой активной зоны реактора. Потребова лось несколько дней напряженнейшей работы, чтобы взять ситуацию под контроль.

Когда комиссия расследовала, почему авария, которую, казалось бы, несложно было устра нить, едва не вылилась в трагедию, оказалось, что основной причиной были неправильные дейст вия операторов. А произошло это потому, что АСУ станции была разработана без учета человече ских возможностей. В течение первых нескольких минут сработало 100 – 200 предупредительных аварийных сигналов: звенели зуммеры, насосы включались и выключались, вентили отпирались и запирались. В зале управления не утихала бурная деятельность множества людей. На операторов обрушилась такая лавина информации: показания дисплеев, предупредительные сигналы, данные распечаток и тому подобное, – что было совершенно невозможно выявить неисправность и пра вильно выбрать меры по устранению. Операторы просто не могли уследить за всем, что происхо дило – это было выше человеческих сил.

Урок, вынесенный из этой аварии, очевиден: пока конструкция технических систем (особенно ав томатизированных) не будет во всех деталях продумана так, чтобы все происходящее в них было абсо лютно понятно обслуживающему персоналу, пока информация не будет представлена в форме, удобной для восприятия человеческим глазом и мозгом, а не машиной, любая неполадка в автоматизированной системе управления может сделать ее полностью неуправляемой.

Термин АСУ появился в середине 1960-х гг. Первоначально АСУ строились на базе высокопроиз водительных (для своего времени) ЭВМ. Для их размещения и обеспечения работы создавались вычис лительные центры (ВЦ), для которых необходимы были обученный персонал, специально оборудован ные помещения, определенный микроклимат. При таких ВЦ создавались службы АСУ (иногда числен ностью до 200 – 300 человек). Обработка информации велась централизовано.

С появлением персональных ЭВМ АСУ стали создаваться на базе автоматизированных рабочих мест (АРМ), объединенных в локальную вычислительную сеть (ЛВС).

В нашей стране разработка и внедрение АСУ во многие сферы производства широко проводились в 1960 – 70-х гг. На предприятиях создавались вычислительные центры на базе больших ЭВМ (мэйн фреймов). Работали целые научно-исследовательские институты АСУ. В вузах создавались факультеты АСУ, призванные подготовить квалифицированных специалистов для этой области. Была даже идея создания Общегосударственной автоматизированной системы сбора и обработки информации для уче та, планирования и управления народным хозяйством. К сожалению, возможности техники и техноло гии не соответствовали в то время уровню решаемых задач. Идея АСУ опередила свое время. Но хоро шие идеи все равно воплощаются в жизнь. Изменение названия (вместо АСУ сейчас чаще используют название корпоративные системы управления бизнес-процессами предприятия – КСУБПП) обусловле на не изменением целей и функций АСУ, а скорее реализацией этих же целей на вычислительной тех нике нового поколения – персональных компьютерах и компьютерных сетях. И если Интернет – это глобальная сеть, предназначенная в основном для обеспечения "коммуникации без границ", то сети Ин транет (Intranet) – техническая база АСУ нового поколения.

О значении АСУ в экономической жизни говорят следующие факты.

В странах с развитой экономикой в той или иной мере автоматизированы все предприятия, на кото рых работает свыше 500 человек.

Во многих странах на государственном уровне практически полностью автоматизировано управле ние в сфере налогового учета. Широко распространена автоматизация в банковской системе. Высоки уровни автоматизации бухгалтерского учета и финансового анализа. Успехи транспортного обслужива ния также во многом обязаны автоматизации управления.

Сегодня невозможно производство без полной автоматизации управления технологическими про цессами в отраслях, связанных с современными "высокими технологиями". Это, в частности, относится к производству компьютеров, космической и робототехники, синтезу новых материалов и т.п.

9 БАЗЫ ДАННЫХ. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Базы данных Деятельность человека постоянно связана с накоплением информации об окружающей среде, ее отбором и хранением при решении различных задач. Информационные системы, основное назначение которых – информационное обеспечение пользователя, т.е. предоставление ему необходимых сведений из определенной предметной области, помогают человеку решать задачи быстрее и качественнее.

Любая информационная система предназначена для решения некоторого класса задач, включает в себя как хранилище данных, так и средства для реализации информационных процедур. Данные, хра нящиеся в запоминающих устройствах, структурированные таким образом, чтобы их могли использо вать различные программы, получили название баз данных (БД). Средства создания и управления этими данными получили название систем управления базами данных (СУБД). Несколько баз данных, отно сящихся к одной области, и средства работы с ними образуют банк данных (БнД) (рис. 25).

База данных (database) – множество данных, организованных для быстрого и удобного способа поиска и извлечения.

База данных – поименованная совокупность хранимых в запоминающих устройствах, специаль ным образом организованных, взаимосвязанных данных, отражающих состояние предметной области.

База данных – совокупность данных, организованных по определенным правилам, предусматри вающим общие принципы описания, хранения и обработки, независимые от прикладных программ.

Система управления базами данных (database management system) – совокупность программ и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования баз данных.

В состав СУБД входят:

– управляющие программы, обеспечивающие взаимосвязь с операционной системой, обработку команд пользователя, очередность их выполнения, контроль завершения операций и пр.;

– обрабатывающие программы, включая трансляторы с языков описания данных, языков запросов и языков программирования, редакторы, отладчики;

– сервисные программы, обеспечивающие удобный для пользователя интерфейс;

– прикладные программы, выполняющие обработку найденных системой данных, вычисления, формирование выходных документов по заданной форме и пр.

Рис. 25 Компоненты и способы организации банков данных Банки данных хранят сведения из самых разных областей человеческой деятельности: это библио течное и банковское дело, образование и медицина, управление предприятием и государством, право, экология, транспорт, туризм и многое другое. Количество информации, содержащейся в некоторых банках данных, измеряется миллиардами байт. В частности, Internet можно рассматривать как гигант ский банк данных.

База данных может входить в банк данных, а может использоваться автономно. База данных может содержать информацию практически любого типа. Данные в одной базе данных обычно отно сятся к какой-либо одной предметной области. Данными в базе данных могут быть числовые величи ны, строки символов, текстовые документы, схемы, рисунки, аудио- и видеозаписи, т.е. информация любого вида. Более точно можно сказать, что информация об объекте или отношениях объектов, вы раженная в знаковой форме, образует данные.

Пример. Автоматизированной базой данных является каталог файлов, хранящихся на диске. Все данные в нем относятся к файлам, расположенным именно на этом носителе. Данными являются имена подкаталогов и файлов, время их создания, размер, пароль доступа, логические и физические адреса размещения на носителе и др.

Для любой базы данных можно говорить о ее логической организации и о ее физической организа ции.

Физическая организация – это способ представления, размещения и хранения данных на носителе (ориентирована на техническое устройство).

Логическая организация представляет собой модель структуры всей совокупности данных (ориен тирована на человека). По сути, это способ объединения данных в записи, это "взгляд" на данные с точ ки зрения их использования в прикладных программах.

Наиболее распространенными способами логической организации данных в БД являются таблич ный (реляционный), древовидный (иерархический), сетевой. Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки. Выбор способа представления данных зависит от особенностей предметной области и тех задач, которые предполагается решать с помощью этих данных.

4 ТАБЛИЧНАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ № ФИО Год рожде- Факуль- Кафед- Долж ния тет ра ность 25 Илюшин 1978 эконом. БУ и А ассистент И.И.

26 Ипатов С.С. 1959 технолог. ТММ профес сор 27 Кедров К.К. 1964 архитект. ПГС доцент Например, данные о сотрудниках учреждения, необходимые отделу кадров или бухгалтерии, удобно представлять в виде таблиц.

Данные о структуре управления удобно представлять в виде дерева (рис. 26).

Данные о курсах, читаемых для студентов разных специальностей удобно представлять в виде "сетевого" графа (рис. 27).

Рис. 26 Пример иерархической модели данных Рис. 27 Пример сетевой модели данных Системы управления базами данных обычно поддерживают какую-нибудь одну из моделей органи зации данных, т.е. с их помощью можно создать базу данных вполне определенного типа.

Наиболее распространены реляционные СУБД. Это такие известные программные средства, как dBASE, Ребус, Lotus, FoxPro, Clipper, Access, Paradox и многие другие.

К СУБД иерархического типа можно отнести многие системы управления файлами, в частности Norton Commander, Far Manager, Диспетчер файлов и пр. Большинство СУБД, предназначенных для создания и ведения библиотечных баз данных, также иерархического типа.

СУБД сетевого типа используются преимущественно в автоматизированных системах управления и системах управления корпоративными бизнес-процессами. Сетевой тип логической организации дан ных в наибольшей степени отражает наличие самых разнообразных связей (сырьевых, кадровых, ин формационных, финансовых и пр.) между элементами производственного процесса.

Рассмотрим несколько подробнее реляционные БД.

Элементами табличной структуры данных являются запись, поле, реквизит (рис. 28). Поля мо гут быть различных типов: символьные строки, числовые поля, поля логического типа, даты, поля графического типа и пр.

Рис. 28 Элементы табличной структуры данных Пример. В таблице представлен фрагмент стуктуры одной из баз данных магазина по продаже ком пьютерной техники. Чтобы продавец мог ответить на любой вопрос покупателей, необходимо доста точно полно описать поступивший товар. В этом случае перечисленных полей явно не достаточно и число полей необходимо увеличить. Но если полей слишком много, то записи становятся труднообо зримыми. Чтобы этого избежать часто создают несколько взаимосвязанных баз данных.

1 2 3 4 5 6 7 № На- Фирма Дата Объ- Цена Нали- Гаран имено- произ- посту- ем изде- чие тий вание води- пления пар- лия гаран- ный товара тель партии тии тии срок Поле 1 – номер по порядку. Часто используется как уникальный ключ записи.

Поля 2, 3 – символьные строки.

Поле 4 – поле даты.

Поля 5, 8 – поля числового типа.

Поле 6 – поле денежного типа.

Поле 7 – поле логического типа.

Кроме типа логической организации данных СУБД характеризуются своими функциями. К основ ным функциям относятся: создание, редактирование, реструктурирование базы данных, поиск, выборка, сортировка записей.

Все операции над базой данных находятся в ведении администратора базы.

Администратор баз данных – специалист или группа специалистов, контролирующих проектиро вание и использование баз данных.

Именно администратор анализирует структуру предметной области, выбирает соответствующий тип СУБД, разрабатывает структуру базы данных – определяет количество, состав и наименования по лей таблицы или узлов сети, наполняет базу конкретными данными, следит за регулярным обновлением данных, разграничивает доступ пользователей, ведет статистику обращения к базе данных, помогает пользователю в случае необходимости сформулировать запрос и т.п.

В функции администратора БД входит:

– разработка модели предметной области и определение структуры БД;

– изменение структуры БД;

– обеспечение эффективной работы БД в данной организации;

– контроль за целостностью БД и ее своевременным обновлением;

– регистрация подключения к системе новых пользователей;

– контроль за полномочиями пользователей;

– обеспечение надежности функционирования;

– защита от несанкционированного доступа.

При создании и ведении базы данных необходимо учитывать следующие требования:

1 Адекватность информации состоянию предметной области. Информация, хранимая в БД должна полно и точно отражать объекты описываемой предметной области, их свойства и отношения. Отсюда следует необходимость периодического внесения изменений в данные – добавление описания для но вых объектов, корректировки для изменившихся, удаления для "выбывших".

2 Надежность функционирования – одно из важнейших требований, предъявляемых к любой сис теме.

3 Быстродействие и производительность. Быстродействие определяется временем ответа на за прос пользователя, которое зависит не только от быстродействия компьютера, но и от физической орга низации данных, сложности запроса, алгоритмов поиска и т.п. Производительность определяется коли чеством запросов, выполненных в единицу времени.

4 Простота и удобство использования.

5 Непротиворечивость данных.

6 Защита информации как от случайных искажений и уничтожения, так и от несанкционирован ного доступа.

7 Возможность расширения. Структура базы данных должна допускать реорганизацию, т.е. до бавление полей, изменение порядка их отображения на экране и пр.

Пользователь базы данных может обратиться к ней с запросом, в котором может использовать та кие операции над записями, как поиск записей с заданным содержимым определенных полей, упорядо чивание записей по тому или иному полю, определение количества записей, удовлетворяющих задан ному условию и пр. В большинстве современных СУБД предусмотрен диалоговый режим формули ровки запроса, т.е. пользователь выбирает соответствующие пункты меню специальных диалоговых окон или заполняет так называемую таблицу реквизитов, где указывает наименования и диапазон зна чений полей, которые его интересуют.

Запрос – это формализованное сообщение, содержащее условие (простое или сложное) на поиск данных и указание о том, что необходимо проделать с найденными данными.

Пример. Чтобы с помощью описанной выше базы данных магазина узнать, сколько партий това ра и на какую сумму поступило в первом квартале 2002 г. в запросе надо указать, что отбираются толь ко те записи, для которых значение реквизитов 4-го поля лежат в интервале от 1.01.2002 до 31.03.2002, а затем суммируются произведения значений 5-го и 6-го полей.

Чтобы определить, какая часть поступивших процессоров фирмы Intel подлежит гарантийному об служиванию, необходимо в запросе указать, что реквизит 2-го поля отбираемых записей должен совпа дать со строкой "процессор", реквизит 3-го поля должен совпадать со строкой "Intel", реквизит 7-го по ля должен быть True (истина). А затем разделить количество отобранных записей, удовлетворяющих всем указанным условиям, на общее количество записей.

Модели данных Использование модели данных при работе с БД неизбежно по нескольким причинам.

Во-первых, модель дает общий язык пользователям, работающим с данными.

Во-вторых, модель может обеспечить предсказуемость результатов работы с данными. Работающий с базой может предвидеть, какого сорта он получит результат в результате выполнения его запроса.

За время существования разработок программных систем предложено много различных моделей разной степени распространенности.

Реляционная модель и СУБД Не будучи хронологически первой, наиболее популярной с начала 1980-х гг. была и до сих пор ос тается реляционная модель данных.

В реляционной модели считается, что все данные ИС представлены в виде таблиц.

В рамках реляционной теории имеется список операций, которые можно осуществлять над табли цами таким образом, чтобы в результате выполнения операции снова получить реляционную базу дан ных. Обычно это следующие операции:

• базовые операции • ограничение – исключение из таблицы некоторых строк;

• проекция – исключение из таблицы некоторых столбцов;

• декартово произведение – из двух таблиц получается третья по принципу декартова произведе ния двух множеств строк;

• объединение – объединение множеств строк двух таблиц;

• разность – разность множеств строк двух таблиц;

• присвоение – именованной таблице присваивается значение выражения над таблицами;

• производные операции • группа операций соединения;

• пересечение – пересечение множеств строк двух таблиц;

• деление – позволяет отвечать на вопросы типа: "какие студенты посещают все курсы ?";

• разбиение – позволяет отвечать на вопросы типа: "какие пять служащих в отделе наиболее опла чиваемы ?";

• расширение – добавление новых столбцов в таблицу;

• суммирование – в новой таблице с меньшим, чем в исходной, числом строк, строки получены как агрегирование (например, суммирование по какому-то столбцу) строк исходной.

Помимо "основных" таблиц, "изначально" присутствующих в БД, приведенные операции позволя ют получать выводимые таблицы -"представления", получаемые в результате применения операций.

Другие модели Реляционная модель данных, несмотря на ее достоинства, совсем не идеальна. В ряде случаев она не позволяет ясно (или вовсе) отразить особенности предметной области.

Моделью данных, привлекающей нарастающее внимание с конца 1980-х гг., является объектная, или "объектно-ориентированная" модель. Основными понятиями, с которыми оперирует эта модель, являются следующие:

• объекты, обладающие внутренней структурой и однозначно идентифицируемые уникальным внутрисистемным ключом;

• классы, являющиеся по сути типами объектов;

• операции над объектами одного или разных типов, называемые "методами";

• инкапсуляция структурного и функционального описания объектов, позволяющая разделять внутреннее и внешнее описания (в терминологии предшествовавшего объектному модульного про граммирования – "модульность" объектов);

• наследуемость внешних свойств объектов на основе соотношения "класс-подкласс".

К достоинствам объектно-ориентированной модели относят:

• возможность для пользователя системы определять свои сколь угодно сложные типы данных (используя имеющийся синтаксис и свойства наследуемости и инкапсуляции);

• наличие наследуемости свойств объектов;

• повторное использование программного описания типов объектов при обращении к другим ти пам, на них ссылающимся.

К объектно-ориентированным СУБД относятся ONTOS, GemStore, UniSQL и др.

Некоторые специалисты основным и главным отличием объектно-ориентированной модели от ре ляционной считают наличие уникального системного идентификатора. Эта разница связана с одним ин тересным семантическим явлением.

Дело в том, что в реляционной модели объект целиком описывается его атрибутами. Если человек в таблице представлен именем и номером телефона, то что происходит после замены номера телефона в существующей строке? Идет ли после этого речь о том же самом человеке или о другом? В реляцион ной модели нет средств получить ответ на этот вопрос;

в объектно-ориентированной его дает неизме нившийся системный идентификатор. С другой стороны, мы можем "заменить" в базе данных одного сотрудника на другого, сохранив все связи и атрибуты прежнего, и при этом системный идентификатор не изменится. Ясно, однако, что подразумеваться будет совсем другой человек.

Еще одной моделью данных, имеющей конкретную реализацию (InfoModeller), является модель "объектов-ролей", предложенная еще в начале 1970-х гг., но востребованная лишь недавно. В отличие от реляционной модели в ней нет атрибутов, а основные понятия – это объекты и роли, описывающие их. Роли могут быть как "изолированные", присущие исключительно какому-нибудь объекту, так и су ществующие как элемент какого-либо отношения между объектами. Модель служит для понятийного моделирования, что отличает ее от реляционной модели. Имеются и другие отличия и интересные осо бенности: например, для нее помимо графического языка разработано подмножество естественного языка, не допускающее неоднозначностей, и, таким образом, пользователь (заказчик) не только общает ся с аналитиком на естественном языке, но и видит представленный на том же языке результат его ра боты по формализации задачи. (Можно заметить, что многие пользователи, в отличие от аналитиков, с трудом разбираются в описывающих их деятельность рисунках и схемах.) Модель "объектов-ролей" сейчас привлекает большое внимание специалистов, однако до промышленных масштабов ее использо вания, сравнимых с двумя предыдущими, ей пока далеко.

Взаимосвязь моделей данных Упомянутые модели данных равносильны в том смысле, что все, выразимое в одной из них, выра зимо в остальных. Различие, однако, составляет то, насколько удобно использовать ту или иную модель проектировщику-человеку для работы с реальными жизненными задачами, и то, насколько эффективно можно реализовать работу с конкретной моделью на ЭВМ.

Геоинформационные системы Развитием методологии баз данных являются геоинформационные системы и технологии.

Пример. Когда вы знакомитесь с новым для вас человеком, то один из первых вопросов часто свя зан с тем местом, где он родился, где живет. По ответу – названию географического региона – вы мно гое можете предположить о характере и привычках нового знакомого, и этот прогноз будет не беспоч венным.

Место обитания накладывает определенный отпечаток на человека. В народной мудрости это отра жается в появлении устойчивых словосочетаний: сибирский характер, южный темперамент, северная сдержанность.

Пример. Если человек из Тюменской области, то он, скорее всего, сможет многое рассказать о неф тедобыче и тайге, если из Волгоградской – об истории Сталинградской битвы и особенностях выращи вания бахчевых культур.

Это лишь небольшие примеры, которые демонстрируют, что география тесно взаимосвязана с исто рией, экономикой, политикой, культурой, демографией, геологией и многими другими сферами науч ной и практической деятельности.

Зная географическое положение какого-либо населенного пункта Земли, можно сделать выводы об уровне жизни населения, структуре занятости, основных экологических проблемах, исторически сло жившихся традициях и пр.

Существуют профессии, для которых карта – основной и часто единственный источник полной, точной и вполне достоверной информации. Это, например, штурманы, военные, строители, дорожники.

Пример. Возьмем проектировщиков шоссейных дорог. Сколько расчетов и прикидок нужно выпол нить им только для того, чтобы выбрать лучший вариант прокладки дороги между двумя населенными пунктами! В этих расчетах приходится учитывать и рельеф местности (крутизна подъемов и спусков), и тип грунтов, и требуемый объем земляных работ, и растительность на трассе (за порубку леса или от чуждение пашни полагается платить), и многое другое. Информацию для расчетов можно получить, или, как говорят географы, снять с крупномасштабной карты местности.

Все реальные материальные объекты (реки и холмы, рощи и плотины) или события, связанные с объектом (полет самолета, изменение русла реки, разрастание города), имеют координаты на поверхно сти Земли и их можно отобразить на карте. Известно, что карта – это очень наглядный способ описания территории.

В наше компьютеризированное время было бы удивительно, если бы компьютеры не использова лись и для отображения карт. С компьютерной картой, которую называют "цифровой" (или "электрон ной"), работать более интересно, чем с бумажной картой. Компьютерная карта имеет по сравнению с бумажной много дополнительных и полезных свойств: ее можно легко масштабировать на экране ком пьютера, двигать в разные стороны, рисовать и уничтожать объекты, печатать в привлекательном виде любые фрагменты территории, выбрав объект мышью, можно запросить компьютер выдать имеющуюся информацию об этом объекте и т.п.

Первое основное направление применения цифровых карт на практике – автоматизация решения сложных и громоздких вычислительных задач в проектировании и строительстве, для транспорта и свя зи, в экологии и чрезвычайных ситуациях, для создания кадастров земель и природных ресурсов.

Второе направление – оперативное отображение обстановки. Прежде всего это важно в военном де ле, но оперативное отображение нужно не только военным. Наблюдать за постоянно меняющейся об становкой должны диспетчеры аэропортов, сотрудники органов гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций и многие другие.

С постоянно меняющейся обстановкой связано и третье направление использования цифровых карт. Речь идет об издании обычных бумажных карт. До сих пор подготовка к изданию даже не очень сложной карты была делом весьма трудоемким – требовалось вручную нанести на пластик ее изобра жение. Затем, при переизданиях, тем же путем вносить произошедшие изменения. Наличие цифровой карты делает этот процесс почти автоматическим. Стоит только указать, какими условными знаками изображать объекты местности, как карта будет готова к выводу. Картографу останется только подпра вить, подчистить (опять-таки на экране) полученное изображение.

Научить машину читать карту значит представить карту в виде, который легко и просто укладывал ся бы в память ЭВМ и был бы доступен анализу с помощью традиционных машинных операций. Мож но поступить так же, как для обработки изображений, т.е. представить карту в виде частой прямоуголь ной сетки точек, каждая из которых кодируется соответствующим цветом, и заложить всю последова тельность этих кодов в память ЭВМ. Казалось бы, сделать это совсем нетрудно. Но как ни бились ки бернетики, научить ЭВМ анализировать совокупность разноцветных точек (ее стали называть растро вой картой) именно как карту, сделать это не удалось. В сущности, проблема машинного чтения карты не менее сложна, чем одна из главных задач искусственного интеллекта – распознавание образов.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.