Материал для дискуссии по направлению «Элементы прикладной информатики»

Как в большинстве наук, в информатике можно условно выделить два важнейших направления: теоретическую информатику и прикладную информатику. В соответствии с современной концепцией структуры предметной области информатики теоретическая информатика, являясь математической дисциплиной, широко использует методы математического моделирования для обработки, передачи и использования информации, создавая тем самым фундамент, на котором покоится все здание информатики.

Прикладная информатика - это огромнейший набор средств информатики, включающий в себя информационно-вычислительную технику, сети и комплексы ЭВМ, технические средства связи и компьютерные телекоммуникационные системы, аудио- и видеосистемы, системы мультимедиа, программные средства, вычислительные и информационные среды. К прикладной информатике принято относить и информационные технологии обучения, проектирования, управления объектами, процессами, системами.

Примером нового подхода к исследованиям в области информатики может служить перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН, в разделе «Технические науки» которого информатика представлена по следующим направлениям:

• Разработка научных основ информатики, информационно-вычислительных систем и сетей, системный анализ.

• Математическое моделирование, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным исследованиям в различных областях знаний.

• Фундаментальные проблемы построения систем автоматизации, математические методы исследования сложных управляющих систем и процессов.

• Проблемы искусственного интеллекта, распознавания образов, принятия решения и экспертные системы.

• Теория информации и управления, информационные процессы в системах и сетях, биоинформатика.

• Параллельные вычисления, системы массового параллелизма, программное обеспечение

• Интегрированные информационно-телекоммуникационные системы и сети.

• Архитектура, системные решения и программное обеспечение информационно-вычислительных комплексов новых поколений.

• Нейроинформатика и оптико-нейронные системы обработки информации.

• Микроэлектроника, наноэлектроника и твердотельная электроника как база развития информатики.

Системный анализ

В современном понимании системный анализ — это синтетическая научная дисциплина, разрабатывающая способы исследования разнообразных сложных систем или ситуаций при нечетко поставленных критериях и принятия решений в условиях анализа большого количества информации различной природы.

Эти способы предполагают учет не только объективной, но и субъективной информации.

При системном подходе используются как математический аппарат (теория принятия решений, теория игр, теория исследования операций), так и методы неформального анализа:

- метод экспертиз;

- метод опроса;

- эвристические методы.

Одним из важнейших направлений развития системных исследований является изучение организационных структур систем и, прежде всего, систем, обладающих иерархической организацией (теория систем).

Второе направление связано с разработкой принципов построения и использования моделей (моделирования), имитирующих протекание реальных процессов, способов объединения таких моделей в системы и представление системы моделей в ЭВМ.

Третье направление — применение методологии системного анализа в конкретных областях. Например, создание систем обеспечения безопасности, руководство и управление производством.

В системном анализе могут быть выделены три основные составляющих:

1)   методология - базовое начало системного анализа; она включает определения базовых понятий, принципы системного подхода, постановку и общую характеристику основных проблем системного исследования

2)  аппаратная реализация, которая подразумевает стандартные процедуры моделирования (процессов и явлений, принятия решений);

3)  опыт применения; эта область чрезвычайно обширна, поскольку системность исследований необходима для таких отраслей, как биология, экология, психология, медицина, социология, управление государством, регионом и др.

Использование вычислительной техники. Речь идет об использовании ЭВМ при решении системных задач, т.е. о взаимодействии человека и ЭВМ. Можно выделить три стороны этого взаимодействия:

1)  партнерство в выполнении операций (диалог с ЭВМ); диалог в виде вопросов и ответов присутствует в любой информационной базе, является удобным при работе с имитационными моделями;

2) программирование, создание программных средств, программного продукта (от решения квадратного уравнения до программы расчета динамики посадки самолета, космического аппарата и др.)

3)  оценка человеком решения или другой информации, полученной с помощью ЭВМ и выработка указаний для использования результатов исследования на практике. Есть специальный термин: «лицо, принимающее решение (ЛПР)». Владение аппаратом системного анализа невозможно без умения определять тактику и стратегию использования ЭВМ, баз данных, вычислительных сетей. Зачастую это умение напрямую определяет успех системного исследования.

Элементом системы называется некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающих рядом важных для нас свойств, но внутреннее содержание (строение) которого безотносительно к цели рассмотрения (например, элемент — исходное или не анализируемое далее событие в дереве отказов).

Система — совокупность элементов, обладающая следующими признаками:

а) связями, которые позволяют посредством перехода по ним от элемента к элементу соединить два любых элемента совокупности (связность системы);

б) свойством (назначением, функцией), отличным от свойств (или суммы свойств), отдельных элементов совокупности; это свойство также называется эмерджентностью (функция системы), которой, в свою очередь, можно дать следующее определение: эмерджентность — особенность систем, состоящая в том, что свойства системы не сводятся к совокупности свойств частей, из которых она состоит и не выводятся из них.

Таким образом, имеем два признака системы: связность и функцию.

Большая система — система, состоящая из значительного числа однотипных элементов и связей.

Сложная система — система, состоящая из элементов разных типов и обладающая разнородными связями между ними.

Структура системы — расчленение ее на группы элементов с указанием связей между ними, неизменное на все время рассмотрения и дающее представление о системе в целом.

Расчленение системы может иметь различную основу:

- материальную (вещественную);

- функциональную;

- алгоритмическую (алгоритм программы, инструкция).

Группы элементов в структуре обычно выделяются по принципу простых или относительно более слабых связей между элементами разных групп. Структура системы обычно изображается в виде графической схемы (структурной схемы).

Структуры других типов;

 - календарь (временная структура);

 - деление книги на главы (информационная структура).

Структура системы может быть охарактеризована по имеющимся в ней (или преобладающим) типам связей:

а) последовательное соединение элементов;

б) параллельное соединение элементов

Обратная связь (результат функционирования элемента влияет на поступающие на него воздействия. Обратная связь выступает важным регулятором в системе.

Крайне редко встречается система без того или иного вида обратной связи.

Близким к понятию структуры является понятие декомпозиции.

Декомпозиция — деление системы на части, удобные для каких-либо операций с этой системой. (пример: рассмотрение физического явления или математическое описание отдельно для данной части системы).

Суть декомпозиции — упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком. Фактически, это важнейшая процедура системный анализ, связанная именно с анализом системы.

Агрегирование — противоположная процедура (процедура синтеза) — объединение частей в целое, установление связей.

Окружение системы. Для того, чтобы дифференцировать, отделить систему от не системы, вводится понятие окружения системы (внешней среды, окружающей среды).

Иерархия — структура с наличием подчиненности, т.е. неравноправных связей между элементами, когда воздействие в одном из направлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другой.

Типичный пример:

Виды иерархических структур: а) древовидные

б) ромбовидная.

Встречаются и другие виды иерархий, например, кольцевая.

Древовидная структура наиболее проста для анализа и реализации.