Информатика (стр. 2 )

Инструментальное ПО предназначено для создания оригинальных программных средств в любой области, включая и системное ПО.

Прикладное ПО составляют пакеты прикладных программ, предназначенные для решения определенного круга задач из различных проблемных областей. Сюда же относится все разработанное многочисленными пользователями ПО.

Прикладное программное обеспечение

Для массового пользователя наибольший интерес представляет прикладное ПО, позволяющее непосредственно решать задачи из его предметной области. Наиболее типичными классами ПС, ориентированными на широкое применение, являются:

·  средства обработки текстовой информации;

·  средства обработки графической информации;

·  средства численных и символьных вычислений;

·  электронные таблицы;

·  системы управления базами данных;

·  системы управления базами знаний и экспертные системы;

·  системы распознавания образов и принятия решений;

·  средства компьютерной коммуникации.

Средства обработки текстовой информации

Средства данного класса являются одной из составляющих компонент

автоматизации учрежденческой деятельности, позволяя пользователю с максимальными удобствами создавать высококачественные документы. В настоящее время существует достаточное разнообразие систем обработки, начиная от простейших текстовых редакторов, и кончая специализированными издательскими системами.

Однако средства обработки текстовой информации, несмотря на широкий спектр, обеспечивают следующие основные функции:

·  создание и редактирование текстового документа, включая: вставки, удаления, копирование, перемещение текста в документе, поиск и замену элементов в документе, добавление в документ текстовой и графической информации:

·  форматирование и распечатку документов с выбором размера бумаги и форматов, а также с указанием числа копий и выводимой части документа;

·  выравнивание документа по указанным границам с автоматической обработкой переноса строк;

·  возможность создания документа по стандартному шаблону;

·  использование различных шрифтов, стилей и т. д.;

·  размещение в документе таблиц, диаграмм, рисунков, фотографий и т. д.,

·  а также ряд других функций, состав которых определяется уровнем и назначением конкретного ПС.

Среди средств, обеспечивающих обработку текстовых документов на ПК в организациях, офисах, учреждениях и т. д., лидирующие позиции занимает широко известный пакет Ms Word фирмы Microsoft.

В настоящее время при интенсивном развитии компьютерной телекоммуникации весьма актуальной является проблема в использовании электронных публикаций, а также подготовки такого типа материалов для широкого распространения в глобальных компьютерных сетях. Для этих целей существует ряд развитых средств, среди которых можно выделить популярный пакет Acrobat фирмы Adobe System Inc. Пакет обеспечивает доступ к электронным документам PDP – формата (Portable Document Format) в их оригинальной форме независимо от компьютерной платформы, позволяя искать, читать, редактировать, печатать, создавать PDP-файлы.

Средства обработки графической информации

Используемые методы обработки графической информации существенно определяются аппаратными средствами отображения ее на экране. Имеется два типа визуализации графических объектов (ГО):

·  Векторный – световой луч движется по экрану вдоль рисуемой по определенному алгоритму линии. Таким образом, векторный подход характеризуется динамическим формированием на экране объекта по его программному описанию, сформированному посредством графических примитивов;

·  Растровый – ГО воспроизводится посредством последовательного сканирования световым лучом его шаблона, т. е. без вычерчивания каждой линии непрерывным движением. Растровый подход отображает на экран весь ГО целиком на основе его шаблона, созданного посредством графических примитивов и находящегося в видеопамяти дисплея и выводящегося в режиме регенерации. Выводимое на экран изображение представляет собой 2-мерный массив пикселей (пиксельная матрица) – элементов графического изображения, несущих информацию о яркости и цвете элементарного участка изображения. Для представления одного пикселя требуется до двух байт информации.

Существующие пакеты используют следующие основные технологические методы создания графических объектов:

1.  Команда - параметры – этим методом выбора команд и задания им соответствующих параметров пользуется известный пакет AutoCAD для разработки средств технического черчения;

2.  Команда - инструмент – этим методом выбора команд и/или рисовальных инструментов пользуются пакеты типа Paintbrush, редактирующие битовые ГО, полученные сканированием или вводом с магнитных носителей. Данный метод использует также известный пакет Adobe Photoshop, имеющий расширенные возможности выделения областей и цветового редактирования. Это пакеты растровой графики, используемые в основном для редактирования фотоизображений;

3.  Команда – символ - инструмент – этим методом выбора команд, инструментов и готовых графических изображений (символов) пользуются многочисленные пакеты типа CorelDRAW – пакеты векторной графики. Их используют в иллюстративных целях (рекламные заставки, фирменные знаки, оформительские материалы), а также в качестве относительно простых графических редакторов.

Средства численных и символьных вычислений

В настоящее время ПС, ориентированные на решение математических задач (под математической понимается задача, алгоритм которой может описан в терминах того или иного раздела математики) весьма обширны и условно могут быть разбиты на пять уровней:

1.  Встроенные средства различной степени развития той или иной системы программирования – Basic, Pascal, C;

2.  Специальные языки высокого уровня – Simula, Prolog;

3.  Узкоспециальные пакеты – библиотеки математических подпрограмм,

пакеты, MacMath, Eureka;

4.  Специальные пакеты – S-Plus, SAS, Dynamics;

5.  Общие пакеты – MathCAD, Derive, MATLAB, Mathematica, Maple;

Пакеты 5-го уровня поддерживают как числовые, так и символьные вычисления, позволяя эффективно решать задачи из многих разделов современной математики и математические задачи в указанном понимании из других областей. Они также предоставляют пользователю широкие возможности по работе с текстовой, графической и иллюстративной информацией.

Табличная обработка информации (электронные таблицы)

С появлением класса ПК широкое распространение получила группа пакетов обработки электронных таблиц (spreadsheet –крупноформатная таблица), позволяющая решать широкий круг научно-технических, планово-экономических, учетно-статистических и других задач, для которых исходные данные и результаты обработки могут быть представлены в табличной форме.

Под электронными таблицами понимают программные средства обработки крупноформатных электронных динамических таблиц. Средства данного типа обрабатывают таблицы, состоящие из строк и столбцов, на пересечении которых располагаются клетки. Каждая клетка такой таблицы может содержать числовое значение, дату, формулу или текст. Клетки идентифицируются номерами, состоящими из номера строки и номера столбца, например: А12,S5 и т. д. Значение в числовой клетке может быть записано или вычислено по ассоциируемой с данной клеткой формулой. В формуле могут присутствовать ссылки на другие клетки таблицы. Каждый раз при изменении значения в клетке таблицы, перевычисляются значения всех тех клеток, которые содержат величины, зависящие от изменяемой клетки.

Общей характерной чертой всех электронных таблиц является использование экрана в качестве окна обзора таблицы целиком либо по выбранным ее участкам. Если число строк и столбцов слишком велико, то окно обзора можно перемещать по таблице по горизонтали и вертикали, обозревая ее невидимые части. Для изменения какого-либо значения достаточно поместить курсор в соответствующую клетку таблицы и ввести с клавиатуры новое значение. В электронных таблицах есть средства для графического отображения результатов обработки.

Наиболее известными и популярными являются пакеты Lotus 1-2-3, Quattro Pro, SuperCalc, Ms Excel.

Системы управления базами данных (СУБД)

Основные идеи современной информационной технологии базируются на концепции баз данных (БД). Согласно этой концепции основой информационной технологии являются данные, организованные в БД, адекватно отражающие реалии действительности в той или иной предметной области. Первые БД появились уже при 1-м поколении ВТ, представляя собой отдельные файлы данных или их простые совокупности. В конце 60-х годов появились первые коммерческие СУБД, поддерживающие организацию и ведение БД.

Основные положения

БД представляют собой совокупность взаимосвязанных файлов данных определенной организации. Каждый файл, входящий в БД, содержит определенное число однотипных записей, отражающих ту или иную сторону предметной области, на которую ориентирована БД. Записи, в свою очередь, состоят из полей, представляющих определенные типы информации об объектах. Поле является наименьшей информационной единицей, непосредственно доступной в записи.

Пользователями БД являются четыре основные категории потребителей ее информации и/или поставщиков информации для нее:

·  конечные пользователи;

·  программисты или системные аналитики;

·  персонал поддержки БД в рабочем состоянии;

·  администратор БД.

Конечным пользователям для обеспечения доступа к информации БД предоставляется графический интерфейс в виде системы окон с функциональными меню, позволяющими легко получать необходимую информацию на экран и/или принтер в виде удобно оформленных отчетов.

Для определения и обращения к файловой совокупности используются средства системы управления БД (СУБД). Она представляет собой совокупность лингвистических и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. СУБД является средством обработки на языке базы данных обращений к БД от прикладных программ и/или конечных пользователей. Таким образом, СУБД имеет свойства, характерные как для компиляторов, так и для ОС.

Архитектура СУБД

Большинство современных СУБД включает пять основных компонент:

1. Языки описания данных – описание структур файлов БД, записей файлов и их полей данных;

2.  Языки работы с БД - получение ответа на санкционированный

запрос пользователей или БД-приложения;

3.  Общие утилиты для БД – выполнение общих процедур по

поддержанию БД в актуальном состоянии;

4.  Генераторы БД-приложений – создание модульных систем

решения задач пользователя по работе с БД;

5. Генераторы отчетов – вывод результатов работы в виде отчетов

Каждая СУБД поддерживает определенные типы даталогических моделей (модели данных).

Иерархическая и сетевая даталогические модели СУБД

Под даталогической понимается модель, отражающая логические взаимосвязи между элементами данных безотносительно их содержания и физической организации. Для конкретной реализации даталогической модели проектируется физическая модель, отображающая ее на конкретные программные и аппаратные средства. Наполненная конкретной информацией физическая модель и составляет собственно БД. Система, обеспечивающая соответствующее функционирование указанных компонент, и составляет суть конкретной СУБД.

Обычно различают три класса СУБД, обеспечивающих работу иерархических, сетевых и реляционных моделей. Каждая из этих моделей обладает характеристиками, делающими ее наиболее удобной для конкретных приложений. Одно из основных различий этих моделей состоит в том, что для иерархических и сетевых СУБД их структура часто не может быть изменена после ввода данных, тогда как для реляционных СУБД структура может меняться в любое время. Поэтому для больших БД, структура которых длительное время остается неизменной, иерархические и сетевые СУБД могут оказаться эффективными, т. к. они могут обеспечить более быстрый доступ к информации, чем реляционные СУБД.

Предварительно рассмотрим файловую модель, неправомерно относимую довольно часто к СУБД. Файловая модель представляет собой набор файлов данных определенной структуры, но связь между данными этих файлов отсутствует. Естественно, программные средства обеспечивающие работу с таким образом организованной информационной базой могут устанавливать связь между данными ее файлов, но на концептуальном уровне файлы модели являются независимыми. Системы, обеспечивающие работу с файловыми информационными базами, называются системами управления файлами. Такие системы обычно поддерживают работу с небольшим числом файлов, содержащих ограниченное число записей с небольшим количеством полей.

Иерархические модели СУБД имеют древовидную структуру, когда каждому узлу структуры соответствует один сегмент, представляющий собой поименованный линейный набор (кортеж) полей данных. Каждому сегменту, кроме S1-корневого, соответствует один входной и несколько выходных сегментов. Каждый сегмент структуры лежит на единственном иерархическом пути, начинающемся от корневого сегмента.

S1

 

S11 S12 S13

 

S111 S112 S113 S121 S122 S123 S131 S132

Структура иерархической СУБД

Так как в иерархической модели каждому входному сегменту соответствует N выходных, то такие модели удобны для представления отношений типа 1:N в предметной области.

Сетевая модель СУБД во многом подобна иерархической, только здесь допускается не один, а несколько входных сегментов, наряду с возможностью наличия сегментов без входов с точки зрения иерархической структуры. S1 S2

 

S11 S12 S23

 

S111 S112 S113 S121 S122 S223 S231 S232

Сетевая структура, полученная на основе модификации предыдущей

иерархической структуры

Графическое изображение структуры связей сегментов в такого типа моделях представляет собой сеть. Сегменты данных в сетевых БД могут иметь множественные связи с сегментами старшего уровня. Таким образом, под сетевой СУБД понимается система, поддерживающая сетевую организацию: любая запись, называемая записью старшего уровня, может содержать данные, которые относятся к набору других записей, называемых записями подчиненного уровня. В рамках сетевых СУБД легко реализуются и иерархические даталогические модели. Сетевые СУБД поддерживают сложные соотношения между типами данных, что делает их пригодными во многих различных приложениях. Однако пользователи таких СУБД ограничены связями, определенными для них разработчиками БД-приложений.

Реляционные даталогические модели СУБД

СУБД реляционного типа являются наиболее распространенными во всех классах ВТ, а на ПК занимают доминирующее положение. Реляционной называется СУБД, в которой средства управления БД поддерживают реляционную модель данных. Концепция реляционной модели была предложена в 1970 г. Е. Коддом. Данная модель позволяет определять:

а) операции по запоминанию и поиску данных;

б) ограничения, связанные с обеспечением целостности данных.

Реляционная модель основана на математическом понятии отношения, расширенном за счет добавления специальной терминологии и развития соответствующей теории. В такой модели общая структура данных (отношение) может быть представлена в виде таблицы, в которой каждая строка значений (кортеж) соответствует логической записи, а заголовки столбцов являются названиями полей (элементов) записи. Операции запоминания и поиска делятся на две группы: операции на множествах (объединение, пересечение, разность, декартово произведение) и реляционные операции (выбрать, спроецировать, соединить, разделить).

Многие реляционные СУБД представляют файлы БД для пользователей в табличном формате – с записями в качестве строк и их полями в качестве столбцов. Однако в БД на физическом уровне данные хранятся, как правило, в файлах, содержащих последовательности записей. Со структурной точки зрения реляционные модели являются более простыми и однородными, чем иерархические и сетевые. В реляционной модели каждому объекту предметной области соответствует одно или более отношений.

Суть реляционной СУБД можно пояснить на следующем примере. В некоторой реляционной БД (РБД) имеются два файла студентов и групп ТЭФ, каждый из которых содержит определенное число записей, состоящих из фиксированного числа полей (соответственно 4 и 5), представляющих данные по соответствующим элементам предметной области:

Файл студентов ТЭФ РБД

Фамилия	Адрес	Телефон	Курс
Аладьев	Прокопьевск	5-60-78	1
Иванов	Томск		3
Шишаков	Юрга	2-43-55	5
……	…….	…….	…….

Файл групп ТЭФ РБД

Номер группы	Фамилия	Форма обучения	Стипендия	Общежитие
6411	Аладьев	бюджетная	да	проживает
6291	Иванов	платная	да	нет
6472	Шишаков	бюджетная	нет	проживает
……	…….	…….	…….	…….

Можно сказать, что определены два отношения (файла), имеющие общий элемент – значение поля Фамилия. Операции реляционной алгебры могут объединять два типа записей по общему элементу. Например, в результате соединения запись Иванов может представиться в следующем виде:

<Иванов> <Томск> <> <3> <6291> <платная> <да> <нет>

Связь между записями допускается по нескольким полям, это позволят

образовывать достаточно сложные операции.

Реляционная СУБД должна четко отслеживать взаимосвязи записей в БД во избежание потери и искажения информации. С этой целью СУБД постоянно пересчитывает число связей для каждой записи БД в прямом и обратном направлениях, требует существенных временных затрат для больших БД.

В настоящее время БД-технология стала проникать и в программные средства другого назначения (электронные таблицы, интегрированные и статистические пакеты и т. д.).

Разработано большое число различного назначения СУБД, которые позволяют создавать и эксплуатировать системы БД на всех классах и типах компьютеров, поддерживая различные даталогические модели и обеспечивая нужды широкого круга приложений.

Популярные СУБД

СУБД	Тип модели БД	Язык запросов
Clipper	Сетевая	Собственный
dBase	Реляционная	DQL
FoxPro	Сетевая	Собственный
Reflex	Файловая	Собственный
ORACLE	Реляционная	SQL

Системы управления базами знаний и экспертные системы

Задачи на принятие решений по тем или иным критериям возникают повсюду в нашей жизни. Современные методы решения задач подобного типа составляют одну из важнейших прикладных компонент теории искусственного интеллекта (ИИ). Компьютерной поддержкой для решения задач по принятию решений явились экспертные системы (ЭС) и системы представления различного рода знаний (СПЗ).

В современных ИИ - системах знания хранятся в специальных БД – базах знаний (БЗ). Если БД содержит собственно данные о некоторой предметной области, то БЗ содержит как сами данные, так и описание их свойств. Процесс построения БЗ на основе информации эксперта состоит из трех этапов: описания предметной области, выбора способа и модели представления знаний и приобретения знаний. Сам процесс построения БЗ достаточно сложен, плохо структурирован и носит итеративный характер, заключающийся в циклической модификации БЗ на основе результатов ее тестирования.

В общем случае ЭС состоит из БД и/ или БЗ и программного обеспечения, поддерживающего данные базы в актуальном состоянии и симулирующие знания и аналитические способности эксперта в конкретной предметной области. Первые ЭС были разработаны для задач медицинской диагностики, и число таких систем постоянно растет. Вторым классом задач, хорошо отвечающим ЭС-технологии, являются задачи по принятию решений в случае, когда в прикладной области имеется ограниченное число высоко квалифицированных экспертов. К третьему классу задач, стимулирующих создание ЭС, относятся задачи, требующие постоянного и длительного по времени принятия решений в трудных или экстремальных условиях (например, в нефте и газо - добыче).

ЭС широко используются в таких прикладных областях, как: медицинская и техническая диагностика, планирование, прогнозирование, мониторинг, интерпретация результатов наблюдений, контроль и управление, обучение и др.

Вместе с тем следует четко представлять основные ограничения, присущие даже самым интеллектуальным ЭС. Многие ЭС в полном объеме доступны только для создателей их БЗ. Серьезной проблемой является вопрос адекватного отображения знаний эксперта в формальном виде. Кроме того, компьютер полностью лишен интуиции, играющей чрезвычайно важную роль в принятии решений.

В настоящее время на рынке ПС находится свыше 6000 различного назначения и уровня ЭС и инструментальных средств для их разработки и число это постоянно увеличивается наряду с ростом числа разработчиков ПС данного типа.

Рассмотрим архитектуру современной типовой экспертной системы.

 

Архитектура современной типовой экспертной системы

Общая схема взаимодействия пользователя с ЭС сводится к следующему. После создания конкретной ЭС в результате совместной работы инженера базы знаний и эксперта (при главенствующей роли первого) взаимодействие пользователя с системой производится через интерфейс на некотором языке близком к естественному или профессиональному языку предметной области, на которую ориентирована данная ЭС. В интерфейсной компоненте ЭС производится трансляция предложений этого языка во внутренний язык представления знаний системы. Описание запроса на этом языке поступает в подсистему логического вывода, которая на основе информации из БЗ генерирует рекомендации по решению поставленного вопроса. Основу БЗ составляют формально представленные в ней факты и правила модели предметной области. Посредством подсистемы объяснений производится отображение промежуточных и окончательных выводов и объяснений производимых системой процедур. Тогда как подсистема приобретения знаний обеспечивает поддержку обучения системы как в процессе создания ее БЗ, так и в процессе работы с ней. Основным ее назначением является погружение знаний о предметной области в БЗ. Работа пользователя с подсистемами приобретения знаний и объяснений производится в рамках развитого интерфейса, ориентированного на диалоговый режим.

Можно отметить ряд наиболее интересных экспертных систем:

·  PROSPECTOR, MYCIN, DENDRAL (находились у истоков развития знание-ориентированных компьютерных систем и ныне являются классическими);

·  GENESIS, MACSYMA, METHODS и др. (достаточно широко распространены в США и других странах);