информатика

С. Бешенков, Н. Кузьмина, Е. Ракитина

СИСТЕМАТИЧЕСКИЙ КУРС

11 класс

Для классов гуманитарного профиля

Допущено

Министерством образования

Российской Федерации

*-

Москва

Бином. Лаборатория Знаний

200 2

ББК 32.97

УДК 004.9

Б 57

Бешенков С.А.

Б 57 Информатика. Систематический курс. Учебник для

11 класса гуманитарного профиля / С. А. Бешенков, Н. В. Кузьмина, Е. А, Ракитина. — М.: Бином. Лабора­тория Знаний, 2002. — 200 с: ил. ISBN 5-94774-020-6

Учебник предназначен для изучения информатики в старших клас­сах гуманитарного профиля. Впервые информатика рассматривается как существенный элемент гуманитарной культуры человека. Учебник развивает и углубляет основные положения базового курса информати­ки.

Учебно-методический комплект, в который входит данный учеб­ник, содержит практикум и несколько методических пособий для пре­подавателей информатики.

УДК 004.9 ББК 32.97

Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизве­дена в любой форме или любыми средствами, электронными или механически­ми, включая фотографирование, магнитную запись или иные средства копиро­вания или сохранения информации без письменного разрешения издательства.

© Бешенков С. А., Кузьмина Н. В.,
Ракитина Е. А., 2002
ISBN 5-94774-020-6 © Бином. Лаборатория Знаний, 2002

По вопросам приобретения обращаться: (095) 955-03-98, e-mail: [email protected]

Предисловие 4

Глава 1. Информационные системы 7

§1.1. Определение понятия система. Сущность системного

подхода 7

§ 1.2. Системный анализ как метод научного познания... 19 § 1.3. Информационные системы. Автоматизированные

информационные системы 31

Глава 2. Программное обеспечение компьютера

как автоматизированная информационная
система 42

§ 2.1. Программное обеспечение компьютера

как информационная система 42

§ 2.2. Системное программное обеспечение 52

§ 2.3. Системы автоматизированного хранения

информации. Базы данных, СУБД 64

§ 2.4. Геоинформационные системы 78

§ 2.5. Системы искусственного интеллекта 90

Глава 3. Информационые основы управления 108

§ 3.1. Общие принципы управления 109

§ 3.2. Виды управления 121

§ 3.3. Автоматизированные системы управления 134

§ 3.4. Самоуправляющиеся системы 146

§ 3.5. Устойчивость систем с позиций управления 157

Глава 4. Методы информатики. Компьютерный

эксперимент 169

§ 4.1. Системный анализ и информационное

моделирование как методы научного познания... 170 § 4.2. Компьютерное моделирование. Компьютерный

эксперимент 181

Заключение. Информационная цивилизация 196

Современное общество идет к глобальной информацион­ной цивилизации, в которой информация становится «средой обитания» человека, а информационная деятель­ность — главным фактором общественного развития.

В этих условиях общеобразовательный курс информати­ки выполняет следующие основные задачи.

В плане социализации — курс должен помочь обучаемым сохранить свою личность в окружающей их информацион­ной техносфере, помочь предотвратить скатывание к «тех­ногенному» человеку, выполняющему действия по заданной инструкции. Это предполагает:

• получение знаний, позволяющих преодолеть психологи­ческий дискомфорт, возникающий в связи с необходимо­стью перерабатывать, осмыслять и оценивать огромные объемы информации;
• понимание диалектики взаимоотношения действительно­го и виртуального миров, умение сохранить целостность своего «Я».

Вместе с тем курс информатики должен обеспечить овла­дение современными информационными технологиями, ко­торые являются необходимым инструментом профессиона­льной деятельности, а также необходимой ступенью для продолжения образования.

Эти задачи могут быть в значительной мере решены, если сформировать представления о ряде фундаментальных идей, которые «управляют» современным миром. Таких идей в сути только три: «формализация и моделирование», «авто­матизация », « управление ».

Кратко прокомментируем эти идеи.

Идея формализации, построения и изучения моделей — основа современного научного метода. Любая наука имеет дело с моделями. Казалось бы, при чем здесь информатика? Однако еще на заре становления европейской науки Г. В. Лейбницем была сформулирована мысль, что познание сути вещей равносильно раскрытию ее внутренней формы. Одной из основных задач информатики как раз и является всестороннее изучение этих форм, то есть информационных моделей.

Вторая и третья идеи непосредственно примыкают к первой.

Цель науки, как это хорошо известно, заключается не в созерцании, а в создании механизмов управления природой и обществом. Управлять, разумеется, можно по-разному. Однако наибольшую значимость с точки зрения информати­ки приобретает управление посредством автоматизации. В свою очередь, чтобы автоматизировать надо сначала форма­лизовать, то есть выделить некоторую форму, структуру. Та­ким образом, круг замкнулся, и мы снова возвращаемся к информационным моделям.

Эти основные идеи информатики представлены в преде­льно общем, почти философском ключе. В действительно­сти, они уже давно и прочно вошли в «прозу» нашей жизни. Например, что мы делаем, когда формулируем свои мысли, оформляем отчеты, заполняем всевозможные формуляры и пр. — по сути, строим информационные модели. Посылая младшего брата в магазин, вы стараетесь, по возможности, «автоматизировать» его действия, чтобы получить заданный результат. Наконец, садясь за компьютер, вывешивая объ­явление, вы в действительности, осуществляете «управле­ние».

Эти три идеи и легли в основу построения «Систематиче­ского курса».

В первой части учебника (10 класс) подробно изучались два направления: «Информация и информационные процес­сы» и «Моделирование и формализация», а также темы, не­посредственно связанные с автоматизацией информацион­ных процессов: «Компьютер как средство обработки информации», «Информационные технологии».

Во второй части (11 класс) акцент сделан на информаци­онных основах управления. Это, в свою очередь потребовало изучение информационных систем, которые, с одной сторо­ны являются «пространством» развертывания информаци­онных процессов, с другой являются основным понятием при изучении информационных основ управления.

Последняя глава учебника посвящена методам информа­тики, которые, собственного говоря, и связывают информа­тику с другими предметами и являются основой примене­ния компьютера к широкому спектру практических задач. К этим методам относятся, в первую очередь: системный анализ, информационное моделирование и компьютерный эксперимент. Учитывая, что методы системного анализа и информационного моделирования уже изучались в соответ-

ствующих главах, основное внимание уделяется именно компьютерному эксперименту.

Методические принципы построения учебника остаются прежними.

Каждая глава традиционно состоит из параграфов. Каж­дый параграф, независимо от содержания, разбивается на уровни усвоения. Уровень «понимать» предполагает знаком­ство с учебным материалом на уровне ассоциативных свя­зей. Уровень «знать» фиксирует то, что необходимо держать «в голове», и то, что «должно остаться, когда все остальное забудется». Наконец, уровень «уметь» предполагает владе­ния навыками решения различных задач — от типовых, до творческих. Последние составляют содержание уровня «Во­прос-проблема». Изучение параграфа всегда будет более эф­фективным, если его можно немного «оттенить», добавив интересный факт» и посмотрев на него более широко (уро­вень «Расширь свой кругозор»).

1.1. Определение понятия система. Сущность системного подхода

Понятие «система» является вполне привычным и интуи­тивно понятным. Оно используется в различных областях знания и в самых разных контекстах. Содержание этого по­нятия так же, как и содержания понятий «информация», «модель», «управление», очень многогранно.

Понятие системы мы применяем:

• к реальным физическим объектам (Солнечная система, молекула как система атомов, компьютер как совокуп­ность аппаратного и программного обеспечения);
• к абстрактным объектам, являющимися продуктами тео­ретического обобщения (система счисления, система син­таксических правил русского языка, периодическая сис­тема элементов Д. И. Менделеева);
• к процессам, включающим человеческую деятельность (система образования, система подготовки авиадиспетче­ров, система телевещания, система работы актера над со­бой К. С. Станиславского).

Общим для всех систем является то, что они состоят из элементов, эти элементы связаны между собой, все вместе они выполняют общие функции, что позволяет рассматри­вать их как единое целое.

Пример. Все следующие объекты можно рассматривать как систе­мы: кристалл как система атомов, живой организм как система живых клеток, компьютер, коллектив класса, промышленное предприятие, телекоммуникационная сеть, научная теория, Вселенная как система звёзд и планет.

Согласно общей теории систем любой реальный объект (предмет, явление, событие) можно рассматривать как сис­тему. В то же время любую систему можно рассматривать как самостоятельный объект. Возникает вопрос: может быть, понятия «объект» и «система» — синонимы? И да, и нет. Они употребляются в разных контекстах, отражают разные взгляды на объект.

Пример. Когда вы говорите: «Пойду поработаю на компьютере» или «Компьютер — это не игрушка», то относитесь к компьютеру как к объекту. А в высказываниях «Основ­ными устройствами компьютера являются процессор, память, системная шина, устройства ввода-вывода» или «Компьютер — это совокупность аппаратного и програм­много обеспечения» компьютер рассматривается как си­стема. Нередко уже в названиях объектов отражается их систем­ный характер, то есть то, что они состоят из взаимосвязан­ных элементов.

Пример. Названия объектов, в которых отражен системный хар-рактер этих объектов: система отсчета, система охлажде­ния двигателя, банковская система, система социально­го обеспечения, операционная система ЭВМ, система не­равенств, сердечно-сосудистая система, система безопас­ности, автоматизированная система управления техно­логическим процессом (АСУТП), файловая система компьютера и так далее.

Чтобы какой-то объект можно было рассматривать как систему, необходимо прежде всего уметь выделять в нем основные составляющие его элементы и взаимосвязи между ними. Причем, связи между элементами могут имет различ­ную природу: физическую, химическую, биологическую, со­циальную и др.

Пример:

Название объекта-системы	Основные элементы	Основные взаимосвязи
Солнечная система	Солнце и планеты	Гравитационные взаимодействия
Промышленное предприятие	Цеха и отделы	Материальные, финансовые и ин­формационные потоки между цеха­ми и отделами
Система линейных уравнений	Отдельные уравнения	Присутствие одних и тех же пере­менных в различных уравнениях
Операционная система	Программные модули	Ссылки, обеспечивающие передачу управления от одного модуля к дру­гому

Совокупность выделенных отношений (взаимосвязей) между элементами системы принято называть структурой системы. Часто структура системы моделируется в виде гра­фа, вершины которого — элементы системы, а ребра — свя­зи между ними.

Пример. На рисунке 1.1.1 изображена структура фразы А.С.Пуш­кина

«Издревле сладостный союз Поэтов меж собой связует», где стрелками показаны непосредственные синтаксиче­ские зависимости.

На рисунке 1.1.2 изображена структура молекулы воды. На рисунке 1.1.3 изображена структура локальной сети, организованной по кольцевому принципу.

Рис. 1.1.1. Структура Рис. 1.1.2. Рис. 1.1.3. Кольцевая

фразы Структура структура локальной

молекулы воды сети

В рамках одной и той же системы в зависимости от реша­емой задачи (поставленной цели исследования) можно выде­лить различные структуры, то есть по-разному провести структуризацию.

Пример. Структурной единицей (элементом) предприятия может быть как цех, так и участок или рабочее место; соответ­ственно меняются и виды связей.

Пример. В системе «школа» можно выделить структуру управле­ния (модель этой структуры представлена на рисунке 1.1.4), структуру параллелей классов (рисунок 1.1.5), структуру профильных классов (рисунок 1.1.6) и др.

Рис. 1.1.4. Фрагмент структуры управления школой

Рис. 1.1.5. Структура «параллелей» школы

Профили		Ступени
	Начальная школа	Среднее звено	Старшие классы
Общеобразовательные классы	1а 2а За 16 26 36	5а 6а 7а 8а 9а 56 66 76
Физико-математические классы		5в 86 96	10а 11а
Классы гуманитарного профиля		6в 7в 8в 9в	106
Классы, занимающиеся по профилю «Информационные техонлогии»	1в	8г9г	10в Ив

Ступени

Профили Начальная Среднее Старшие

школа звено классы

Общеобразовательные классы 1а 2а За 5а 6а 7а 8а 9а

16 26 36 56 66 76

Физико-математические 5в 86 96 10а 11а
классы

Классы гуманитарного 6в 7в 8в 9в 106
профиля

Классы, занимающиеся по 1в 8г9г 10в Ив

профилю «Информационные

техонлогии» |

Рис. 1.1.6. Структура профильных классов школы

Отличительной особенностью системы является наличие У нее таких качеств или функций, которые не свойственны ни одному ее элементу, ни одной ее подсистеме, взятым в отдель­ности. Это свойство системы называется эмерджентностью.

Пример. Если телевизор или радиоприемник разобрать на части, то они не смогут выполнять функции по приему и транс­ляции теле- и радиопередач.

Пример. Глаэы романа по отдельности не передают сюжета и за­мысла автора во всей его полноте.

Пример. Учительский коллектив, администрация школы, учеб­ники и учебные пособия, программы обучения, родите­ли, школьные помещения, оборудование кабинетов и т.д., взятые по отдельности, не могут обеспечить образо­вательный процесс.

Пример. Каждый из учеников вашего класса имеет свой харак­тер, индивидуальные особенности. У класса, как единого коллектива, тоже есть свой неповторимый «характер», присущие ему свойства и особенности, которые невоз­можно напрямую связать с особенностяим составляю­щих класс учеников. Это и есть одно из проявлений свойства эмерджентости.

Системы можно сравнивать между собой. Параметры, по которым оценивается система, выбираются в зависимости от целей сравнения. Оценки могут быть количественными и ка­чественными.

Пример. Два класса могут сравниваться по количеству учеников, успеваемости, по результатам спортивных состязаний и пр.

Пример. Компьютеры можно сравнивать по производительности, но­визне установленных программных средств, дизайну и пр.

Пример. Параметрами литературного произведения могут быть-" жанр, количество персонажей, динамизм действий, вы­раженность авторской позиции и пр.

Пример. Параметрами справочной системы могут быть: коли­чество содержащихся в ней документов, удобство поль­зования, полнота отражения данной области действите­льности, периодичность ее обновления и пр. Если какой-то параметр системы изменяется, то это свиде­тельствует о протекании в ней каких-то процессов. Измене­ние значения параметра — это, по сути, результат процесса.

Пример. Успеваемость класса выросла. Это может свидетельство­вать, в частности, о возрастании интереса учеников к учебе.

Пример. Количество документов, содержащихся в справочной си­стеме, увеличилось. Это результат выполнения процедур ввода новых документов, их размещения в хранилище, изменения каталога системы.

Очевидно, что понятие «процесс» тесно связано с поняти­ем «изменение параметров системы». Это можно сформули­ровать следующим образом: под процессом понимается упо­рядоченная последовательность состояний системы. Упорядоченность чаще всего определяется в связи с вре­менными характеристиками, то есть изменением того или иного параметра с течением времени.

Изменение состава и структуры системы — удаление или добавление элементов или связей — это результат каких-то процессов. Заметим, что удаление элемента системы или по­явление нового всегда приводят к изменению взаимосвязей. Изменение взаимосвязей (например, ослабление или резкое усиление связи между какими-то элементами) влечет за со­бой изменение значений параметров системы.

Системы бывают самых разных видов:

• материальные и информационные (абстрактные);
• простые и сложные;
• естественные и искусственные (конструктивные);
• неорганические и органические;
• статичные и динамичные;
• детерминированные (вполне определенные) и стохастиче­ские (вероятностные);
• замкнутые и открытые;
• стационарные и нестационарные;
• стабильные и нестабильные;
• устойчивые и изменяющиеся;
• развивающиеся и деградирующие.

Эти и другие аспекты изучаются в таких отраслях науч­ного знания как системный анализ, общая теория систем, синергетика и пр.

Согласно общей теории систем любой реальный объект можно рассматривать как единое целое. В этом суть систем­ного подхода.

Объект становится для нас системой, когда мы рассмат­риваем его с какой-либо вполне определенной целью, дости­жение которой невозможно без анализа его состава, структу­ры и функций.

Система — это:

• внутренне организованная целостность, элементы кото­рой взаимосвязаны так, что возникает, как минимум, одно новое интегративное качество, не свойственное ни одному из элементов этой целостности;
• организованное множество структурных элементов, взаи­мосвязанных и выполняющих определенные функции;
• любой объект, который одновременно рассматривается и как единое целое, и как совокупность разнородных эле­ментов (объектов), объединенных для достижения опре­деленного результата.

Элемент системы — составная часть системы, объект, вы­полняющий определенные функции в системе и в рамках данной задачи не подлежащий дальнейшему делению на ча­сти. В зависимости от вида системы элементами системы мо­гут быть предметы, свойства, состояния, связи, отношения, этапы, циклы, уровни функционирования и развития.

Структура системы — внутренняя организация системы, способ взаимосвязи и взаимодействия элементов, составляю­щих систему.

Структуризация — выделение в системе элементов и свя­зей между элементами, то есть определение того, как эле­менты соотносятся друг с другом.

Подсистема — совокупность элементов системы (чаще всего с их взаимосвязями). Этот термин используется для обозначения самостоятельной (допускающей относительное обособление) части системы, цель которой подчинена цели функционирования системы в целом.

Декомпозиция системы — разбиение системы на подсис­темы.

Свойства системы;

1. Целостность и делимость. С одной стороны, система — это совокупность объектов, которые могут быть рассмот­рены как единое целое, мысленно ограниченное в про­странстве или времени. С другой стороны, в системе мо­гут быть выделены составляющие ее элементы. Удаление из системы элемента изменяет ее свойства.

2. Структурность (взаимосвязность элементов). Характе­ристики системы, ее поведение зависят не только от свойств составляющих ее элементов, но и от способа их взаимосвязи, то есть от структуры системы.
3. Неоднозначность соответствия «система — струк­тура системы». Поскольку структура — это только не­которая характеристика системы, то в зависимости от це­лей системы, можно выделить разные связи, признаки и свойства системы в качестве структурных. То есть в об­щем случае однозначного соответствия между системой и ее структурой нет.
4. Интегративность. Системе присущи интегративные (системные) свойства, которые не свойственны ни одному из ее элементов в отдельности, но зависят от их свойств.
5. Иерархичность. При изменении цели (задач) исследова­ния каждый элемент или совокупность нескольких эле­ментов системы могут рассматриваться как новые систе­мы (подсистемы), а исследуемая система — как элемент более широкой системы (надсистемы).
6. Взаимодействие со средой. Система проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой.

Всестороннее исследование системы (особенно большой и сложной), как правило, требует построения множества мо­делей, каждая из которых описывает лишь определенный аспект системы.

Система характеризуется функциями, назначением, вхо­дами и выходами, внутренним состоянием.

Система оценивается определенным набором качествен­ных и количественных показателей — параметров системы.

Наиболее общие типы систем:

• эмпирические, среди которых выделяют:

• неживые (неорганические): физические, химические, геологические и другие системы; особый класс — тех­нические системы, создаваемые человеком;
• живые (органические): все живые организмы от про­стейших биологических организмов до экосистемы Земли в целом;

• абстрактные: системы понятий, системы умозаключений,
системы знаний и представлений, концепции, теории
и пр.

Процесс — упорядоченная последовательность состояний системы.

Изменение качественных или количественных характе­ристик, состава или структуры системы есть результат како­го-либо процесса, протекающего в системе.

Удаление элемента из системы или появление нового все­гда приводят к изменению системных связей.

Изменение связей между элементами влечет за собой из­менение параметров системы, то есть её качественных или количественных характеристик.

Задание 1

Сформулируйте сущность системного подхода применительно к изучению информатики.

Задание 2

Рассмотрите перечисленные в таблице объекты с позиции сис­темного подхода. Выделите их элементы и основные подсисте­мы в зависимости от цели исследования объекта. Заполните таблицу.

Объект	Цель исследования	Основные подсистемы	Элементы системы
Литературное произведение	Подготовить рукопись к типо­графской печати
	Изучить возможность написания сценария по мотивам произведе­ния для будущего фильма
Парк	Оценить влияние на экологию прилегающей территории
	Исследовать возможность прове­дения соревнований по спортив­ному ориентировнию
Виртуальный (электронный) магазин	Приобрести необходимый вам товар
	Создать сайт — виртуальный ма­газин

Объект Цель исследования Основные Элементы

подсистемы системы

Литературное Подготовить рукопись к типо-

произведение графской печати

Изучить возможность написания
сценария по мотивам произведе-
ния для будущего фильма

Парк Оценить влияние на экологию

прилегающей территории

Исследовать возможность прове­дения соревнований по спортив­ному ориентировнию

Виртуальный Приобрести необходимый вам

(электронный) товар

магазин Создать сайт — виртуальный ма-

газин

Задание 3

Определите структуры фраз; постройте модели структур:

а) «Где дело само за себя говорит, к чему слова»;

б) «Истинный друг познается в беде»;

в) «Нет такой плохой книги, которая была бы совершенно беспо­
лезна» (Плиний старший);

г) «Нет такого пустого писателя, который не нашел бы подобного
себе читателя»;

д) «Завтра, завтра, всегда завтра — так проходит жизнь».

Задание 4

Определите для каждой из следующих систем, какое интегра-тивное свойство им присуще, то есть каким свойством (или фун­кцией) обладает система в целом, хотя ни один из элементов сис­темы им не обладает:

а) автомобиль как совокупность отдельных узлов, деталей, горю­
чего и пр.;

б) бассейн реки (например, Волги) как совокупность рек, впада­
ющих в них ручьев и пр.;

в) программное средство (например, графический редактор) как
совокупность файлов — программных модулей;

г) поселок как совокупность жителей, строений, особенностей
ланшафта и пр.

Задание 5

Известному польскому писателю-фантасту А. Азимову принад­лежит следующий замечательный пример композиции системы: «Тот кто надел на глаза шоры, должен помнить, что в комплект входят узда и кнут».

Приведите примеры из литературных произведений, когда ка­кой-либо объект рассматривается с точки зрения системного подхода.

Первые представления о системе возникли в античной фи­лософии и науке. У Платона и Аристотеля это проявилось в представлениях об упорядоченности и цельности бытия. Вплоть до середины XIX века понятие системы передавало смысл целого, единого. В XX веке произошло наполнение по­нятия системы новым содержанием. Были введены понятия биосферы (В. И. Вернадский), ноосферы (Э. Леруа, П. Тейяр де Шарден), самоорганизующихся систем (У. Эшби). Появля­ется кибернетика (Н. Винер) как наука об управлении и свя­зи в живом организме и машине. В физике, химии, биологии

изучаются сложные динамические системы. В физиологии и психологии возникает теория функциональных систем (И. М. Сеченов, П. К. Анохин). В лингвистике рассмотрение языка как системы приводит к появлению семиотики как на­уки о знаковых системах (Ф. де Соссюр). В конце 40-х годов зарождается общая теория систем (Л. Берталанфи, М. Меса-рович, В. М. Глушков), которая становится основой для раз­вития системотехники, структурного анализа и пр.

Приведем некоторые положения общей теории систем.

Системы как некие целостные, относительно самостояте­льные объекты могут существовать только в том случае, когда сила существенных (системообразующих) связей меж­ду элементами системы больше, чем сила связей этих же элементов с окружающей средой. Только в этом случае сис­тема может восприниматься и исследоваться как отдельный объект.

В общем случае каждый элемент системы обладает систе­мообразующими свойствами, свойствами, нейтральными по отношению к системе, а также системоразрушающими свой­ствами. Последние свойства при вхождении элемента в сис­тему обычно подавляются, но чаще всего не полностью. Именно они, наряду с воздействием внешних факторов, час­то становятся причиной разрушения системы.

Основным системостабилизирующим фактором является согласованность внутреннего устройства системы и среды. Это означает, в частности, включение системы как части в состав более общей системы. Среда не сводится просто к набору случайных воздействий. Она рассматривается так­же как система, в которой действуют определенные законо­мерности.

Рассогласование взаимодействия системы и среды вы­ступает как системоразрушающий фактор, если оно выхо­дит за границы устойчивости системы. При этом разрыва­ются внутренние связи системы и она распадается на отдельный части. Если рассогласование не выходит за гра­ницы устойчивости системы, то происходит перестройка системы с целью достижения взаимосогласованности со средой.

Большой интерес в современных научных исследованиях вызывают так называемые самоорганизующиеся (самонас­таивающиеся) системы, которые способны переходить пу­тем последовательного изменения своих свойств к некото­рым устойчивым состояниям, несмотря на воздействия внешней среды (а иногда и благодаря им).

Наглядно процесс самоорганизации можно продемонстри­ровать с помощью так называемых клеточных автоматов, наи­более известный пример которых можно увидеть в игре «Жизнь», описанной в главе «Компьютерное моделирование».

Может ли система, находящаяся в хаотическом состоя­нии, самоупорядочиться?

На первый взгляд кажется невероятным, чтобы так про­сто, из случайной смеси каких либо элементов вдруг, сами собой, без вмешательства внешней организующей силы воз­никли сложные высокоупорядоченные структуры. По этому поводу один из персонажей трактата Цицерона «О природе богов» стоик Бальб восклицает: «Не понимаю, почему чело­веку... не поверить..., что если изготовить из золота или какого-либо другого материала в огромном количестве два­дцать одну букву, а затем бросить эти буквы на землю, то из них сразу получатся «Анналы» Эннея, так что их сразу можно будет и прочитать».

Для золотых букв, которые имел в виду Бальб, это дейст­вительно справедливо. Однако в предоставленной самой себе совокупности элементов, которое небезразличны друг к дру­гу, постепенно самопроизвольно возникают взаимосвязи, все более оптимальные с точки зрения действующих в них объективных причин межэлементного взаимодействия. Иными словами, совокупность элементов склонна к само­упорядочиванию, к самоорганизации.

«Перво-наперво возник хаос...» — это положение является древнейшим космологическим постулатом, который в равной степени присущ как мифологии, так и самым современным научным концепциям. Из газопылевых туманностей образу­ются планетные системы. Бесформенные протоплазменные сгустки дают начало высокоупорядоченным организмам. Миру присуще движение от изначальной бесформенности к

обретению формы, от хаоса к порядку. Здесь, правда возни­кает вопрос — в течение какого времени это может произой­ти? Если, например, время возникновения упорядоченной Вселенной из хаоса больше ее возраста, то в этом можно уви­деть скорее отрицание, чем подтверждение идеи самооргани­зации. Идея самоорганизации, составляющая основу новой научной дисциплины синергетики, чрезвычайно популярна. Данная идея во многом позволяет сохранить традиционную естественно-научную картину мира.

Проблема возникновения порядка из хаоса, дилемма при­нудительной организации посредством внешнего организую­щего начала, с одной стороны, и естественной самоорганиза­ции, с другой, тесно связана с вопросами самодостаточности материального мира.

«Неужели же какому-нибудь здравомыслящему человеку может показаться, что все это расположение звезд, эту чу­десную красоту неба могли произвести туда и сюда мечущи­еся по воле слепого случая тельца? Или же какая-то другая природа, лишенная ума и разума, смогла это произвести? Да ведь даже для того, чтобы это понять, какого это, требуется величайший ум, и тем более — для того чтобы создать», — говорил уже упомянутый Бальб.

Ответ на этот вопрос кроется в нашем мировоззрении.

1.2. Системный анализ как метод научного познания

Мы начинаем рассматривать объект как систему, когда нам нужно познать, иследовать, описать его свойства, ха­рактеристики, функции. Именно тогда мы начинаем снача­ла мысленно разделять объект на составные части (анализи­ровать), а потом смотреть, как эти части соединены в объекте (синтезировать).

Анализ и синтез — две дополняющие друг друга мысли­тельные операции, позволяющие человеку исследовать окружающий мир.

При исследовании объекта как системы на первом шаге — этапе анализа системы — осуществляется разбиение системы на подсистемы, то есть осуществляется декомпози­ция системы в соответствии с той целью, которую поставил перед собой исследователь. Каждая из подсистем рассматри­вается затем как система. Для неё определяются входы, вы­ходы, назначение, параметры. На втором этапе — этапе син­теза — устанавливаются отношения между подсистемами, связывающие входы и выходы каждой подсистемы со входа­ми и выходами других подсистем.

Пример Если для починки будильника его распилить, то снова собрать из полученных «кубиков» работающий будиль­ник вряд ли удасться. Как вы понимаете, операция рас­пиливания будильника на части не является операцией анализа.

Проанализируем некоторые объекты с позиций системно­го подхода.

Пример. Сердечно-сосудистая система:

элементы — сердце, артерии, вены, капилляры и так да­лее;

структура — взаимосвязь элементов в процессе движе­ния крови;

входы — кроветворные органы и органы, обеспечиваю­щие эластичность и другие показатели кровеносных со­судов;

выходы — органы, с помощью которых кровеносная сис­тема воздействует на организм, обеспечивая его жизне­деятельность;

целостность — определяется теми функциями, которые система выполняет в организме; это, в частности, достав­ка тканям питательных веществ и кислорода, удаление продуктов распада, обеспечение теплорегуляции и пр.

Пример. Абстрактная система — теория:

элементы — понятийный аппарат, исходные положения (аксиомы), выявленные закономерности, вытекающие из них следствия;

структура — правила вывода новых положений из уже известных;

входы — постановка исследовательской задачи; выходы — решение задачи;

целостность — определяется той методикой исследова­ния, которой придерживается исследователь.

Пример. Электронно-вычислительная система:

элементы — устройства компьютера (аппаратное обеспе­чение), программы (программное обеспечение), данные;

структура — взаимосвязь устройств, определяющая ар­хитектуру компьютера; взаимосвязь устройств и про­грамм, а также программ между собой, обеспечиваемая операционной системой;

входы — устройства и программы, обеспечивающие ввод информации в систему;

выходы — устройства и программы, обеспечивающие вывод информации;

целостность — обуславливается функциями, выполняе­мыми системой по автоматизации информационных про­цессов.

Таким образом, целенаправленное изучение системы бу­дет эффективным в том случае, если каждая из подсистем, полученная в результате анализа, будет существенно проще для рассмотрения, чем исходная система, а число взаимо­связей между подсистемами получится минимальным и обо­зримым.

В научную терминологию прочно вошло понятие «сис­темный подход», с позиций которого в различных областях науки ведется исследование самых разнообразных объектов и явлений. Наиболее полно суть системного подхода сфор­мулирована В. Г. Афанасьевым, выделившим следующие аспекты этого подхода:

• системно-элементный — получение ответа на вопрос, из чего (каких компонентов) образована система;
• системно-структурный — раскрытие внутренней орга­низации системы, способа взаимодействия образующих ее элементов;
• системно-функциональный — определение функций, выполняемых системой и образующими ее компонента­ми;
• системно-комуникационный — раскрытие взаимосвязи данной системы с другими, как по горизонтали, так и по вертикали, иными словами, выявление входов и выходов системы;
• системно-интегративный — определение механизмов, факторов сохранения, совершенствования и развития си­стемы;
• системно-исторический — получение ответа, как воз­никла система, какие этапы в своем развитии проходила, каковы ее перспективы.

Каждый из этих аспектов определяет один из видов ана­лиза системы.

Пример. Рассмотрим электронные таблицы (ЭТ) как систему. Нас интересует в данном случае не то, что изображено на эк­ране дисплея, когда вы производите расчеты с помощью электронных таблиц, а ЭТ как программное средство. В рамках системно-элементного анализа мы можем вы­делить основные элементы системы. Для ЭТ основными элементами являются отдельные программные модули. Системообразующий элемент — головной модуль (для электронных таблиц Excel, например, это excel.exe), ко­торый на время работы размещается в оперативной памя­ти и организует вызов других модулей по мере их необхо­димости.

В рамках системно-структурного анализа мы можем выделить взаимосвязи между модулями ЭТ. Поскольку отдельные программные модули представляют собой процедуры, написанные на каком-либо языке програм­мирования, то связи между модулями задаются форма­льными параметрами, определенными в заголовках про­цедур, глобальными переменными и ссылками на другие процедуры.

В рамках системно-функционального анализа мы можем определить назначение и функции ЭТ, их возможности. К основным функциям большинства ЭТ относятся: вычис­ления по формулам, автозаполнение, форматирование, графическое представление данных, сортировка и филь­трация данных, подбор параметров и многое другое. В рамках системно-коммуникационного анализа необ­ходимо выделить связи с внешней средой, каковой вы­ступают операционная система и другие программные средства, с одной стороны, пользователь — с другой. Связь с пользователем определяется теми возможностя­ми, которые заложены в пользовательском интерфейсе. Например, при работе с Excel пользователь может внес­ти данные и формулы в ячейки таблицы, задать коман­ды с помощью панели инструментов, команд меню или «горячих клавиш». Связь с операционной системой осу­ществляется путем передачи управления тем процеду­рам ОС, которые необходимы для выполнения команд пользователя. Связь с другими программными средства­ми осуществляется, например, через буфер обмена дан­ными (при использовании технологии динамического об­мена данными), позволяющий переносить данные из текстового редактора или базы данных в ЭТ и обратно. Системно-интегративный анализ позволяет определить те модули, которые наиболее часто используются или не используются никем, а также модули, которые было бы желательно добавить, чтобы обеспечить пользователей необходимыми дополнительными возможностями.

Системно-исторический анализ позволяет проследить, как совершенствовались электронные таблицы. Появив­шись в 1983 году, уже к концу 80-х годов они вошли в число наиболее распространенных программных средств. В настоящее время они входят как важный компонент во все офисные пакеты, установлены практически на всех ПК.

При рассмотрении объекта как системы необходимо:

1. сформулировать цель исследования;
2. выделить основные (системообразующие) элементы и подсистемы;
3. определить, как они взаимосвязаны между собой;
4. выявить основные функции каждой подсистемы и сис­темы в целом;
5. определить входы и выходы системы и способы реаги­рования на внешние воздействия, то есть определить, каким образом объект взаимодействует с окружающей средой;
6. выявить системообразующие факторы, обуславливаю­щие сохранение и/или развитие объекта как единого целого;
7. определить системоразрушающие факторы;
8. проанализировать этапы развития системы, ее перс­пективы.

Одним из методов системного анализа является модели­рование, в частности, информационное моделирование. Одна и та же система может быть рассмотрена и описана с разных точек зрения (исходя из разных целей), что выража­ется в выделении разных параметров, характеризующих эту систему. Иными словами, система может быть описана мно­жеством моделей.

Пример Система «водитель-автомобиль» может быть представле­на моделями, отражающими:

• статическое состояние компонентов системы (внутрен­нее устройство двигателя, состав и расположение при­боров на панели управления);
• энергетические процессы (термодинамический цикл в процессе сгорания топлива);
• процесс управления (правила для водителя по управле­нию автомобилем).

Пример Система «человек-компьютер» может быть рассмотрена с точки зрения возможностей по обработке информации, предоставляемых человеку. Параметрами модели систе­мы с этой точки зрения будут производительность цент­рального процессора, объем оперативной памяти, состав периферийных устройств, состав и функции програм­много обеспечения и др. Эта же система может быть опи-

сана с точки зрения взаимодействия ее основных подсис­тем — параметрами в этом случае будут выступать тип пользовательского интерфейса, его «дружественность», опыт и квалификация человека, перечень задач, кото­рые он решает с помощью компьютера и др. Эта же сис­тема может быть описана с точки зрения ее взаимодейст­вия с окружающей средой, в частности, ее места и роли в глобальной компьютерной сети. Параметрами в этом случае являются: характер взаимодействия с сетью — возможно только обращение к ресурсам сети или предо­ставление ресурсов, размещенных на собственном сайте; наиболее часто используемые услуги сети (электронная почта, чат, поисковые системы и пр.); среднее время, проводимое в сети, и пр.

Основными объектами изучения современной науки все чаще выступают большие и сложные системы, то есть сис­темы, состоящие из большого числа элементов, с разнооб­разными связями между ними, выполняющими многочис-леные функции. Их всестороннее изучение требует объединения усилий исследователей разных специально­стей, интеграции знаний, накопленных в различных облас­тях науки и техники.

Пример. Сложной системой является отдельный человек, если рассматривать совокупность его духовных, нравствен­ных, психических, интеллектуальных, эстетических, физических, физиологических качеств.

Пример. Сложными являются практически все социальные систе­мы — нации, государства, партии, производственные и учебные коллективы.

Пример. К классу сложных систем относятся социотехнические (человеко-машинные) системы — производственные пред­приятия, система дорожного движения, система инфор­матизации общества.

Пример. Отдельный компьютер (как совокупность аппаратного и программного обеспечения) и компьютерные (телеком­муникационные) сети также относятся к классу слож­ных систем.

Изучение систем необходимо для того, чтобы:

• понимать закономерности их развития и не выступать (вольно или невольно) разрушающим, дестабилизирую­щим фактором;
• знать процессы, происходящие в системе для целенаправ­ленного управления развитием системы и предотвраще­ния нежелательных последствий;

• уметь планировать и осуществлять управляющие воз­действия на систему, с тем, чтобы значения ее парамет­ров были оптимальными с точки зрения выполнения присущих ей функций в рамках всеобщих систем, таких как общество, государство, биосфера, ноосфера, Вселен­ная, мироздание.

Системный подход является закономерным результатом развития методов научного познания. Системные представ­ления существовали в науке задолго до того, как этот тер­мин стал широко использоваться. Уже древние космогони­ческие мировоззренческие модели рассматривали окружаю­щий нас мир как нечто единое, взаимосвязанное. В истории развития таких наук, как астрономия, химия, физика, био­логия, география, обществоведение можно проследить, как исследователи постепенно стали все прочнее опираться на системный подход.

В современных научных иследованиях системный подход является одним из основных, наряду с такими подходами, как синергетический и информационный. В настоящее время он используется не только для получения новых знаний о за­кономерностях природы и общества, но в большей степени с целью применения научного знания для построения искусст­венных систем, создаваемых трудом и гением человека.

Особенно наглядно это проявляется в технике, где проек­тирование и создание сложных систем требует согласован­ной работы сотен тысяч элементов.

Системная методология — совокупность методов изуче­ния свойств различных классов системных задач, то есть за­дач, касающихся отношений в системе или отношений сис­темы с внешним окружением.

Системный подход — метод исследования какого-либо объекта как системы.

Анализ — выделение составных частей исследуемого объ­екта; переход от общего описания исследуемого объекта к выявлению его внутреннего строения, состава, определению свойств его отдельных элементов, отношений между элемен­тами и пр.

Синтез — составление целостного представления об объ­екте, конструирование новых объектов.

Успешное проведение анализа и синтеза часто позволяет обнаружить не известные ранее свойства объекта.

Целенаправленное изучение системы будет эффективным в том случае, если каждая из подсистем, полученная в резу­льтате анализа, будет существенно проще для рассмотрения, чем исходная система, а число взаимосвязей между подсис­темами получится минимальным и обозримым.

Виды системного анализа:

• системно-элементный — получение ответа на вопрос, из чего (каких компонентов) образована система;
• системно-структурный — раскрытие внутренней орга­низации системы, способа взаимодействия образующих ее элементов, построение структурной схемы;
• системно-функциональный — определение функций, вы­полняемых системой и образующиим ее компонентами;
• системно-комуникационный — раскрытие взаимосвязи данной системы с другими, как по горизонтали, так и по вертикали с точки зрения обмена информацией;
• системно-интегративный — определение механизмов, факторов сохранения, совершенствования и развития си­стемы;
• системно-исторический — получение ответа на вопрос, как возникла система, какие этапы в своем развитии про­ходила, каковы ее перспективы.

Основные этапы системного анализа:

1. определение цели исследования объекта;
2. выделение основных (системообразующих с точки зре­ния выбранной цели) элементов и подсистем;
3. определение и моделирование стуктуры системы, то есть способов взаимосвязи элементов и подсистем между собой;
4. выявление функций основных подсистем и системы в целом;
5. определение входов и выходов системы, а также спосо­бов взаимодействия системы с окружающей средой, модели­рование процесса функционирования системы;
6. выявление системообразующих факторов, обуславливаю­щие сохранение и/или развитие объекта как единого целого;
7. определение системоразрушающих факторов и условий их нейтрализации;
8. анализ этапов развития системы и ее перспектив.

В системном анализе широко используется моделирова­ние, в том числе информационное моделирование. Изучение систем необходимо для того, чтобы:

• понимать закономерности их развития и не выступать
(вольно или невольно) разрушающим, дестабилизирую­
щим фактором;

• знать процессы, происходящие в системе для целенаправ­
ленного управления развитием системы и предотвраще­
ния нежелательных последствий;

• уметь планировать и осуществлять такие управляющие
воздействия на систему, чтобы значения ее параметров
были оптимальными с точки зрения выполнения прису­
щих ей функций в рамках таких всеобщих систем, как
Ноосфера, Вселенная, Мироздание.

Задание 1

Определите, в каких случаях осуществляется анализ или синтез, а в каких нет:

а) исследуется назначение каждого из пунктов меню графиче­
ского редактора, а затем с помощью этого редактора создается
изображение;

б) при реставрации книга разделяется на отдельные листы, а за­
тем вновь переплетается;

в) при переводе с иностранного языка каждое слово предложе­
ния переводится на родной язык, а затем формулируется перевод
всего предложения;

г) фраза разбивается на отдельные слова и словосочетания, а за­
тем с помощью их перестановки получают новое предложение
(например, «Казнить нельзя, помиловать» и «Нельзя помило­
вать, казнить»).

Задание 2

Современные историки и литературные критики с позиций сис­темного подхода подходят к изучению исторических событий и литературных произведений. Проведите системно-элементный анализ следующих объектов:

а) сказка Аксакова «Аленький цветочек»;

б) басня Крылова «Квартет»;

в) роман И. С. Тургенева «Отцы и дети»;

г) первая мировая война;

д) вторая мировая война;

е) становление российской государственности.

Задание 3

Проведите системно-структурный анализ следующих объектов (выделите системообразующие элементы и связи):

а) учебник информатики;

б) персональный компьютер;

в) ваша семья;

г) произведение, которое вы изучаете на уроках литературы;

д) город, в котором вы живёте.

Задание 4

Проведите системно-функциональный анализ приведенных ниже систем. Определите, зависят ли функции системы (объекта анализа) от функций ее составных элементов.

а) географический атлас;

б) текстовый редактор;

в) водитель за рулем автомобиля;

г) сеть Интернет;

д) программное обеспечение ПК.

Задание 5

Пусть система состоит из 20 элементов. Предположим, что каж­дый элемент связан с любым другим только одной связью. Сколь­ко будет всего взаимосвязей?

Каждый из 20 элементов связан с 19 остальными. Тогда всего связей 20 х 19 = 380.

Разобъем систему на 4 подсистемы по пять элементов в каждой. Если рассматривать подсистему как отдельный элемент, то чис­ло связей между подсистемами 4 х 3 = 12, число связей внутри каждой подсистемы — 5x4 = 20.В этом случае исследовать не­обходимо всего 12 + 4 х 20 = 92 связи (вместо 380). Таким образом, исследовать систему, разбив ее на подсистемы, как правило, легче. Проведите подобные расчеты, если:

а) в системе 20 элементов и она допускает разбиение на 5 подсис­
тем по 4 элемента в каждой;

б) в системе 100 элементов и она допускает разбиение на 10 под­
систем по 10 элементов в каждой.

Если ученый является приверженцем системного подхода и никогда от него не отступает, может ли это обеспечить ис­тинность выводов, к которым он пришел в результате иссле­дования? Иными словами, всегда ли в результате системно­го подхода мы получаем достоверное знание?

Важность системного подхода была осознана в связи с за­конами сохранения массы и энергии.

Деятельность человека нуждается во все более возраста­ющем количестве вещества и энергии. Отсюда возник во­прос: является ли вещество и энергия неисчерпаемыми? От­ветом на него были два фундаментальных закона сохранения: закон сохранения вещества и закон сохранения энергии: суммарное количество энергии и вещества в зам­кнутой системе остаются постоянными.

Пример. По шероховатой поверхности движется тележка с гру­зом. Известно, что она обладает кинетической энергией. Через некоторое время она остановится. Можно предпо­ложить, что энергия исчезла. Однако, пользуясь зако­ном сохранения, применённым к системе «тележка-по­верхность», можно утверждать, что существует какой-то вид энергии, который позволяет сохранить неизменным общее количество энергии. Это тепловая энергия. Заме­тим, что раньше теплоту не считали энергией. Она рас­сматривалась как некая неразрушимая жидкость — флигостон, которую впитывают материальные тела как губки впитывают воду. Чем больше флигостона впитало тело, тем оно теплее. Однако в XIX веке было показано, что теплота — это один из видов энергии. Таким образом, введение нового вида энергии — тепло­вой — было сделано исключительно исходя из закона со­хранения энергии, то есть исходя из системных сообра­жений.

Пример. Другим примером является история открытия новой элементарной частицы — нейтрино.

В 20-х годах прошлого века физики всего мира интен­сивно занимались изучением радиактивного распада тя­желых ядер атомов. При этом оказывалось, что энергия ядра до распада не совпадала с энергией его «осколков». Чтобы обеспечить выполнение закона сохранения энер­гии 1930 г. физиком В. Паули было сделано предполо­жение, что недостающую энергию уносит неизвестная частица, которая потом и была найдена. Так было от­крыто нейтрино.

Законы сохранения массы и вещества выполняются во всех известных в настоящее время системах, однако их ис­тинного понимания нет до сих пор. Как иронично заметил один известны ученый, физики считают законы сохранения философским постулатом, а философы — эксперименталь­ным физическим фактом.

Законы сохранения вещества и энергии имеют исключи­тельно важные следствия для науки, политики и интеллек­туальной и духовной жизни общества. Например, если ци­вилизация ставит во главу угла непрерывное, все расширяющееся производство, она нуждается в постоянном притоке вещества и энергии, и, как следует из законов со­хранения, в постоянном расширении своих подсистем. В со­циально-экономическом плане это означает необходимость постоянно экспансии, сопровождающейся войнами, револю­циями и пр. История показывает, что подобные экспансии характерны для всех промышленно-развитых стран.

Уточним понятие сложной системы, поскольку систем­ный подход применяется чаще всего именно для исследова­ния систем такого рода.

К характерным особенностям сложных систем относят:

• большое число взаимосвязанных разнородных элементов и подсистем;
• многообразие структуры системы, обусловленное как раз­нообразием структур ее подсистем, так и многообразием способов объединения подсистем в единую систему;
• сложность функций, выполняемых системой и направ­ленных на достижение цели ее функционирования;
• взаимодействие с внешней средой и функционирование в условиях воздействия случайных факторов;
• наличие управления, часто имеющего иерархическую структуру, а также разветвленной информационной сети и интенсивных информационных потоков;
• отсутствие возможности получения полной и достоверной информации о свойствах системы в целом по результатам изучения свойств ее отдельных элементов;
• наличие множества критериев оценки качества и эффек­тивности функционирования системы и ее подсистем. Важнейшими способами исследования сложных систем

являются:

• синтез, который состоит в нахождении структуры и опре­деляющих параметров системы цо заданным ее свойст­вам;
• анализ, при осуществлении которого по известным структуре и параметрам системы изучается ее поведение, исследуются свойства системы и ее характеристики. Эти способы взаимосвязаны и используются совместно.

В частности, более сложные задачи синтеза чаще всего ре­шаются с использованием результатов решения задач ана­лиза. Основным инструментом решения задач анализа и синтеза системы является информационное моделирование системы.

1.3. Информационные системы. Автоматизированные информационные

системы

Понятия «информация», «информационный процесс», «информационная система» тесно взаимосвязаны. Невоз­можно определить, какое из этих понятий «первично» по от­ношению к остальным. Любая попытка определения каждо­го из них обычно невозможна без привлечения остальных.

Информация проявляется в информационных процессах, которые протекаеют только в рамках какой-либо системы.

Такие системы естественно назвать информационными (ИС). В последовательности изменения состояния ИС и проявля­ются информационные процессы.

Можно рассуждать иначе и считать, что информационная система — это система, некоторые элементы которой явля­ются информационными объектами (информацией), а неко­торые связи осуществляются благодаря протеканию инфор­мационных процессов. То есть, наличие информации и информационных процессов позволяет «появиться», реали­зоваться и информационной системе.

Попытка дать строгое определение понятия «информаци­онная система» сразу же вызывает необходимость в строгом определении понятия «информация», которое, как вам изве­стно, современная наука еще не выработала.

Информатика изучает закономерности протекания ин­формационных процессов в системах различной природы, но в наибольшей степени предметом ее исследований явля­ются информационные процессы в технических и социотех-нических системах. Причем, эти закономерности важны с точки зрения возможности автоматизации этих процессов. Поэтому при рассмотрении информационных систем ограни­чимся рамками технических и социотехнических информа­ционных систем, причем преимущественно автоматизиро­ванных информационных систем.

Пример. Рассмотрим обычную и автоматическую стиральные ма­шины. Для стирки белья и ту и другую нужно подклю­чить к электрической сета. Но процесс стирки (наполне­ние машины водой, установка температуры, время вращения барабана и пр.) в первом случае полностью ре­гулируется человеком, а во втором — управляющей про­граммой, записанной на специальной перфокарте или микросхеме. Обычную стиральную машину вряд ли кто-нибудь назовет информационной технической систе­мой, а вот автоматической это название вполне подхо­дит.

Замечание 1.

Отметим различие терминов «автоматическая» и «авто­матизированная». Автоматически выполняется тот процесс, который, даже если начался по команде человека, в даль­нейшем протекает без его участия вплоть до завершения. Когда же речь идет об автоматизированном процессе, имеет­ся в виду, что человек может по мере необходимости вмеши­ваться, регулировать и направлять ход процесса.

Замечание 2.

Когда мы говорим, что данная система является инфор­мационной, это не значит, что все ее элементы и все связи только информационные. Элементы системы могут быть са­мой разной природы — вещественные, энергетические, информационные. Чтобы систему можно было отнести к классу информационных, достаточно, чтобы некоторые ее элементы и/или некоторые связи носили информационный характер.

Пример. Телевизор — это относительно сложная техническая сис­тема. Но только подключенный к системе телевещания он становится подсистемой информационной системы.

Пример. Велосипед — техническая система. Велосипедист, ката­ющийся на велосипеде, составляет с ним простую социо-техническую информационную систему. Ее информаци­онный характер обусловлен тем, что в процессе езды велосипедист получает и обрабатывает информацию о со­стоянии внешней среды и самой системы (препятствия на дороге, наличие автомобилей или других велосипеди­стов, сила ветра, собственная усталость, исправность уз­лов велосипеда и пр.) и использует ее для регулирования и направления поведения системы.

Пример. Аппаратная часть компьютера — достаточно сложная техническая система, но только в совокупности с про­граммным обеспечением она представляет собой инфор­мационную техническую систему. Система, состоящая из компьютера и работающего с ним пользователя, отно­сится уже к классу информационных социотехнических систем.

Пример. Когда мы говорим о сети Интернет, как о большой и сложной социотехнической информационной системе, мы имеем в виду не только технические средства теле­коммуникации, но и информационные ресурсы сети, разработчиков, администраторов и пользователей сети.

В информатике термин «информационная система» испо­льзуется в более узком смысле. Под информационными по­нимают системы, предназначенные для хранения инфор­мации в специальным образом организованной форме, снабженные процедурами ввода, размещения, обработки, поиска и выдачи информации по запросам пользователей.

Далее, если не будет оговорено специально, мы будем рас­сматривать информационные системы, понимаемые в узком смысле. Сама идея таких ИС и некоторые принципы их ор­ганизации возникли задолго до появления ЭВМ. Возможно-

сти компьютеров повышают эффективность использования информационных систем, значительно расширяют сферу их применения, позволяют автоматизировать основные проце­дуры по размещению, обработке и поиску информации в си­стеме.

Информационные системы, созданные на базе использо­вания возможностей компьютера, как правило, являются автоматизированными информационными системами (АИС).

В целом под автоматизированной информационной систе­мой понимается совокупность информационных массивов, технических, программных и языковых средств, предназна­ченных для сбора, хранения, поиска, обработки и выдачи данных по запросам пользователей.

Автоматизированные информационные системы приме­няется практически во всех сферах человеческой деятельно­сти: в управлении предприятием, учреждением, производст­вом; при организации научных исследований; в библиотеч­ном деле, в обучении, при выполнении конструкторских и проектных работ.

Автоматизированные информационные системы бывают самого разного вида. Приведем наиболее распространенные из них:

• измерительные — используются для автоматического (с помощью специальных датчиков) сбора информации о состоянии и параметрах интересующего объекта. Без из­мерительных АИС не обходится сейчас работа ни одной атомной электростанции, ни одного вредного для челове­ка химического производства. Используются измеритель­ные АИС в медицине, метеорологии, сейсмологии, при организации космических полетов и так далее;
• информационно-справочные (ИСС) — разнообразные электронные словари, электронные энциклопедии, элект­ронные записные книжки и пр.;
• информационно-поисковые системы (ИПС) — наиболее известными среди которых являются всемирная паутина (WWW) с соответствующими поисковыми системами (Aport, Rambler, AltaVista, Yahoo! и др.) и юридические ИПС, предназначенные, преимущественно, для хране­ния документов официального характера, а именно, за­конов, положений, инструктивных писем, изданных за­конодательными и исполнительными государственными органами;
• ИС, обеспечивающие автоматизацию документооборо­та и учета. Чаще всего эти системы используются для организации документооборота на предприятиях, но, на­пример, программные средства, обеспечивающие работу с пользователя компьютера с файлами, тоже могут быть от­несены к классу автоматизированных систем учета;
• системы автоматизированного проектирования (САПР), содержащие наряду с другими компонентами бо­льшие массивы справочной технический информации (го­сударственные стандарты, санитарные нормы и правила, технические условия и пр.), алгоритмы проведения рас­четов определенных параметров и другую информацию;
• системы автоматизации научных исследований —

снабжены средствами для построения информационных моделей самого разного вида;

• экспертные системы (ЭС) и системы поддержки при­нятия решений (СППР). Их основу составляют базы зна­ний (БЗ) по конкретной предметной области. Данные сис­темы активно используются при планировании и составлении долгосрочных прогнозов в промышленности, для постановки диагноза в медицине, для выбора наибо­лее вероятной версии в юриспруденции и так далее;
• автоматизированные системы управления (АСУ). Это широкий класс информационных сисстем, к которым от­носятся и системы управления отдельным технологиче­ским процессом (АСУТП) и системы управления всем предприятием (АСУП) и системы управления целой от­раслью общественного производства (АСУО);
• геоинформационные системы (ГИС). В них информация об объектах упорядочена в соответствии с пространствен­ным размещением объектов, представленных чаще всего на географических картах;
• обучающие АИС — всевозможные электронные учебни­ки, компьютерные тесты, обучающие программы, а так­же тренажеры, имитирующие работу какого-то устройст­ва (самолета, автомобиля и пр.).

Заметим, что деление автоматизированных информаци­онных систем на виды достаточно условно, и реальная АИС может сочетать в себе возможности систем разного вида.

Пример. Тренажеры, созданные для обучения пилотов, имеют и измерительные датчики, и программы, моделирующие различные полетные условия, и необходимые справоч­ные системы.

Автоматизированная информационная система может ис­пользоваться как самостоятельно функционирующее средст­во, а также как составная часть (подсистема) другой АИС.

Пример. Библиотечные ИПС, системы резервирования авиа- и же­лезнодорожных билетов являются автономными автома­тизированными информационными системами. Система автоматизированного учета времени, отработан­ного сотрудником, является подсистемой автоматизиро­ванной системы начисления заработной платы, которая, в свою очередь, является подсистемой АИС бухгалтер­ского учета.

Автоматизированные информационные системы развива­ются в настоящее время быстрыми темпами, повышается объем их хранилищ, совершенствуются механизмы, расши­ряется перечень услуг, предоставляемых пользователю.

Пример. Если вы работаете с текстовым процессором Word 2000, то испытали на себе его «интеллектуальные» возможно­сти. Например, стоит набрать в начале абзаца «1.» и да­лее какой-то текст, и после нажатия клавиши ввода сис­тема предложит вам начало следующего абзаца — «2.». Иногда это бывает удобно. Если вы не хотели оформлять этот фрагмент текста списком, то вам потребуется пред­принять определенные действия, чтобы исправить по­следствия нежелательной «помощи».

Существует отдельное направление в развитии програм­много обеспечения — системы искусственного интеллекта.

Термин «искусственный интеллект» вызывает много на­реканий со стороны философов, психологов, педагогов. В этом направлении развивается робототехника, системы ав­томатизированного управления, поисковые системы глоба­льных компьютерных сетей и так далее. Результаты, полу­ченные при создании и эксплуатации систем искусственного интеллекта, используются сейчас во многих автоматизиро­ванных информационных системах.

Важнейшими подсистемами автоматизированных инфор­мационных систем являются базы и банки данных (БД и БнД), а относящиеся к классу систем искусственного интел­лекта — базы знаний (БЗ).

Информационная система, понимаемая в широком смыс­ле, — это система, некоторые элементы которой являются информационными объектами (тексты, графики, формулы, сайты, программы и пр.), а связи носят информационный характер.

Информационная система, понимаемая в узком смыс­ле, — это система, предназначенная для хранения информа­ции в специальным образом организованной форме, снаб­женная средствами для выполнения процедур ввода, размещения, обработки, поиска и выдачи информации по запросам пользователей.

Автоматизированная информационная система (ЛИС) — это совокупность информационных массивов, технических, программных и языковых средств, предназначенных для сбора, хранения, поиска, обработки и выдачи данных по за­просам пользователей.

Запрос — формализованное сообщение, поступающее на вход системы и содержащее условие поиска данных.

Автоматизированные информационные системы (АИС) — это информационные системы, работа которых направляет­ся и регулируется человеком, а основные процессы выпол­няются автоматически — по заданному алгоритму, без учас­тия человека.

Большинство современных автоматизированных инфор­мационных систем созданы на базе использования возмож­ностей, предоставляемых компьютером и компьютерными сетями.

Важными компонентами автоматизированных информа­ционных систем являются базы и банки данных (БД и БнД).

Важными компонентами автоматизированных информа­ционных систем, относящихся к классу систем искусствен­ного интеллекта, являются базы знаний (БЗ).

Виды автоматизированных информационных систем (АИС):

• измерительные АИС;
• информационно-справочные системы (ИСС);
• информационно-поисковые системы (ИПС);
• ИС, обеспечивающие автоматизацию документооборота и учета;
• системы автоматизированного проектирования (САПР);
• системы автоматизации научных исследований;
• экспертные системы (ЭС) и системы поддержки принятия решений (СППР);
• автоматизированные системы управления (АСУ);
• геоинформационные системы (ГИС);
• обучающие АИС.

Задание 1

Приведите примеры технических систем и информационных технических систем. Выделите информационные компоненты последних.

Задание 2

В последнее время в системе образования все шире распростра­няется такая форма контроля знаний, как тестирование. В перс­пективе все тестирование планируется проводить при помощи компьютеров. Компьютерный тест — это небольшая автоматизи­рованная информационная система. Подумайте и сформулируй­те преимущества и недостатки использования такого рода авто­матизированной информационной системы в обучении.

Задание 3

Основываясь на определении информационной системы (в узком смысле), обоснуйте, что следующие системы являются автомати­зированными информационными системами:

а) файловая система компьютера;

б) текстовый редактор в совокупности с файлами, с которыми он
может работать;

в) электронная энциклопедия;

г) электронная почта;

д) chat (IRC — параллельные беседы в Интернете).

Задание 4

Для управления файловой системой существуют специальные программы (Norton Commander, Dos Navigator, FarManager, Диспетчер файлов, Мой компьютер и др.) К какому виду инфор­мационных систем (измерительные, справочные и пр.) вы бы от­несли систему, включающую в себя файлы, каталог файлов, про­грамму управления файлами? Ответ обоснуйте.

Какие запросы могут возникнуть у пользователя к этой системе? Какие средства ему предоставлены для формулирования запроса? Приведите примеры запросов пользователя, формируемых сред­ствами программы управления файлами, установленной на ва­шем компьютере.

Задание 5

При сканировании текстов для их перевода из графического фор­мата в текстовый используются программы оптического распо­знавания символов (OCR), например, FineReader. Можно ли это программное средство отнести к классу систем искусственного интеллекта? Ответ обоснуйте.

Технические системы могут быть информационными или неинформационными. А могут ли социальные системы, то есть системы, основные элементы которых — отдельные люди или группы людей, не быть информационными? Ины­ми словами, существуют ли неинформационные социальные системы?

При поиске информации в Интернете часто возникает проблема, как сформулировать поисковый запрос. Ведь в любом языке много синонимов и многозначных слов, и включив в запрос ключевые слова, которые имеют много разных значений, вы можете получить ссылки на докумен­ты, в которых речь идет совершенно не о том, что интересу­ет вас.

В настоящее время разрабатываются системы, осуществ­ляющие интеллектуальный поиск и интеллектуальную об­работку текстов. Они характеризуются такими свойствами, как чувствительность к контексту и поиск «похожих» тек­стов и текстов, соответствующих смыслу (а не только форме) запроса — без обязательного наличия в них запрошенных слов. Эти системы и предлагают пользователю дополнитель­ную, не запрошенную явно информацию.

Для реализации этих свойств используются различные механизмы: нейросети, генетические алгоритмы, методы «коллективной фильтрации», системы эвристических пра­вил и др.

Такие системы могут использоваться по разному назначе­нию, в частности, для воспроизведения содержания докумен­тов в иных формах. Это, например, автоматическое рефери­рование, то есть выявление сути документа и краткое ее формулирование, или выделение основных положений доку­мента (тезисов), или отображение содержания документа в виде схемы понятий. С помощью этих систем можно выде­лить из текста информативные элементы различного вида — количественные показатели, собственные имена, особо ин­формативные фразы. Эти системы помогут пользователю ин­формационной системы отсортировать документы в соответс-вии с решаемой задачей, распределить их по классам, определить, к какой категории относится документ и пр.

Вы знаете, что объекты могут быть естественными или искусственными (конструктивными, созданными человеком или группой людей). Соответственно можно говорить о есте­ственных и конструктивных системах, а также о естествен­ных и конструктивных информационных системах.

Достаточно распространеным в настоящее время являет­ся подход, в соответствии с которым естественные информа­ционные системы отождествляются с живыми системами. Иными словами, любая живая система — это система ин­формационная. Рассмотрим аргументы сторонников этого подхода.

Система сохраняет свою целостность, если связи между элементами системы сильнее, чем их связи с внешней сре­дой. Кроме того, любой системе присущи как системообра­зующие связи, так и системоразрушающие. В том случае, когда мощность системоразрушающих внешних воздейст­вий и системоразрушающих внутренних связей больше мощности системообразующих связей, система оказывается нестабильной и без дополнительных стабилизирующих фак­торов будет со временем разрушена, например, государство

в период кризиса. Возможным стабилизирующим фактором может быть наличие в системе соответствующих управляю­щих процесссов (и наличие подсистем, реализующих эти процессы), которые бы фиксировали системоразрушающие связи и результат их воздействия на систему и осуществля­ли бы соответствующие защитные, компенсирующие дейст­вия. Но для того, чтобы управлять некоторым объектом (си­стемой, процессом), нужно знать текущие значения его параметров, оптимальные значения параметров, необходи­мые для сохранения и развития ситемы, способ (алгоритм) приближения текущих значений параметров к оптималь­ным. Иными словами, для реализации управляющих функ­ций система должна принимать информацию, уметь ее обра­батывать, то есть система должна быть информационной. То есть только информационные системы способны к самоуп­равлению, саморегуляции, адаптации к внешним и внутрен­ним воздействиям. Свойство саморегуляции присуще жи­вым системам, а вот естественные системы неживой природы, как считается, им не обладают.

Различают два способа обеспечения целостности систем: энергетический и негэнтропийный (информационный). При первом способе развития обеспечивается отбор и сохранение систем, обладающих большей энергией внутренних связей. При втором способе развития сохраняются те системы, кото­рые обладают многообразием способов поведения в ответ на разнообразные внешние воздействия, то есть наибольшим запасом негэнтропии (информации), возрастающим в про­цессе развития системы.

2.1. Программное обеспечение компьютера

Компьютер — это формальный исполнитель команд, ко­торые задает ему пользователь. Задать команды можно раз­ными способами. Например, можно ввести одну команду, подождать, пока она выполнится, затем ввести следующую и так далее. Мы так и поступаем, когда сохраняем файл, ко­пируем его на другой носитель или выводим на печать. Но то, что для нас является одной командой, для компьютера разворачивается в целую программу действий.

Пример Вы хотите посмотреть, что у вас есть на дискете. Это мож­но сделать с помощью дисковода, но учтите, что дисковод (НГМД — накопитель на гибких магнитных дисках или floppy-дисковод) «понимает» только такие элементарные операции, как включить/выключить двигатель дисково­да, установить читающие головки на определенную до­рожку, выбрать определенный сектор, прочесть информа­цию с дорожки диска и скопировать ее в оперативную память компьютера и т. д. Поэтому даже для чтения ин­формации с дискеты компьютер выполняет несколько де­сятков элементарных команд дисковода. И у каждого устройства есть свой набор команд, свой «язык».

Стоит также заметить, что ввод команд человеком зани­мает достаточно много времени по сравнению со скоростью их выполнения компьютером. Чтобы избежать простоев процессора, неизбежных, когда команды вводятся пользова­телем «вручную», целесообразно подготовить сначала зада-

ние, включающее в себя серию последовательных команд, на каком-либо внешнем устройстве, а затем уже загружать это задание для его выполнения. Такое заранее подготовлен­ное задание, написанное на языке, понятном компьютеру, называется программой.

Уже при разработке первых ЭВМ были сформулированы основные принципы их работы. К ним относятся: