Характеристика и модели базовых информационных процессов

Понятие о базовых информационных процессах Конкретная информационная технология определяется в компиляции и синтеза базовых технологических специализированных технологий и средств реализации. результате операций, Информационная технология базируется на реализации информационных процессов (т.е. процессов по изменению состояния информации), разнообразие которых требует выделения базовых информационных процессов, характерных для любой информационной технологии. Среди базовых технологических процессов выделяются: • извлечение информации; • транспортирование информации; • обработка информации; • хранение информации; • представление информации. Процесс извлечения информации связан с переходом от реального представления предметной области к его описанию в формализованном виде и в виде данных, которые отражают это представление. Процесс транспортирования информации – передача информации на расстояние для ускоренного обмена и организации быстрого доступа к ней с использованием при этом различных способов преобразования. Процесс обработки информации состоит в получении одних «информационных объектов» из других «информационных объектов» путем выполнения некоторых алгоритмов; процесс является одной из основных операций, выполняемых над информацией и главным средством увеличения ее объема и разнообразия. Процесс хранения информации связан с необходимостью накопления и долговременного хранения данных, обеспечением их актуальности, целостности, безопасности, доступности. Процесс представления информации направлен на решение задачи доступа к информации в удобной для пользователя форме. ХАРАКТЕРИСТИКА И МОДЕЛИ БАЗОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ Процесс извлечения информации Процесс извлечения (сбора) информации направлен на получение ее наибольшей концентрации. В процессе извлечения информация об объекте предметной области проходит через трехслойный фильтр, в котором осуществляется оценка синтаксической ценности (правильности представления), семантической (смысловой) ценности, прагматической (потребительской) ценности. При извлечении информации применяются различные методы исследования (анализа) данных: • выявление скрытых закономерностей по наборам данных путем определения причинно-следственных связей между значениями определенных параметров исследуемого объекта (ситуации, процесса); • оценка важности (влияния) параметров на развитие ситуации; • классифицирование (распознавание), осуществляемое путем поиска критериев, по которым можно было бы относить объекты (события, ситуации, процессы) к той или иной категории; • прогнозирование событий и ситуаций. Процесс обработки информации Обработка информации состоит в получении одних информационных объектов из других информационных объектов путем выполнения некоторых алгоритмов и является одной из основных операций, осуществляемых над информацией, и главным средством увеличения ее объема и разнообразия. По типу обрабатываемых информационных объектов можно выделить числовую и нечисловую обработку. При числовой обработке используются такие объекты, как переменные, векторы, матрицы, многомерные массивы, константы и т.д. При нечисловой обработке объектами могут быть файлы, записи, поля, сети, отношения и т.д. С точки зрения реализации на основе современных достижений вычислительной техники выделяют следующие виды обработки информации: • последовательная обработка, применяемая в традиционной фоннеймановской архитектуре ЭВМ, располагающей одним процессором; • параллельная обработка, применяемая при наличии нескольких процессоров в ЭВМ; • конвейерная обработка, связанная с использованием в архитектуре ЭВМ одних и тех же ресурсов для решения разных задач, причем если эти задачи тождественны, то это последовательный конвейер. Основные операции обработки данных Создание данных Создание документов и отчетов Модификация данных Обработка данных Поддержка принятия решений Обеспечение безопасности и целостности данных Поиск информации Основные операции обработки данных Создание данных предусматривает их образование в результате выполнения некоторого алгоритма и дальнейшее использование для преобразований на более высоком уровне. Модификация данных связана с отображением изменений в реальной предметной области, осуществляемых путем включения новых данных и удаления ненужных. Обеспечение безопасности и целостности данных направлено на адекватное отображение реального состояния предметной области в информационной модели и осуществляет защиту информации от несанкционированного доступа (безопасность) и от сбоев и повреждений технических и программных средств. Поиск информации, хранимой в памяти компьютера, осуществляется как самостоятельное действие при выполнении ответов на различные запросы и как вспомогательная операция при модификации информации. Основные операции обработки данных Поддержка принятия решений осуществляется с использованием решающих правил путем оценки полезности вариантов альтернативных решений (проектных, управленческих) и принятия в качестве оптимального того решения, которое приводит к наибольшему эффекту (максимальному гарантированному выигрышу). Широкая альтернатива принимаемых решений приводит к необходимости использования разнообразных математических моделей объектов. Создание документов, сводок, отчетов заключается в преобразовании информации в формы, пригодные для чтения как человеком, так и компьютером. С этим действием связаны и такие процедуры, как обработка, считывание, сканирование и сортировка документов. Реализация всех операций обработки информации осуществляется с помощью разнообразных программных средств. Функциональная математическая модель объекта как инструмент операции создания данных и уменьшения неполноты информации об объекте Функциональные математические модели описывают процессы функционирования объектов и имеют форму систем уравнений (конечных, например алгебраических, и/или функциональных, например обыкновенных дифференциальных, в частных производных, замкнутых краевыми – начальными и/или граничными условиями), связывающих выходные параметры объекта с его входными и варьируемыми параметрами. Для описания химико-технологических процессов применяются фундаментальные законы природы (законы сохранения массы, импульса, энергии), законы реологии, тепло- и массопередачи в гомогенных и гетерогенных средах, химической кинетики и др. Функциональные модели представляют собой системы уравнений материального и теплового балансов, баланса сил, уравнений кинетики физикохимических процессов в потоках (химических реакций, фазовых переходов, массообменных и тепловых процессов), уравнений межфазных равновесий, замкнутые краевыми условиями. Характеристика процесса изготовления рукавных полимерных пленок экструзионным методом Тянущие валки Рукав Линия кристаллизации Показатели качества пленки: Толщина: 0,01-0,3 мм Максимальная ширина: 12 м Цвет Прозрачность Глянцевитость Прочность при растяжении Оптические и механические характеристики пленки зависят от температурного профиля охлаждения рукава Формующая головка: прямоточная, угловая Способ отвода рукава: горизонтальный, вертикальный (вверх, вниз) Охлаждение: водяное, воздушное Исходные данные для моделирования процесса Функциональная математическая модель процесса одношнековой экструзии трубчатой заготовки Формулы для расчета производительности экструдера, толщины и температуры экструдата G  Q  ext  1   s    0 Text  T1 z  Z Уравнение для расчета объемного расхода потока расплава через экструдер Z P0  1  1 n   U z H   Fd  Q Qd   H  FP  1  Q Qd   B z    d z   die  Q k die  n n n 1 Реологическая модель расплава    0  exp b  T1  Tr  Уравнение теплового баланса   сP  Q  d T1 P  W   b  Tb  T1    scr  T1  Tscr   W  U x   bx  U z   bz  Q  dz z   0 zZ Уравнения движения циркуляционного и поступательного потоков расплава P  P  P 1  P  1  n U z n P Fd  Q Qd   y  y0 z   1    1n     Bz    xy    y  y0 x   yz   z n F   1  Q Q   z H x z   x P d Граничные условия T1 z 0  Tmelt P z 0  P0 Функциональная математическая модель процесса формообразования пленочного рукава Формулы для расчета толщины и ширины пленочного полотна  f   h H  wf  2  Rf   f c m Уравнение материального баланса для расчета толщины рукава  R    v  Rext   ext  vext Rext  0,5  d  2   0  vext  G 2    Rext   ext   Эмпирические модели для расчета внутреннего радиуса R и скорости движения v формируемого рукава   v  vext  B  vd  vext   1  cos  h H c  R  Rext  A  R f  Rext  1  cos  h H c  Уравнение теплового баланса рукава для расчета температуры рукава T2 2 2 d T2 4 4     cP  v     cj  T2  Tcj     0    T2  273  Tcj  273 dh j 1 j 1   Эмпирические модели для расчета коэффициентов теплоотдачи наружному и c1 j 1 c c внутреннему хладагентам   c h   1j    v 1j cj Граничные условия T2 h 0  Text 0j cj T2 h H  Tmelt c cj cj Алгоритм обработки данных и расчета характеристик процесса и показателей качества пленки Результаты моделирования – новые данные о процессе Шнек Головка Процесс хранения и накопления информации Хранение и накопление являются одними из основных операций, осуществляемых над информацией, и главным средством обеспечения ее доступности в течение некоторого промежутка времени. В настоящее время определяющим направлением реализации этих операций является концепция базы данных и склада (хранилища) данных. База данных – это совокупность взаимосвязанных данных, используемых несколькими пользователями и хранящихся с регулируемой избыточностью. Хранимые данные не зависят от программ пользователей, для модификации данных применяется общий управляющий метод. Система баз данных – это совокупность управляющей системы, прикладного программного обеспечения, баз данных, операционной системы и технических средств, обеспечивающих информационное обслуживание пользователей. Хранилище данных (Data Warehouse, склад данных, информационное хранилище) – это база, хранящая данные, агрегированные по многим измерениям. Назначение – информационная поддержка принятия решений, а не оперативная обработка данных. Основные отличия хранилища от базы данных: агрегирование данных; данные из хранилища никогда не удаляются; пополнение хранилища происходит на периодической основе (в заданные моменты времени по установленным правилам) – модель «массовых загрузок» данных; формирование новых агрегатов данных, зависящих от старых, – автоматическое. Уровни и модели представления данных Применяется трехуровневое представление для описания предметной области: концептуальное, логическое и внутреннее (физическое). Концептуальный уровень связан с частным представлением данных группы пользователей в виде внешней схемы, объединяемых общностью используемой информации. Каждый конкретный пользователь работает с частью базы данных и представляет ее в виде внешней модели. Этот уровень характеризуется разнообразием используемых моделей описания данных (модели «сущность – связь» (ER-модели (диаграммы), модели Чена), инфологические модели, семантические сети). Логический уровень является обобщенным представлением данных всех пользователей в абстрактной форме. Используются следующие виды даталогических моделей: иерархические, сетевые, реляционные, объектноориентированные и объектно-реляционные. Физический (внутренний) уровень связан со способом фактического хранения данных в физической памяти ЭВМ. Во многом определяется конкретным методом управления. Основными компонентами физического уровня являются хранимые записи, объединяемые в блоки; указатели, необходимые для поиска данных; данные переполнения; промежутки между блоками; служебная информация. Уровни и модели представления данных Сетевая модель является моделью объектов-связей, допускающей только бинарные связи «многие-к-одному» и использует для описания модель ориентированных графов. Иерархическая модель представляет собой разновидность сетевой, являющейся совокупностью деревьев (лесом). Реляционная модель использует представление данных в виде таблиц (реляций). Она базируется на реляционной алгебре и теории отношений. В ней сущность предметной области примерно соответствует таблице, а атрибут сущности – полю (столбцу) таблицы. В объектно-ориентированной модели используются понятия класса, объекта, метода. Данные называются свойствами класса, а алгоритмы – методами. Начало работы класса задается с помощью специальных внутренних (например, нажатие кнопки) или внешних (вызов из другой программы) сигналов, называемых событиями. Для построения объектно-ориентированной модели необходимо: провести инкапсуляцию данных, т.е. выделить классы и объекты; определить возможные виды структуры таблиц; создать наследование классов данных (трансформацию классов путем изменения свойств и методов); обеспечить полиморфизм (возможность использования метода с одним именем как в базовом, так и в производных классах). Пример модели «сущность – связь» для описания данных процесса спекания керамических материалов Пример реляционной модели для описания данных процесса спекания керамических материалов Процесс представления информации Основной задачей процесса представления информации пользователю является создание эффективного интерфейса в системе «человек – компьютер». При этом осуществляется преобразование информации в форму, удобную для восприятия пользователя. Два основных типа интерфейса в системе «человек – компьютер»: на основе меню («смотри и выбирай»); на основе языка команд («вспоминай и набирай»). Интерфейсы типа меню облегчают взаимодействие пользователя с компьютером, так как не требуют предварительного изучения языка общения с системой. На каждом шаге диалога пользователю предъявляются все возможные в данный момент команды в виде наборов пунктов меню, из которого пользователь должен выбрать нужный. Такой способ общения удобен для начинающих и непрофессиональных пользователей. Интерфейс на основе языка команд требует знания пользователем синтаксиса языка общения с компьютером. Достоинством командного языка является его гибкость и мощность. Указанные два способа реализации интерфейса представляют собой крайние случаи, между которыми возможно существование различных промежуточных вариантов. Пример интерфейса администратора (разработчика) программного комплекса для моделирования процесса термоформования полимерных материалов Примеры интерфейса конечного пользователя (исследователя) Ввод исходных данных Примеры интерфейса конечного пользователя (исследователя) Вывод результатов моделирования в виде таблиц и 2D графиков Примеры интерфейса конечного пользователя (исследователя) Вывод результатов моделирования в виде 3D графиков Унифицированный язык моделирования UML как средство поддержки технологии MDD (разработки, управляемой моделями) Язык UML (Unified Modeling Language) предназначен для описания, визуализации и документирования объектно-ориентированных программных систем в процессе их создания. Классы диаграмм (моделей) языка UML: • структурные диаграммы (статические модели) – описывают структуру сущностей или компонентов проектируемой системы, включая их классы, интерфейсы, атрибуты и отношения; • поведенческие диаграммы (динамические модели) – описывают поведение или функционирование объектов системы, включая их методы, взаимодействие и сотрудничество между ними, а также процесс изменения состояний отдельных компонентов и системы в целом. Диаграммы языка UML Структурные диаграммы: • диаграммы пакетов или контейнеров; • диаграммы классов; • диаграммы объектов; • композитные диаграммы; • диаграммы компонентов; • диаграммы развертывания. Поведенческие диаграммы: • диаграммы вариантов (прецедентов) использования; • диаграммы активности (деятельности); • диаграммы состояний; • диаграммы связей; • диаграммы последовательностей; • временные диаграммы; • диаграммы взаимодействия. Диаграмма вариантов использования Диаграмма вариантов использования характеризует функциональность проектируемой программной системы с позиций пользователя и служит для отображения взаимодействия пользователя с программной системой. В диаграмме в виде овалов представляются варианты (прецеденты) использования, то есть те функции, которые выполняет программная система. Пользователи (актеры) изображаются в виде стилизованных фигурок «человечков», ими могут быть не только люди, но и любые внешние системы (программные комплексы, технические устройства), пользующиеся услугами проектируемой программной системы. Основными типами отношений между пользователями и вариантами использования, между двумя вариантами использования являются: • отношения ассоциации, изображаемые отрезками сплошных прямых и соединяющие пользователей и варианты использования; • отношения включения, изображаемые отрезками пунктирных прямых со стрелками на конце, над которыми пишется ключевое слово «include», и соединяющие варианты использования. Отношение включения, направленное от базового варианта использования к включаемому варианту использования, указывает, что каждый экземпляр базового варианта включает в себя функциональные свойства, заданные для включаемого варианта. Эти свойства специализируют поведение базового варианта на данной диаграмме. Пример диаграммы вариантов использования для исследователя процесса Пример диаграммы вариантов использования для администратора базы данных Показатели и группы критериев качества ПО Практичность – работоспособность, возможность обучения, объем ввода, скорость ввода-вывода Целостность – регулирование доступа, контроль доступа Эффективность – эффективность использования памяти, эффективность функционирования Корректность – завершенность, согласованность Надежность – точность, устойчивость к ошибкам, согласованность, простота Удобство обслуживания – согласованность, простота, краткость, модульность Оцениваемость – наличие измерительных средств, информативность, модульность Гибкость – распространяемость, общность, модульность Адаптируемость – общность, модульность, аппаратная независимость, программная независимость Мобильность – модульность, аппаратная независимость, программная независимость Возможность взаимодействия – модульность, унифицируемость процедур связи, унифицируемость данных Гибкость и экономичность ПО Гибкость исследовательского ПО – это способность описывать класс однотипных объектов исследования. Для обеспечения гибкости информационная и функциональная модели объекта исследования, являющиеся ядром исследовательского ПО, должны: • описывать состояние химико-технологического объекта во всех режимах его функционирования (например, эксплуатационном (регламентном), оптимальном, при возникновении нештатных ситуаций); • настраиваться на изменения состава сырья, производительности, аппаратурного оформления процесса, требований к качеству продукции; • учитывать все существенные связи между входными, варьируемыми и выходными параметрами объекта, позволяющие оценить различные режимы функционирования объекта и их влияние на качество продукции. Экономичность характеризуется затратами ресурсов на программную реализацию и интеграцию моделей описания объекта исследования. Экономичность может быть оценена: • затратами вычислительных ресурсов – времени процессора, оперативной памяти (оценки справедливы для ЭВМ одного класса); • размерностью моделей (например, размерностью системы уравнений функциональной модели); • числом внутренних переменных, используемых при реализации моделей; • средним числом операций, выполняемых при одном обращении к моделям.