Основные понятия информационных технологий и систем управления

Слово "технология" произошло от древнегреческого слова "техне", которое переводится на русский язык как искусство или мастерство. Однако, в настоящее время понятия технологии и искусства по смыслу несколько отличаются друг от друга. Чем отличается искусство управления от технологии управления, искусство обработки металлов от технологии обработки металлов и что в них общего? И искусство и технология - это методы некоторой целенаправленной деятельности, т.е. деятельности, которая имеет заранее определенную цель и направлена на достижение заранее определенного результата. Технология в отличие от искусства предполагает большую степень формализации в описании соответствующих методов, большую степень определенности целей и результатов, большую степень повторяемости результатов, т.е. более высокую вероятность повторного получения того же самого заранее описанного результата в случае повторного выполнения тех же самых заранее описанных условий.

Метод предполагает некоторые материальные или абстрактные объекты его приложения, отсюда наличие и у технологии объектов ее приложения. Если объектом приложения технологий и их методов является информация, то это информационные технологии (ИТ). Слово "информация" в переводе с древнегреческого на русский язык означает разъяснение, осведомление, изложение, т.е. это любые сведения о материальных или абстрактных явлениях, объектах и процессах.

В истории человечества известны 4 информационные революции. Первая связана с появлением письменности. Вторая связана с изобретением книгопечатания. Третья – с изобретением электричества (телеграфа, телефона, радиосвязи и т.п.) Четвертая – с изобретением компьютера, в особенности – персонального компьютера, разнообразных периферийных устройств (сканеров, цифровых фотоаппаратов и видеокамер, принтеров и т.п.), локальных и глобальных компьютерных сетей, особенно - Интернет. Таким образом, информационные технологии существовали и две тысячи лет назад. Новые информационные технологии (НИТ) – это технологии, связанные с последней для данного момента времени информационной революцией. Для начала ХХ века новыми были технологии, связанные с третьей информационной революцией, для настоящего времени - это технологии, связанные с четвертой информационной революцией.

Формализованные описания - это описания с некоторой степенью формализации, возможно не полной. Формализованные описания методов предполагают использование моделей, в частности алгоритмов.

Модель - это отображение M некоторого множества A в другое множество B, отображение некоторого множества X определенных над элементами множества A операций в множество Y определенных над элементами множества B операций, отображение некоторого множества P определенных над элементами множества A отношений в множество Q определенных над элементами множества B отношений. При этом требуется соответствие результатов операций и отношений.

Рассмотрим простейший пример модели. Пусть А - множество всевозможных выборов товара покупателем в универсаме. Пусть B - множество денежных сумм. Отображение M каждому выбору товаров a сопоставляет его цену b, у нас b=M(a), т.е. моделью выбора является его цена.

Пусть на множестве A имеется операция сложения выборов, например, a₁ (выбор покупателем 1кг конфет) и a₂ (выбор 2кг сливочного масла). Результатом такой операции будет считаться выбор всех товаров, входящих в слагаемые выборы. У нас a₁+a₂=a (выбор покупателем 1кг конфет и 2кг сливочного масла).

Операция сложения на множестве B очевидна - это операция сложения денежных сумм. Пусть у нас эта операция является моделью операции сложения выборов. Имеет место соответствие результатов этих двух операций сложения. Пусть у нас M(a₁)=b₁=60руб и M(a₂)=b₂=140руб. Тогда M(a)=b₁+b₂=200руб.

Описанная модель применима к универсаму, но не применима к рынку. На рынке, например, может стоить 1кг мандаринов - 30 руб., а 2кг мандаринов - 55 руб. В этом случае нужна более сложная модель.

Пусть на множестве выборов A имеется отношение "больше" (>), пусть a₂>a₁, если по мнению большинства покупателей a₂ превосходит по ценности a₁. Отношение "больше" (>) на множестве B очевидно, b₂>b₁ означает, что денежная сумма b₂ превосходит денежную сумму b₁. Пусть у нас отношение "больше" для денежных сумм является моделью отношения "больше" для выборов. Для обеспечения нормальной работы магазина необходимо соответствие результатов этих двух отношений.

Метод моделирования является важным инструментом научных исследований. Суть этого метода состоит в том, что исследуемый объект заменяется его моделью, т.е. некоторым другим объектом, сохраняющим основные свойства реального объекта, но более удобным для исследования или использования.

Различают физические и абстрактные модели. При изучении автоматизированных информационных технологий наибольшее распространение получили абстрактные информационные модели.

Информационная модель - это отражение предметной области в виде информации. Предметная область представляет собой часть реального мира, которая исследуется или используется. Отображение предметной области в информационных технологиях представляется информационными моделями нескольких уровней (Рисунок 1 .1).

Концептуальная модель (КМ) обеспечивает интегрированное представление о предметной области (например, технологические карты, техническое задание, план производства и т.п.) и имеет слабо формализованный характер. Логическая модель (ЛМ) формируется из концептуальной путем выделения конкретной части (скажем, подлежащей управлению), ее детализации и формализации. Логическая модель, формализующая на языке математики взаимосвязи в выделенной предметной области, называется математической моделью (ММ). С помощью математических методов математическая модель преобразуется в алгоритмическую модель (AM), задающую последовательность действий, реализующих достижение поставленной цели управления. На основе AM создается машинная программа (П), являющаяся той же алгоритмической моделью, только представленной на языке, понятном ЭВМ.

Рисунок 1.1. Уровни информационных моделей

Будем называть базовой информационной технологией информационную технологию, ориентированную на определенную область применения. Любая информационная технология слагается из взаимосвязанных информационных процессов, каждый из которых содержит определенный набор процедур, реализуемых с помощью информационных операций. Информационная технология выступает как система, функционирование каждого элемента которой подчиняется общей цели функционирования системы - получению качественного информационного продукта из исходного информационного ресурса в соответствии с поставленной задачей.

Как базовая информационная технология в целом, так и отдельные информационные процессы могут быть представлены тремя уровнями: концептуальным, логическим и физическим. Концептуальный уровень определяет содержательный аспект информационной технологии или процесса, логический - отображается формализованным (модельным) описанием, а физический уровень раскрывает программно-аппаратную реализацию информационных процессов и технологии.

Методы (методы информационных технологий в частности) должны быть практически реализованы. Материальные или абстрактные объекты, без которых такая реализация может стать невозможной называются средствами реализации соответствующих технологий и методов. Информационные технологии предполагают обработку информации, а также ее сбор, хранение, передачу, использование. Средствами здесь являются обладающие профессиональными навыками люди (кадровое обеспечение), средства описания моделей и алгоритмов, сами модели и алгоритмы (теоретическое обеспечение - brainware), программные средства (программное обеспечение - software), аппаратные или технические средства обработки, сбора, хранения, передачи, использования информации (компьютеры и периферийные устройства, линии связи, датчики, исполнительные механизмы и т.п. - hardware).

Система - это несколько абстрактных или материальных объектов, рассматриваемых как единая сущность, функционирующая для достижения некоторых целей. Информационная система (ИС) - это совокупность средств информационных технологий (кадровое обеспечение, brainware, software, hardware), функционирующая для достижения некоторых целей.

Классификация систем может производиться по различным признакам. В наиболее общем плане системы можно разделить на материальные и абстрактные.

Материальные системы представляют собой совокупность материальных объектов. Среди материальных систем можно выделить неорганические (технические, химические и т.п.), органические (биологические) и смешанные, содержащие элементе как неорганической, так и органической природы. Среди смешанных систем следует обратить особое внимание на человеко-машинные (эрготехнические) системы, в которых человек с помощью машин осуществляет свою трудовую деятельность.

Важное место среди материальных систем занимают социальные системы с общественными отношениями (связями) между людьми. Подклассом этих систем являются социально-экономические системы, в которых связи между элементами - этс общественные отношения людей в процессе производства.

Абстрактные системы - это продукт человеческого мышления: знания, теории, гипотезы и т.п.

По временной зависимости различают статические и динамические системы. В статических системах с течением времени состояние не изменяется, в динамических системах происходит изменение состояния в процессе ее функционирования.

Динамические системы с точки зрения наблюдателя могут быть детерминированными и вероятностными (стохастическими). В детерминированной системе состояние ее элементов I любой момент времени полностью определяется их состоянием в предшествующий или последующий моменты времени. Иначе говоря, всегда можно предсказать поведение детерминированной системы. Если же поведение предсказать невозможно, то система относится к классу вероятностных (стохастических) систем.

Любая система входит в состав большей системы. Эта большая система как бы окружает ее и является для данной системы внешней средой. По тому, как взаимодействует система с внешней средой, различают закрытые и открытые системы. Закрытые системы не взаимодействуют с внешней средой, все процессы, кроме энергетических, замыкаются внутри системы. Открытые системы активно взаимодействуют с внешней средой, что позволяет им развиваться в сторону совершенствования и усложнения.

По сложности системы принято делить на простые, сложные и большие (очень сложные).

Простая система - это система, не имеющая развитой структуры (например, нельзя выявить иерархические уровни).

Сложная система - система с развитой структурой, состоящая из элементов - подсистем, являющихся, в свою очередь, простыми системами.

Большая система - это сложная система, имеющая ряд дополнительных признаков: наличие разнообразных (материальных, информационных, денежных, энергетических) связей между подсистемами и элементами подсистем; открытость системы; наличие в системе элементов самоорганизации; участие в функционировании системы людей, машин и природной среды. Понятие большой системы было введено для обозначения особой группы систем, не поддающихся точному и подробному описанию.

Управление - это целенаправленное воздействие (U) на объекты управления (ОУ). Это воздействие происходит со стороны исполнительных органов (ИО) или механизмов. Отклонение ОУ от заданного состояния происходят под воздействием внешних возмущений (V). ИО получает управляющую информацию (Iу) от управляющего органа (УО). УО получает осведомительную информацию (Iос) от ОУ и входную информацию (Iвх) из внешней среды. Рисунок 1 .2. представляет укрупненную структурную схему системы управления.

Информационные технологии и системы управления - это соответственно информационные технологии и системы, предназначенные для поддержки решения задач управления.

В зависимости от того, в какой системе (простой, сложной, большой) производится управление, различают системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ).

Автоматическое управление осуществляется, как правило, в простых системах, в которых заранее известны описание объекта управления и алгоритм управления им. По принципу управления системы автоматического управления могут быть разомкнутыми и замкнутыми. В разомкнутых системах измеряется возмущение, отклоняющее объект от заданного состояния, и вырабатывается воздействие, компенсирующее возникшее возмущение. Такая система не способна длительное время управлять неустойчивым объектом.

Рисунок 1.2. Укрупненная структурная схема системы управления

В замкнутых системах (Рисунок 1 .3) реализуется идея обратной связи, благодаря которой информация об отклонении управляемого объекта от заданного состояния позволяет выработать воздействие, возвращающее объект в это состояние.

Благодаря тому, что поведение объекта и алгоритм управления строго заданы, системы автоматического управления могут работать автономно, без участия человека (хотя, конечно, их создание и наблюдение за их функционированием невозможно без человека).

Как правило, САУ (Рисунок 1 .3) используются в технических системах, а в качестве управляющего органа (УО) используется компьютер, который с помощью программы (для него это Iвх) выдает результат обработки информации, обычно физический сигнал. Это сигнал управления (Iу), который через преобразователь (Пр1) приводит в действие исполнительный орган (ИО), возвращающий объект управления (ОУ) в заданное программой компьютера состояние. Состояние ОУ, меняющееся под воздействием вне­шних возмущений V, определяет значение сигнала обратной связи (Iоc), которое через преобразователь (Пр2) поступает в компьютер (УО). Преобразователи необходимы для изменения уровней или природы проходящих через них сигналов, так как элементы системы могут быть различны по своей физической сути.

Рисунок 1.3. Структурная схема замкнутой САУ

С ростом и усложнением производства объекты управления приобретают характер сложных и больших систем, имеющих большое число элементов и подсистем, связи между которыми не всегда ясны, а критерии функционирования не обладают достаточной четкостью. В этих условиях использовать результаты теории автоматического управления в полной мере не удается, и в контур управления, помимо человека - оператора ЭВМ, действующего по заданным алгоритмам, включается лицо, принимающее решения (ЛПР). Наличие ЛПР в контуре управления (Рисунок 1 .4) является отличительной чертой автоматизированных систем управления (АСУ), которые в случае применения в организационно-экономическом управлении называют экономическими информационными системами (ЭИС). Автоматизированное управление применяется в том случае, если нет возможности реализовывать автоматическое управление.

Рисунок 1.4. Структурная схема АСУ: ЛПР в контуре управления

ЛПР, получив информацию обратной связи Iос, осведомляющую его о состоянии объекта управления (ОУ), обращается к ЭВМ (поток Iвх), имеющей определенное программное обеспечение (ПО) и вырабатывающей рекомендации к принятию решения (поток Iвых). На основе анализа предложенных ЭВМ альтернатив ЛПР принимает решение, которое в виде управляющей информации (Iу) поступает в исполнительный орган (ИО), переводя его в необходимое состояние. Например, министр (это ЛПР), получив информацию о состоянии отрасли (это ОУ), после обработки всей нужной информации на ЭВМ и просчета наборов вариантов поведения в сложившейся ситуации принимает решение, которое реализуется аппаратом министерства (это ИО) в управляемой отрасли производства.

Рисунок 1.5. Фазы процесса принятия решения

Когда ученые выделили из процесса управления стадию принятия решения, то вначале казалось, что для полной автоматизации достаточно разработать математическую моде и реализовать ее в ЭВМ. И тогда АСУ превращается в САУ. Однако, как оказалось, процесс принятия решения человеке очень сложен. Иногда в этот процесс включаются такие механизмы, которые невозможно предусмотреть и тем более формализовать. При принятии решения человек может учитывать и такие аспекты, как мораль, традиции, человеческие взаимоотношения. Вот почему при управлении социально-экономическими системами (иначе - при организационно-экономическом управлении) процесс принятия решения не может быть осуществлен без человека.

Рисунок 1 .5 показывает взаимосвязь фаз принятия решения Человек на основе анализа (АИ) осведомляющей информации Iос от объекта управления и информации Iвх от концептуальной модели объекта управления производит постановку задачи (ПЗ), решение которой должно позволить наилучшим образом управлять объектом (скажем, производством) в данной ситуации.

Однако решений (альтернатив) всегда несколько (если решение всегда одно, то проблемы выбора не существует, а значит, и теряет смысл сам процесс принятия решения). Поэтому далее идет фаза генерации альтернатив (ГА), т.е. выдвижение возможных решений задачи. Как уже говорилось, управление всегда ведется с определенной целью. Решение поставленной задачи должно согласовываться с общей целью управления и частной целью в данной ситуации. Поэтому выбрать альтернативу невозможно, если нет критерия выбора, отражающего цель управления. Таким образом, следующая фаза - выбор критерия (ВК) решения поставленной задачи. На этом этапе анализа альтернатив (АА) производится их исследование по выбранному критерию, а далее - окончательный выбор одной из альтернатив (ВА), наилучшим образом удовлетворяющей критерию выбора. Выбранная альтернатива дополнительно анализируется, и выдается окончательное решение (ВР), принимающее в организационных системах вид потока управляющей информации Iу.

Если рассматривать фазы принятия решения относительно возможности их автоматизации на базе информационной технологии, то в настоящее время, пожалуй, только фазы анализа информации (АИ), генерации альтернатив (ГА) и анализа альтернатив (АА) по выбранному критерию удается автоматизировать в достаточной мере.

Для этого необходимо, чтобы в ЭВМ находились модели поставленной задачи, с помощью которых возможно было бы быстро просчитать результаты решения по различным альтернативам, исходным данным и критериям. Конечно, для этого желательно, чтобы ЛПР умел использовать средства информационной технологии. В противном случае приходится иметь штат системщиков, аналитиков и т.п. Развитие программно-аппаратных средств ИТ с каждым годом приводит ко все большему упрощению взаимодействия человека с ЭВМ и, таким образом, уменьшает число посредников диалога, что ускоряет и повышает качество принимаемых решений. Большое значение для принятия быстрого и верного решения имеет автоматизация фазы обработки и анализа информации, поступающей с потоками Iос и Iвх. Для принятия решения всегда может потребоваться дополнительная информация, не содержащаяся в потоках Iос и Iвх. В этих случаях важную роль играет информационное обеспечение ЛПР, которое в целях оперативности должно быть организовано с помощью средств ИТ (базы и банки данных).