Компьютерное моделирование объектов, процессов и явлений

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение в моделирование объектов, процессов и явлений

Модель и моделирование - это универсальные понятия, атрибуты одного из наиболее мощных методов познания в любой профессиональной области, познания объекта, процесса, явления (через модели и моделирование).

Модели и моделирование объединяют специалистов различных областей, работающих над решением межпредметных проблем, независимо от того, где эта модель и результаты моделирования будут применены.

Модель - это некоторое представление или описание оригинала (объекта, процесса, явления), которое при определенных предложениях, гипотезах о поведении оригинала позволяет замещать оригинал для его лучшего изучения, исследования, описания его свойств.

Пример. Рассматривая физическое тело, брошенное с высоты h и падающее свободно в течение t времени, можно записать соотношение: h = gt²/2 . Это физико-математическая модель системы (математическая модель физической системы) пути при свободном падении тела. При построении этой модели приняты следующие гипотезы: 1) падение происходит в вакууме (то есть коэффициент сопротивления воздуха равен нулю); 2) ветра нет; 3) масса тела неизменна; 4) тело движется с одинаковым постоянным ускорением g в любой точке.

Слово "модель" (лат. modelium) означает "мера", "способ", "сходство с какой-то вещью".

Проблема моделирования состоит из трех взаимосвязанных задач: построение новой (адаптация известной) модели; исследование модели (разработка метода исследования или адаптация, применение известного); использование (на практике или теоретически) модели.

Если на вход М поступают сигналы из X и на выходе появляются сигналы из Y, то задан закон, правило f функционирования модели, системы.

Классификацию моделей проводят по различным критериям.

Модель - статическая, если среди параметров описания модели нет (явно) временного параметра.

Модель - динамическая, если среди параметров модели явно выделен временной параметр.

Модель - дискретная, если описывает поведение оригинала лишь дискретно, например в дискретные моменты времени (для динамической модели).

Модель - непрерывная, если описывает поведение оригинала на всем промежутке времени.

Модель - детерминированная, если для каждой допустимой совокупности входных параметров она позволяет определять однозначно набор выходных параметров; в противном случае - модель недетерминированная, стохастическая (вероятностная) .

Модель - функциональная, если представима системой функциональных соотношений (например, уравнений).

Модель - теоретико-множественная, если представима некоторыми множествами и отношениями их и их элементов.

Модель - логическая, если представима предикатами, логическими функциями и отношениями.

Модель - информационно-логическая, если она представима информацией о составных элементах, подмоделях, а также логическими отношениями между ними.

Модель - игровая, если она описывает, реализует некоторую игровую ситуацию между элементами (объектами и субъектами игры).

Модель - алгоритмическая, если она описана некоторым алгоритмом или комплексом алгоритмов, определяющим ее функционирование, развитие. Введение такого, на первый взгляд, непривычного типа моделей (действительно, кажется, что любая модель может быть представлена алгоритмом ее исследования), на наш взгляд, вполне обосновано, так как не все модели могут быть исследованы или реализованы алгоритмически.

Модель - графовая, если она представима графом (отношениями вершин и соединяющих их ребер) или графами и отношениями между ними.

Модель - иерархическая (древовидная), если она представима иерахической структурой (деревом).

Модель - языковая, лингвистическая, если она представлена некоторым лингвистическим объектом, формализованной языковой системой или структурой. Иногда такие модели называют вербальными, синтаксическими и т.п.

Модель - визуальная, если она позволяет визуализировать отношения и связи моделируемой системы, особенно в динамике.

Модель - натурная, если она есть материальная копия оригинала.

Модель - геометрическая, если она представима геометрическими образами и отношениями между ними.

Модель - имитационная, если она построена для испытания или изучения, проигрывания возможных путей развития и поведения объекта путем варьирования некоторых или всех параметров модели.

Есть и другие типы моделей.

Пример. Модель F = am - статическая модель движения тела по наклонной плоскости. Динамическая модель типа закона Ньютона: F(t) = a(t)m(t) или, еще более точно и лучше, F(t)=s''(t)m(t). Если рассматривать только t = 0.1, 0.2, …, 1 (с), то модель S_t = gt²/2 или числовая последовательность S₀ = 0, S₁ = 0.01g/2, S₂ = 0.04g, …, S₁₀ = g/2 может служить дискретной моделью движения свободно падающего тела. Модель S = gt²/2, 0 < t < 10 непрерывна на промежутке времени (0;10).

Пусть модель экономической системы производства товаров двух видов 1 и 2, соответственно, в количестве x₁ и x₂ единиц и стоимостью каждой единицы товара a₁ и a₂ на предприятии описана в виде соотношения a₁x₁ + a₂x₂ = S, где S - общая стоимость произведенной предприятием всей продукции (вида 1 и 2). Можно ее использовать в качестве имитационной модели, определяя общую стоимость S в зависимости от тех или иных значений объемов производимых товаров. Приведенные выше физические модели - детерминированные.

Если в модели S= gt²/2, 0 < t < 10 мы учтем случайный параметр - порыв ветра с силой p при падении тела, например, просто так: S(p) = g(p)t²/2, 0 < t < 10, то мы получим стохастическую модель (уже не свободного!) падения. Это - также функциональная модель.

Для множества X = {Николай, Петр, Николаев, Петров, Елена, Екатерина, Михаил, Татьяна} опишем отношения Y: "Николай - супруг Елены", "Екатерина - супруга Петра", "Татьяна - дочь Николая и Елены", "Михаил - сын Петра и Екатерины". Тогда множества X и Y могут служить теоретико-множественной моделью двух семей.

Пусть игрок 1 - добросовестный налоговый инспектор, а игрок 2 - недобросовестный налогоплательщик. Идет "игра" по уклонению от налогов (с одной стороны) и по выявлению сокрытия уплаты налогов (с другой стороны). Игроки выбирают натуральные числа i и j (), которые можно отождествить, соответственно, со штрафом игрока 2 за неуплату налогов при обнаружении факта неуплаты игроком 1 и с временной выгодой игрока 2 от сокрытия налогов. Каждый элемент этой матрицы A определяется по правилу a_ij = |i - j| . Модель игры описывается этой матрицей и стратегией уклонения и поимки.

Алгоритмической моделью вычисления суммы бесконечного убывающего ряда чисел может служить алгоритм вычисления конечной суммы ряда до некоторой заданной степени точности.

Правила правописания - языковая, структурная модель. Глобус - натурная географическая модель земного шара. Макет дома является натурной геометрической моделью строящегося дома. Вписанный в окружность многоугольник дает визуальную геометрическую модель окружности на экране компьютера.

Тип модели зависит от связей и отношений его подсистем и элементов, окружения, а не от его физической природы.

Пример. Математические описания (модели) динамики эпидемии инфекционной болезни, радиоактивного распада, усвоения второго иностранного языка, выпуска изделий производственного предприятия и т.д. являются одинаковыми с точки зрения их описания, хотя процессы различны.

Основные свойства любой модели:

· целенаправленность;

· конечность;

· упрощенность;

· приблизительность;

· адекватность;

· информативность;

· полнота;

· замкнутость и др.

Жизненный цикл моделируемой системы:

· сбор информации;

· проектирование;

· построение;

· исследование;

· оценка;

· модификация.

Наука моделирования состоит в разделении процесса моделирования (системы, модели) на этапы (подсистемы, подмодели), детальном изучении каждого этапа, взаимоотношений, связей, отношений между ними и затем эффективного описания их с максимально возможной степенью формализации и адекватности.

Приведем примеры применения математического, компьютерного моделирования в различных областях:

· энергетика: управление ядерными реакторами, моделирование термоядерных процессов, прогнозирование энергетических процессов, управление энергоресурсами и т.д.;

· экономика: моделирование, прогнозирование экономических и социально-экономических процессов, межбанковские расчеты, автоматизация работ и т.д.;

· космонавтика: расчет траекторий и управления полетом космических аппаратов, моделирование конструкций летательных аппаратов, обработка спутниковой информации и т.д.;

· медицина: моделирование, прогнозирование эпидемий, инфекционных процессов, управление процессом лечения, диагностика болезней и выработка оптимальных стратегий лечения и т.д.;

· производство: управление техническими и технологическими процессами и системами, ресурсами (запасами), планирование, прогнозирование оптимальных процессов производства и т.д.;

· экология: моделирование загрязнения экологических систем, прогноз причинно-следственных связей в экологической системе, откликов системы на те или иные воздействия экологических факторов и т.д.;

· образование: моделирование междисциплинарных связей и систем, стратегий и тактик обучения и т.д.;

· военное дело: моделирование и прогнозирование военных конфликтов, боевых ситуаций, управления войсками, обеспечение армий и т.д.;

· политика: моделирование и прогнозирование политических ситуаций, поведения коалиций различного характера и т.д.;

· социология, общественные науки: моделирование и прогнозирование поведения социологических групп и процессов, общественного поведения и влияния, принятие решений и т.д.;

· СМИ: моделирование и прогнозирование эффекта от воздействия тех или иных сообщений на группы людей, социальные слои и др.;

· туризм: моделирование и прогнозирование потока туристов, развития инфраструктуры туризма и др.;

· проектирование: моделирование, проектирование различных систем, разработка оптимальных проектов, автоматизация управления процессом проектирования и т.д.

Современное моделирование сложных процессов и явлений невозможно без компьютера, без компьютерного моделирования.

Компьютерное моделирование - основа представления (актуализации) знаний как в компьютере, так и с помощью компьютера и с использованием любой информации, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ.

Разновидность компьютерного моделирования - вычислительный эксперимент, осуществляемый экспериментатором над исследуемой системой или процессом с помощью орудия эксперимента - компьютера, компьютерной технологии. Вычислительный эксперимент позволяет находить новые закономерности, проверять гипотезы, визуализировать события и т.д.

Компьютерное моделирование от начала и до завершения проходит следующие этапы.

1. Постановка задачи.

2. Предмодельный анализ.

3. Анализ задачи.

4. Исследование модели.

5. Программирование, проектирование программы.

6. Тестирование и отладка.

7. Оценка моделирования.

8. Документирование.

9. Сопровождение.

10. Использование (применение) модели.

Пример. Рассмотрим популяцию рыб, из которой в текущий момент времени изымается некоторое количество особей (идет лов рыбы). Динамика такой системы определяется моделью вида: x_{i + 1} = x_i + аx_i - kx_i, х₀ = c, где k - коэффициент вылова (скорость изъятия особей). Стоимость одной пойманной рыбы равна b руб. Цель моделирования -- прогноз прибыли при заданной квоте вылова. Для этой модели можно проводить имитационные вычислительные эксперименты и далее модифицировать модель, например следующим образом.

Эксперимент 1. Для заданных параметров a, c изменяя параметр k, определить его наибольшее значение, при котором популяция не вымирает.

Эксперимент 2. Для заданных параметров c, k изменяя параметр a, определить его наибольшее значение, при котором популяция вымирает.

Модификация 1. Учитываем естественную гибель популяции (за счет нехватки пищи, например) с коэффициентом смертности, равным, b: x_{i + 1} = x_i + аx_i - (k + b)x_i, х₀ = c .

2. Введение в информационные технологии

Процесс получения (актуализации) и хранения в компактном виде (структур данных) называется в информатике информационной технологией.

Новая информационная технология - информационная технология на базе новых, компьютерных средств получения, хранения, актуализации информации (знаний).

В узком понимании, новая информационная технология - использование вычислительной техники и систем связи для создания, сбора, передачи, хранения, обработки информации или часть информационного бизнеса.

Взглянем на новые информационные технологии, ограничиваясь их содержательным простым обзором, с учетом того, что две важные информационные технологии - математическое и компьютерное, имитационное моделирование -- уже были нами рассмотрены выше. Отметим лишь, что математическое моделирование - "старая" информационная технология, в отличие от компьютерного моделирования, являющегося новой технологией.

1. Технология баз данных (БД) и систем управления БД (СУБД). БД - достаточно большие наборы структурированных данных некоторой предметной области, представленные на машинных носителях и имеющие общую и удобную структуру, единые организационно-методические, программно-технические и языковые средства обеспечения использования данных различными программами пользователей. В последнее время распространяется технология удаленных БД. Она базируется на коллективном доступе пользователей к информационным ресурсам, сосредоточенным на едином компьютере (хост-компьютере), в диалоговом режиме по сетям передачи данных. Информационные услуги - широкие, благодаря наличию разнообразных средств поиска, обработки и выдачи информации. Особенность данной технологии - предоставление пользователю только информационных услуг, а не непосредственно информационных продуктов, в результате чего он получает (оплачивает) только действительно нужную информацию.

СУБД - программная система, обеспечивающая общение (интерфейс) программ пользователя и данных из БД. Это общение происходит на специальном непроцедурном языке логического представления данных и структур данных, сами данные описываются средствами также специального языка представления данных, программы пользователя при этом могут быть написаны на языке программирования. СУБД должна иметь средства, которые позволяют сформулировать запрос к БД (поиск, сортировка и т.д.) на языке, близком естественному и понятному пользователю, но в то же время формальному, реализованному на ЭВМ. Такие языки называются языками запросов к базам данных и относятся к языкам непроцедурного типа.

Пример. База данных ГИБДД всех владельцев автотранспорта, из которой по запросам сотрудников ГИБДД можно оперативно извлечь, скажем, данные о владельце машины по номеру ее госрегистрации.

2. Технологии хранилищ данных и интеллектуального анализа данных. Хранилище данных - очень большая специализировнная БД и программная система, предназначенная для извлечения, коррекции (чистка, правка) и загрузки данных из источников в БД с многомерной структурой, включая средства упрощения доступа, анализа с целью принятия решения. Интеллектуальный анализ данных (Data Mining) - автоматический поиск скрытых ("не лежащих на поверхности") в больших базах данных взаимоотношений и связей с помощью математического и инфологического анализа, выделения законов (трендов), классификации и распознавания и т.д. Специальные модели и алгоритмы анализа извлекают из больших баз данных или из других хранилищ данных, например, электронных таблиц) знания, позволяющие агрегировать, интегрировать и детализировать эти данные, и самое главное - принимать на их основе решения. Это, по сути, идентификация скрытых в них зависимостей.

Пример. Хранилища данных собирают и централизуют текущую информацию о состоянии дел корпорации, о ее услугах, клиентах, поставщиках и предоставляют аналитические и отчетные инструменты. С помощью анализа финансовых отчетов фирм можно их разбить на классы по их финансовой устойчивости, по вероятности их банкротства, что поможет банку-кредитору осуществлять политику их кредитования более эффективно. Интеллектуальный анализ данных в геоинформационных системах может помочь обнаружить и визуализировать участки земной коры с залежами нефти, газа, сейсмоопасные. В бизнесе такой анализ может осуществляться для оценки надежности клиентов, выявления мошенничества, интерактивного маркетинга, анализа трендов и др. то есть для Business Intellegence.

3. Технология баз знаний (БЗ) и экспертных систем (ЭС). БЗ - накопление, структурирование и хранение с помощью ЭВМ знаний, сведений из различных областей таким организованным способом, что можно иметь доступ к этим знаниям, расширять эти знания, получать, выводить новые знания и т.д.

Пример. БЗ по хирургическим операциям брюшной полости, из которой молодой и неопытный хирург в экстренной хирургической ситуации может извлечь необходимую информацию об операции; сама же БЗ разработана на основе знаний высокопрофессиональных и опытных хирургов.

ЭС - накопление опыта, знаний, умений экспертов, их структурирование и хранение, актуализация с помощью ЭВМ с целью получения экспертных суждений по различным проблемам данной области.

Пример. Примером ЭС "Хирург" может быть экспертная система, построенная на основе приведенного выше примера БЗ.

4. Технология электронной почты и телекоммуникационного доступа к удаленной от пользователя информации, носителю информации, собеседнику - человеку или компьютеру. Электронная почта - система передачи сообщений с помощью компьютера отправителя и приема их с помощью компьютера получателя. При этом сообщение отправителя преобразуется из цифровых кодов (например с помощью модема) в коды электромагнитных колебаний, передаваемые по телефонным каналам, а ЭВМ адресата производит обратное преобразование. Развитие сетей связи - виртуальные локальные вычислительные сети, объединяющие пользователей не по территориальному принципу, а по профессиональным интересам. Телеконференция - обмен сообщениями (докладами) между участниками (подписчиками) конференции, объявленной на электронной доске объявлений в сети Интернет. С помощью телеконференций можно проводить консалтинг, обучение, совещание, автоматизацию офиса и др. Базовая система проведения видеоконференций обычно включает: мощную рабочую мультимедийную станцию; видеокамеру и специальную плату для сжатия видеоинформации; микрофон и видеомагнитофон; средства сопряжения с используемой для проведения конференции сетью.

Пример. Рассмотрим медицинские видеоконференции (яркий социально-экономический пример использования телеконференции). В крупных больницах и клиниках сейчас имеется современное медицинское оборудование - томографы, эхокардиографы и др., а также достаточно высококвалифицированный медицинский персонал, с помощью которых в режиме видеодиалога (конференции), врачи из региональных (вплоть до районных) медицинских учреждений могут обсудить результаты диагностики больного, диагноза, методов и стратегий лечения. Проблема "приближения" этих средств и кадров особенно актуальна для нашей страны с ее большой территорией. Экономическая и социально-медицинская выгода от таких видеоконференций в 6-10 раз выше, чем от классической технологии проведения консультаций с выездом в клинику (иногда это и невозможно).

5. Технология (использования) автоматизированных систем (АС) и автоматизированных рабочих мест (АРМ). АС - это человеко-машинная система для выполнения ежедневных, часто рутинно производимых на рабочем месте действий, с целью уменьшения времени, ошибок и обеспечения оперативной связи с другими сотрудниками; интеллектуальные системы имеют также и способность к перестройке технологической цепочки, имеют способность к обучению.

АРМ - предметно-ориентированная инструментальная АС, предназначенная для автоматизации профессиональных работ (сидящего за данным рабочим столом сотрудника). Можно их определить как автоматизированные системы локального характера, соответствующие некоторому функциональному назначению.

Пользовательский интерфейс с АРМ часто организуется с помощью понятия рабочего стола на экране. Экран делится на три части (три объекта). Первая (обычно верхняя) часть - строка меню, с ее помощью осуществляется доступ к другим объектам. Вторая часть (обычно нижняя) называется строкой состояния, с ее помощью быстро вызываются часто используемые объекты или отображается важная текущая информация. Третья часть (основная, средняя часть экрана) называется рабочей поверхностью (поверхностью стола), с ее помощью отображаются все объекты, вызываемые из меню или из строки состояния. Такая форма организации диалога человека и машины наиболее удобна, и многие программы используют ее. Программные средства АРМ - часть инструментального программного обеспечения.

Пример. АРМ секретаря-референта должен включать редактор текстов, электронную таблицу, переводчики, органайзер и др. АРМ студента-экономиста должен включать электронные учебники по изучаемым дисциплинам, обучающие программы и среды, электронные справочники и энциклопедии, переводчики, органайзер и др. АРМ администратора базы данных должен включать СУБД, электронный журнал администратора и др. АРМ управляющего должен включать средства описания управленческой деятельности в виде сетевого графика, систему контроля исполнения, систему согласования документов, систему электронной подписи, систему ведения совещания и др. АРМ банковского служащего и банковские системы - наиболее развиваемые системы. Они включают программное и техническое обеспечение как специального назначения (например, для банковских расчетов и операции с банкоматами), так и для обеспечения безопасности таких систем.

6. Технологии компьютерного (компьютеризированного) офиса коллективной работы в офисе. Компьютерный офис - это офис, в котором имеется высокий уровень компьютеризации, внедрения АРМ, систем делопроизводства - так, что вся профессиональная деятельность офиса может быть успешно автоматизирована.

Пример. Компьютерный офис - это, например, офис, в котором работа осуществляется с использованием локальных сетей связи и интегрированной программной среды Microsoft Office, которая включает в себя все, в частности ведение делопроизводства, контроль исполнения и др. Стандартное ядро Microsoft Office включает: редактор текстов Microsoft Word (функции редактора - набор, именование и сохранение текста, модификацию, переименование и перемещение текста или его отдельных фрагментов, вставку различных формул, графиков, таблиц, диаграмм и др.); электронную таблицу Excel (функции - обработка, хранение и модификация в произвольных таблицах чисел, строк, столбцов, формул, по которым динамически модифицируются числа, строки и столбцы); систему для презентаций (презентационный пакет) PowerPoint (функции - создание и проецирование на большом экране электронных презентаций, слайд-шоу, ярких пленок для проектора, раздаточных печатных материалов); систему управления базами данных Access (СУБД, доступная любому пользователю и позволяющая быстро и эффективно организовывать, анализировать, перемещать, вести поиск и т.д. для больших массивов информации, без дублирования информации в них), например, по шаблонам создания базы данных: Адресная книга - создает базу данных типа адресной книги, Библиотека - создает базу данных типа библиотеки, Контакты - создает базу данных типа контактных связей и др.

В состав Microsoft Office-2000 входят и будут входить в ее дальнейших модификациях возможности одновременного показа презентаций по локальной сети, использование возможностей системы распознавания речи, визуальные среды разработки различных офисных приложений (например, заполнения платежных поручений), сайты рабочих групп, системы визуализации данных, система сканирования и ввода данных и др.

Технология "Рабочая группа" - технология совместной работы нескольких связанных между собой общими информационными ресурсами компьютеров ("рабочей группы"), объединенных для решения какой-либо общей задачи.

Пример. Примеры рабочих групп: "Дирекция", "Бухгалтерия", "Канцелярия". Компьютерная сеть организации может объединять несколько рабочих групп. У каждого компьютера рабочей группы имеется идентификатор, имя в группе, например, по ФИО человека, на нем работающего. В рабочей группе "Бухгалтерия" может существовать компьютер (рабочее место) "Главбух" или "Иванов Сергей Николаевич".

Рабочая группа может быть и временной - для работы над конкретным проектом в пределах определенного промежутка времени.

Пример. Можно организовать рабочую группу "Презентация фирмы", состоящую из компьютеров сотрудников фирмы, которые подготавливают презентацию своей фирмы, или "Годовой отчет" - для создания годового финансового отчета фирмы. Все эти люди могут работать в разных отделах, но они составляют временную рабочую группу, чтобы было легко обмениваться информацией общего доступа при работе.

Обмен информацией может происходить и между рабочими группами. Для этого не нужно физически перемещать компьютеры: чтобы сформировать рабочую группу, достаточно присвоить всем компьютерам, входящим в состав группы, ее имя.

Пример. Операционная система Windows for Workgroups позволяет выделение компьютеров в рабочие группы при ее инсталляции. Изменять состав и структуру рабочей группы затем можно из "Панели управления", запустив прикладную программу Network (сеть). При этом все компьютеры одной сети, независимо от их объединения в рабочие группы, имеют доступ к общим принтерам и общим файлам, а такие приложения, как Mail (Электронная почта Schedule (Ежедневник), работают только в пределах одной рабочей группы. Передача почты через Mail возможна только в пределах одной рабочей группы. Как правило, в небольших фирмах имеется одна рабочая группа.

Технология "Клиент-сервер" - это технология взаимодействия компьютеров в сети, в которой каждый из компьютеров имеет свое рабочее назначение. Один, более мощный, компьютер (сервер) в сети владеет и распоряжается информационными и аппаратными ресурсами (процессор, файловая система, почтовая служба, база данных и др.), другой, менее мощный ("клиент"), имеет доступ к этим ресурсам лишь через сервер.

Пример. Сейчас говорят уже о принципиально иной концепции взаимодействия между элементами сети peer-to-peer (P2P), позволяющей отдельным компьютерам работать друг с другом напрямую.

7. Технологии использования интегрированных пакетов прикладных программ (ППП) - технологии на базе ППП для решения различных классов однотипных и часто встречающихся задач из различного типа предметных областей. Современные ППП имеют диалоговую, интерактивную обратную связь с пользователем в процессе постановки задачи, решения и анализа результатов. Используют при решении задач обычно используемый в предметной области интерфейс.

Пример. В качестве примера интегрированного ППП приведем пакет MathCAD, предназначенный как для сложных математических вычислений, так и для несложных (в режиме инженерного калькулятора).

8. Технологии машинной графики и визуализации - технологии, базирующиеся на системах рисования и черчения различных графических объектов и образов с помощью ЭВМ и устройств рисования (например, плоттеров), а также их визуального, наглядного представления. Особо следует отметить средства анимации - "оживления" изображений на экране, компьютерных мультфильмов.

Пример. Примером средств машинной графики может служить программный комплекс изображения пространственных объектов и их динамической актуализации - пакет 3D-Studio . Пакет 3D-Studio позволяет не только создавать трехмерные сцены, но и использовать эти сцены при реализации компьютерных анимационных ситуаций (мультипликаций) с использованием различных графических файлов разных форматов, что дает возможность применять при разработке мультфильмов известные графические пакеты: СorelDraw, PhotoPaint и др. 3D-Studio имеет модульную структуру, состоящую из пяти модулей, за каждым из которых закреплены конкретного типа задачи, решаемые в строгой последовательности. Первый модуль (2D-Shaper) является основным инструментом создания и редактирования плоских фигур, а также снабжения других модулей особыми геометрическими структурами, формами и траекториями. Для преобразования плоских фигур в трехмерные каркасные объекты имеется модуль 3D-Lofter, в который включены мощные средства генерации сложных пространственных форм и структур. Подготовленные двумерные планы моделей отображаются ("выдавливаются") в третье измерение по специально заданным траекториям. Модуль 3D-Lofter снабжен средствами деформации, например, по осям, что позволяет создавать трехмерные объекты более сложных форм. Можно построить 3D-фигуру по трем проекциям на координатные плоскости.

9. Гипертекстовые технологии. Гипертекст, hypertext - сверхтекстовая, надтекстовая. Эта технология на базе средств обработки больших, глубоко вложенных, структурированных, связанных семантически и понятийно текстов, информации, которые организованы в виде фрагментов (текста), относящихся к одной и той же системе объектов, что расположены в вершинах некоторой сети и обычно выделяются цветом; они позволяют при машинной реализации быстро, нажатием нескольких клавиш, вызывать и помещать в нужное место просматриваемого или организуемого нового текста нужные фрагменты гипертекста, "привязанные" к выделенным по цвету ключевым словам или словосочетаниям. Гипертекстовая технология позволяет определять, выбирать вариант актуализации информации гипертекста в зависимости от информационных потребностей пользователя и его возможностей, уровня подготовки. При работе с гипертекстовой системой пользователь имеет возможность просматривать документы (страницы текста) в том порядке, в котором ему это больше нравится, а не последовательно, как принято при чтении книг. Достигается это путем создания специального механизма связи различных страниц текста при помощи гипертекстовых ссылок.

Пример. Примерами гипертекстов могут быть электронные журналы.

10. Средства и системы мультимедиа (multimedia) и гипермедиа (hypermedia). Медиа - "среда или носитель информации". Мультимедийность, многосредность - актуализация различных сред и чувств восприятия информации: средства озвучивания, оживления - мультипликации, графического и наглядного представления входных и выходных данных задачи и сценариев решения или даже самого решения.

Пример. Примерами средств мультимедиа могут служить звуковые карты (Sound Blaster) для генерирования на ЭВМ широкого диапазона звуков, активные звуковые колонки для их передачи и устройства считывания информации с компакт-дисков - CD-ROM, позволяющие считывать большие объемы информации - например некоторую сложную и длительную музыкальную композицию, - а затем воспроизводить их с использованием предыдущих двух средств мультимедиа.

Средства гипермедиа - средства на основе синтеза концепции гипертекста и мультимедиа, то есть в гипертекстовые фрагменты могут быть "встроены" мультимедийное сопровождение, мультимедийные приложения.

Пример. Глобальной гипермедийной системой является WWW (Word Wide Web - Всемирная Паутина) - система навигации, поиска и доступа к гипертекстовым и мультимедийным ресурсам Интернета в реальном масштабе времени. Глобальной ее можно считать потому, что в отличие от обычного (локального) гипертекста, ссылка на документ в ней (осуществляемая одним или несколькими щелчками мыши) может привести не только к другому документу (как в локальном гипертексте), но и к другому компьютеру (WWW -серверу), возможно, в другом полушарии. Работа ведется с помощью универсальной программы-клиента, которая позволяет объединить в единое целое клиента и сервер. Для доступа к WWW-серверу (информации на нем) необходимо знать адрес сервера, например, адрес http://www.mark-itt.ru - сервер со списком российских WWW-серверов, http (HyperText Transfer Protocol - протокол работы с гипертекстом). Имеется система автоматического поиска по определенным ключам (запросам, разделам). Информация в WWW представлена в виде гипертекстового документа, включающего в себя различные типы данных (текст, графика, видео, аудио, ссылки на другие гипертекстовые документы и т.д.). Такие документы называют WWW-страницами (WWW-pages). Эти страницы просматриваются с помощью браузеров - специальных программ для навигации по сети. Страницы хранятся на компьютерах-узлах сети, которые называют сайтами (site). Каждый компьютер имеет свой уникальный IP-адрес URL (Uniform Resource Locator - универсальный локатор ресурсов), с помощью которого браузер знает, где находится информация и что надо с ней делать. Cтраница - основной элемент WWW. На них находится та информация, которую мы ищем в сети, или ссылки на нужную информацию. Страницы, гипертекст - это легкая и быстрая в использовании, чрезвычайно мощная система связанных ключевых слов и фраз (ссылок), позволяющая ссылаться на другие ключевые слова и фразы других страниц. Эти ссылки обычно выделены другим цветом, и достаточно просто щелкнуть мышкой по выделенной ссылке, чтобы перейти к информации, на которую ссылается эта ссылка. Для создания гипертекстовых приложений (например, личной WWW-страницы) используется специальный язык HTML (HyperText Markup Language), позволяющий создавать гипертекстовый документ в любом текстовом редакторе формата ASCII, с подключением графических файлов двух основных форматов - GIF и JPEG.

11. Технология виртуальной реальности, виртуальная реальность - технологии актуализации различных гипотетических сред и ситуаций, не существующих реально и возможных как варианты развития реальных аналогов, систем реального мира; эти технологии и системы позволяют управлять виртуальным объектом, системой, путем моделирования законов пространства, времени, взаимодействия, инерции и др.

Высшая форма развития компьютерного офиса - виртуальный офис и виртуальная корпорация - это офисы и корпорации, не существующие в обычном, классическом виде ("имеющих вывеску, штат, здание"), а существующие воображаемо, распределенно - как в пространстве, так и во времени (отделы и сотрудники могут находиться даже на различных континентах, общаясь по работе с помощью ЭВМ и сетей связи). Они являются высшей ступенью организации делового сотрудничества и в корне меняют организацию работ и систему информационного обеспечения сотрудников.

Пример. Виртуальная маркетинговая корпорация "Да Винчи" объединяет ряд горнорудных месторождений, производственные (машиностроительные и строительные), транспортные, инвестиционные, экологические системы. Все подсистемы "Да Винчи" поставляются без доработок под конкретный объект (как детские конструкторы сборно-разборного типа). Один из сценариев, предлагаемых в проекте (Venture Management Model), моделирует нижеследующую ситуацию. Горнодобывающая компания ведет разработки в Новой Гвинее. Построенный в этой местности отель может быть расширен для обслуживания растущего потока деловых клиентов этой компании, а также туристов. Консорциуму, имеющему бизнес в сфере коммуникаций и гостиничных услуг, предлагается долевое участие в развитии этой местности и эксплуатации отеля. Для снижения накладных расходов на расширение отеля и инфраструктуры туризма привлекаются крупные строительные компании (на условиях долевого участия в прибылях). Отметим при этом, что критерии эффективности бизнеса в таком составе - различны, а процесс принятия стратегических решений сопряжен с конфликтными интересами партнеров, динамически изменяющейся их картиной. Для реализации этой корпорации имеются электронная (мультимедийная) почта для поддержки процессов принятия решений первыми лицами, средства телеконференций для функциональных подразделений и аналитиков, геоинформационная система, САПР, взаимодействующая с СУБД через структуру данных с пространственной привязкой, система компьютерного делопроизводства на всех этапах. Используются современные технологии типа "клиент-сервер" и объектно-ориентированные под Windows NT, Windows 95 (рабочие места), Unix (сервер), полные версии MS Office и компьютерный документооборот. В системе электронного документооборота используются: полнотекстовый поиск, доступ к проектной документации на всех этапах жизненного цикла проекта, подготовка интерактивной технической документации. Документ может содержать текст, например, HTML-документ, иллюстрации в одном или нескольких слоях, редакторские правки и комментарии участников различных рабочих групп, участвующих в проекте, трехмерных объекты из программ САПР, подключаемые к документу видео- и аудиофайлы.

Есть еще много других видов (классов) технологий: компьютерной алгебры, средо-ориентированные, объектно-ориентированные, CASE-технологии, нечеткие и др.

виртуальная компьютерное моделирование гипертекстовый

3. Информатизация общества, информационное общество. Интернет

Информатизация - это системный процесс внедрения достижений методов информатики и новых информационных технологий в общественную жизнь, в научно-технические, социально-экономические, технологические, социокультурные и другие институты государства, страны, с целью повышения их эффективности, демократизации, а также гуманитаризации, гармонизации и гуманизации общества.

Информационное общество, развивающееся на основе информационных потоков - это общество на той стадии его развития, когда основные материальные, энергетические, организационные ресурсы могут актуализироваться с помощью информационных ресурсов, то есть они носят материо-энерго-информационный характер и саморазвиваются, самоорганизуются, поддерживаются государственной политикой.

Информационное общество - это общество, в котором ценность всех ресурсов (материальных, энергетических, организационных) определяется ценностью получения, хранения, использования информационного ресурса.

Информация в информационном обществе стала стратегическим ресурсом, ибо она определяет ключевые системы общества, системы, обеспечивающие жизнедеятельность, жизнеспособность общества.

Пример. В 1989 г. в СССР была разработана Концепция информатизации общества, которая должна быть реализована ориентировочно к 2050 году. Аналогичная программа США ориентирована на завершение к 2020 году, Японии и развитых стран Западной Европы - к 2040 году. Все такие программы строятся с учетом национальных, исторических, культурных и других традиций и особенностей страны. Например, японская программа построения информационного общества основана на использовании всех возможностей традиционной индустрии и японского трудолюбия, благополучного окружения, стабильных и хороших условий жизни. Программы многих стран предусматривают привлечение большого количества молодых специалистов в области информационных технологий, создание им льготных эмиграционных условий. Например, немецкая программа рассчитана на привлечение более ста тысяч таких специалистов.

Информатизация страны состоит в информатизации в частности следующих основных систем общества (перечень неполный, хотя и охватывает все основные системы).

1. Банковских систем.

Пример. Виртуальные, компьютерные расчеты и платежи, прогноз банковского кредитного риска и надежности банков, разработка и использование АРМ банковского работника и др.

2. Систем рыночной экономики.

Пример. Прогноз и анализ спроса и предложения на рынке, моделирование поведения сегментов рынка и прибыли от продаж, разработка и использование АРМ работника рыночной экономики и др.

3. Систем социального обеспечения.

Пример. Прогноз и анализ инфляции в страховании, моделирование принятия решений в различных социо-экономических и социо-культурных ситуациях, в частности катастрофических; разработка и использование АРМ социального работника и др.

4. Систем налоговой службы.

Пример. Прогноз и анализ собираемости налогов, моделирование и прогнозирование тяжести налогового бремени, расчет оптимальных ставок налогообложения, разработка и использование АРМ работника налоговой службы и др.

5. Систем биржи и биржевой деятельности.

Пример. Прогноз и анализ динамики курса ценных бумаг, валют, моделирование потоков (товаров, ценных бумаг, платежей, услуг и др. ресурсов) на бирже, моделирование и прогнозирование аномалий, катастроф на бирже; разработка и использование АРМ работника биржи (брокера) и др.

6. Систем промышленности.

Пример. Прогноз и анализ производительности труда, рентабельности и прибыльности, финансовой устойчивости и платежеспособности предприятий, состава и структуры производства, поставок, сбыта, разработка и использование САПР и АРМ и др.

7. Систем транспорта и связи.

Пример. Прогноз и анализ, выбор оптимального маршрута движения транспорта, трафика сетей связи, управление транспортными потоками и средствами, навигация транспортных средств, разработка и использование АРМ работника транспорта, связи и др.

8. Систем топливно-энергетического комплекса.

Пример. Прогноз и анализ (распознавание) мощности нефтеносного пласта, его профиля, автоматизация систем распределения и учета расхода энергии, разработка, использование АРМ работника комплекса и др.

9. Систем строительного комплекса.

Пример. Прогноз, анализ (оптимизация) парка строительных машин, механизмов, их простоя, учет стройматериалов, автоматизированная компоновка (например, прокладка с использованием пакета программ AutoCAD водопроводных, тепловых, электрических коммуникаций), расчет надежности и долговечности конструкций и др.

10. Систем правительственных услуг и права.

Пример. Разработка консультационных правовых компьютерных систем, прогноз и анализ динамики правонарушений в зависимости от различных факторов, разработка и использование различных систем консультирования по вопросам права и государства, разработка и использование АРМ работника правительственной службы, права и др.

11. Систем здравоохранения и медицины.

Пример. Прогноз и анализ эпидемий и различных медико-социо-экономических ситуаций, разработка и использование автоматизированных систем "Поликлиника", "Скорая помощь", "Реабилитационный центр" и др., АРМ терапевта, хирурга, кардиолога, медсестры и др.

12. Систем экологии.

Пример. Прогноз и анализ загрязнения водного и воздушного бассейна, моделирование и прогнозирование катастроф, разработка экспертных систем и баз знаний для принятия экологически обоснованных решений, разработка и использование АРМ эколога и др.

13. Систем сельского хозяйства.

Пример. Прогноз и выбор оптимального режима полива и подкормки растений, автоматизация учета и хранения сельскохозпродукции, моделирование прироста биомассы в динамике, принятие рациональных, экологически обоснованных решений; разработка АРМ работника сельского хозяйства и др.

14. Систем образования и образовательных услуг.

Пример. Разработка и использование систем дистанционного обучения, различных программных, методических продуктов педагогического характера, актуализация и визуализация междисциплинарных связей, в частности с помощью компьютерных лабораторных работ по физике, химии, разработка АРМ директора, завуча, зав. кабинетом, автоматизация составления расписания занятий и др.

15. Систем военного дела.

Пример. Прогноз и анализ ситуаций на военном поле, обеспечение автоматизированных систем управления огнем, оптимальный выбор рациона питания армии, моделирование тактики поведения военных и судов, кораблей, самолетов, танков, в частности, уклонения их от нападения, разработка АРМ военного и др.

16. Систем безопасности.

Пример. Разработка высоконадежных средств шифрования и передачи данных, разработка систем защиты и обеспечения надежности сетей и систем ЭВМ, обеспечение защиты от помех и перехвата информационного характера, разработка АРМ работника системы безопасности и др.

17. Систем делопроизводства

Пример. Использование систем делопроизводства, контроля, электронных словарей и переводчиков, распознавание текстов и их ввод в компьютер, разработка АРМ секретаря-делопроизводителя и др.

Используют часто и термины "региональная информатизация", "региональные проблемы информатизации", которые объединяют совокупность вышеуказанных проблем, возникающих в регионах (областях и республиках, субъектах государства) и учитывающих национально-региональные предпосылки постановки и соответствующие ресурсы при решении указанных выше проблем информатики, уровень информационно-технологического развития региона, исторические, географические, национальные, демографические, социально-экономические, культурные предпосылки, связи региона.

Проблемы информатизации могут возникать на различных уровнях.

Пример. Проблемы информатизации страны: обеспечение дистанционного обучения в рамках страны; разработка и/или исследование адекватных математических моделей демографической ситуации в стране; разработка математических моделей и компьютерных систем прогноза погоды; разработка внутригосударственной автоматизированной системы управления транспортом и продажи билетов. Проблемы информатизации региона: информатизация образования или решение задач информатизации регионального компонента образования; компьютеризация налоговых и банковских региональных структур; разработка математических моделей и компьютерных систем планирования целей, исследования, принятия решений и управления различными (например, эколого-медицинскими) системами региона. Задачи информатизации города: информатизация, компьютеризация АТС города, например, на базе цифровых систем связи; информатизация и компьютеризация управления таксопарком города; разработка баз данных по юридическим и физическим лицам города. Примерами информатизации быта и досуга могут быть: разработка автоматизированной системы ведения домашней бухгалтерии; разработка и использование мультимедийных программных обучающих систем для домашней и самостоятельной работы школьников; разработка и использование различных игровых систем.

Основные социально-экономические проявления информатизации:

· высокая информационная культура членов общества и его систем, государственное воспитание и поддержание этой культуры на государственном уровне;

· индустриализация информационного обслуживания членов и институтов общества;

· превращение информации в товар с его классическими атрибутами (цена, стоимость, спрос, предложение, наличие денежного эквивалента, издержки, реклама и т.д.) и развитие рынка этого товара;

· потенциально свободный доступ каждого к интеллектуальному богатству общества, всего мирового сообщества;

· превращение знаний и профессионализма в непосредственный атрибут товаро-денежных отношений, капитализация информационных ресурсов и отношений, знаний;

· превращение труда в преимущественно умственный и интеллектуальный труд, высвобождение большего времени для духовного развития или саморазвития человека, высокий уровень информационного сервиса быта и труда;

· обеспечение информационной защиты и информационной безопасности общества, стабильности и устойчивости существования этого общества;

· более высокий уровень принятия решений на базе соответствующих систем (баз данных, знаний, экспертных систем и др.).

В процессе информатизации общества необходимо:

· создать математическую и элементную (техническую) базу;

· создать качественную и гибкую индустрию информационных потоков, технологий;

· подготовить системы информатизации и совершенствования управления;

· обеспечить информационную безопасность (предупреждение негативного воздействия информации на человека и общество);

· воспитать информационно, "компьютерно и сетевым образом" грамотных членов общества, создать все условия для этого.

Важную роль в развитии информационного мирового сообщества играют компьютерные сети, Интернет.

Сеть - система компьютеров, соединяемых между собой в соответствии с одной из стандартных типовых форм соединения (топологией сети) для передачи и приема сообщений (пакетов данных).

Основные функции любой сети:

1. обеспечение доставки пакетов данных;

2. обеспечение автоматического конфигурирования и надежной работы, сетевого сервиса;

3. согласование пакетов для различных базовых протоколов.

Имеется специальное устройство - маршрутизатор. Маршрут - адреса последовательных маршрутизаторов, которые проходит пакет от отправителя до адресата. Маршрутизатор объединяет отдельные сети в сложную (составную) сеть и выбирает из альтернативных маршрутов для передачи пакетов данных между двумя конечными узлами - один, более оптимальный в каком-то смысле (например, по времени передачи пакета).

Маршрутизатор соединяет несколько сетей в так называемую интерсеть. Для этого маршрутизаторы обмениваются маршрутной информацией между собой по специальному протоколу - протоколу маршрутизации.

С помощью специальных протоколов обмена маршрутами (протоколов сетевого уровня) маршрутизаторы составляют маршрутную карту межсетевых связей и принимают решение о том, какому следующему маршрутизатору в маршруте нужно передать пакет для образования рационального (например, по времени) пути.

Для построения сетей используются специальные устройства - концентраторы (хабы), к которым подсоединяются все устройства сети (как к коммутатору телефонной станции). Подсоединяется либо хаб более высокого уровня, либо хаб более низкого уровня, с защитой данных и двумя режимами работы: конфиденциальным (можно получать лишь те сообщения, которые адресованы непосредственно хабу) и публичным (можно получать все сообщения, например, для маршрутизаторов). Хаб время от времени автоматически опрашивает подключенные узлы, выясняет их состояние ("свободен", "передает", "принимает") и анализирует их запросы: сперва обслуживаются запросы высокого приоритета, например, от приложений, требующих немедленной реакции, а затем - запросы с обычным приоритетом. Приоритет выделяется по времени ответа на запрос: чем меньше время ответа - тем, как правило, выше приоритет.

Интернет - развитие проекта американского оборонного ведомства DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency) по созданию сетевой архитектуры, обеспечивающей эффективную связь ряда военных и правительственных сетей.

В процессе реализации проекта Интернет оказалось, что модель взаимодействия между компьютерами может эффективно применяться и для создания образовательных, коммерческих, научных, исследовательских и других сетей, то есть для создания глобальной информационной инфраструктуры, в результате чего Интернет стал международной коммуникационной средой.

Интернет - система объединяемых по мере необходимости сетей со стандартизированными едиными протоколами обмена и доступа к информации в режиме реального времени. Это - "Сеть сетей", с добровольным участием, управляемая ISOC (Internet SOCiety), то есть сообществом, способствующим глобальному обмену информацией, вырабатывающим техническую политику и осуществляющим поддержку и управление Интернет.