ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 31.03.2021
Просмотров: 6603
Скачиваний: 50
76
иметь и несколько идентификаторов, каждый из которых составлен из одного или нескольких ат-
рибутов. Один из них может быть выбран как привилегированный для соответствующей ситуации.
Объект может быть представлен вместе со своими атрибутами несколькими различными
способами. Графически объект может быть изображен в виде рамки, содержащей имя объекта и
имена атрибутов. Атрибуты, которые составляют привилегированный идентификатор объекта, мо-
гут быть выделены (например, символом * слева от имени атрибута):
В эквивалентном текстовом представлении это может иметь следующий вид:
Книга (Автор. Название. Год издания. Число страниц).
Привилегированный идентификатор подчеркивается.
Еще одним способом представления объекта информационной модели является таблица. В
этой интерпретации каждый экземпляр объекта является строкой в таблице, а значения атрибутов,
соответствующих каждому экземпляру, - клетками строки, табл. 1.11.
Таблица 1.11 Таблица как представление информационной модели
Автор
Книга
Название
Год издания
Число страниц
Грин А.
Стивенсон Р. П.
Скотт В.
Гончаров И. А.
Бегущая по волнам
Остров сокровищ
Ричард Львиное Сердце
Обрыв
1988
1992
1993
1986
279
269
349
598
Можно классифицировать атрибуты по принадлежности к одному из трех различных типов:
• описательные;
• указывающие;
• вспомогательные.
Описательные атрибуты
представляют факты, внутренне присущие каждому экземпляру
объекта. Если значение описательного атрибута изменится, то это говорит о том, что некоторая
характеристика экземпляра изменилась, но сам экземпляр остался прежним.
Указательные атрибуты
могут использоваться как идентификаторы (или часть идентифи-
каторов) экземпляра. Если значение указывающих атрибутов изменяется, то это говорит лишь о
том, что новое имя дается тому же самому экземпляру.
Вспомогательные атрибуты
используются для связи экземпляра одного объекта с экземп-
ляром другого объекта.
Рассмотрим пример:
Автомобиль
* гос. номер
. марка
. цвет
. владелец
Атрибут «цвет» является описательным, атрибуты «гос. номер» и «марка» - указательными,
атрибут «владелец» - вспомогательным, служащим для связи экземпляра объекта Автомобиль с
экземпляром объекта Автолюбитель. Если значение вспомогательного атрибута изменится, это
говорит о том, что теперь другие экземпляры объектов связаны между собой.
10.3. СВЯЗИ МЕЖДУ ОБЪЕКТАМИ
В реальном мире между предметами существуют различные отношения. Если предметы
моделируются как объекты, то отношения, которые систематически возникают между различными
77
видами объектов, отражаются в информационных моделях как связи. Каждая
связь
задается в мо-
дели определенным именем. Связь в графической форме представляется как линия между связан-
ными объектами и обозначается идентификатором связи.
Существует три вида связи: один-к-одному (рис. 1.39), один-ко-многнм (рис. 1.40) и мно-
гие-ко-многим (рис. 1.41).
Связь один-к-одному существует, когда один экземпляр одного объекта связан с единст-
венным экземпляром другого. Связь один-к-одному обозначается стрелками ←и→.
Рис. 1.39.
Пример связи «одии-к-одному»
Связь один-ко-многим существует, когда один экземпляр первого объекта связан с одним
(или более) экземпляром второго объекта, но каждый экземпляр второго объекта связан только с
одним экземпляром первого. Множественность связи изображается двойной стрелкой →→.
Рис. 1.40.
Пример связи «один-ко-многим»
Связь многие-ко-многим существует, когда один экземпляр первого объекта связан с одним
или большим количеством экземпляров второго и каждый экземпляр второго связан с одним или
многими экземплярами первого. Этот тип связи изображается двусторонней стрелкой ↔
Рис. 1.41.
Пример связи «многие-ко-многим»
Помимо множественности, связи могут подразделяться на безусловные и условные. В без-
условной связи для участия в ней требуется каждый экземпляр объекта. В условной связи прини-
мают участие не все экземпляры объекта. Связь может быть условной как с одной, так и с обеих
сторон.
Все связи в информационной модели требуют описания, которое, как минимум, включает:
• идентификатор связи;
• формулировку сущности связи;
• вид связи (ее множественность и условность);
• способ описания связи с помощью вспомогательных атрибутов объектов.
Дальнейшее развитие представлений информационного моделирования связано с развити-
ем понятия связи, структур, ими образуемых, и задач, которые могут быть решены на этих струк-
турах. Нам уже известна простая последовательная структура экземпляров - очередь, см. рис. 1.34.
Возможными обобщениями информационных моделей являются циклическая структура, таблица
(см. табл. 1.10), стек (см. рис. 1.35).
Очень важную роль играет древовидная информационная модель, являющаяся одной из са-
мых распространенных типов классификационных структур. Эта модель строится на основе связи,
отражающей отношение части к целому:
«А
есть часть М» или «М управляет
А».
Очевидно, древо-
видная связь является безусловной связью типа один-ко-многим и графически изображена на рис.
1.42,
в.
На этом же рисунке для сравнения приведены схемы информационных моделей типа «оче-
редь» (а) и «цикл»
(б).
78
Рис. 1.42.
Информационные модели типа «очередь» (а), «цикл» (б), «дерево»
(в)
Таким образом, типы данных в программировании, обсуждавшиеся в предыдущем пара-
графе, тесно связаны с определенными информационными моделями данных.
Еще более общей информационной моделью является, так называемая, графовая структура,
рис. 1.43. Графовые структуры являются основой решения огромного количества задач информа-
ционного моделирования.
Многие прикладные задачи информационного моделирования были поставлены и изучены
достаточно давно, в 50-60-х годах, в связи с активно развивавшимися тогда исследованиями и раз-
работками по научным основам управления в системах различной природы и в связи с попытками
смоделировать с помощью компьютеров психическую деятельность человека при решении твор-
ческих интеллектуальных задач. Научное знание и модели, которые были получены в ходе реше-
ния этих задач, объединены в науке под названием «Кибернетика», в рамках которой существует
раздел «Исследования по искусственному интеллекту».
Рис. 1.43.
Информационная модель типа «граф»
Контрольные вопросы и задания
1. Что означает понятие «модель» в научном познании?
2. Какие типы моделей существуют?
3. Что такое «информационная модель»?
4. Что такое «объект» с точки зрения информационного моделирования? Какие типы объ-
ектов можно различать?
5. Что такое «атрибуты»? Какими они бывают?
6. Что такое «связь»? Какие типы связи различают?
7. Разработайте примеры древовидных структур данных из окружающей реальности.
§ 11. НЕКОТОРЫЕ КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИНФОРМАТИКИ
79
11.1. ПРЕДМЕТ КИБЕРНЕТИКИ
Слово «кибернетика» происходит от греческого слова, означающего в переводе «кормчий».
Его современное значение связано с научной областью, начало которой положила книга амери-
канского ученого Норберта Винера «Кибернетика или управление и связь в животном и машине»,
вышедшая в 1948 г. Вскоре предметом новой науки стали не только биологические и технические
системы, но и системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать ин-
формацию и использовать ее для управления и регулирования. В изданной в 1947 г. «Энциклопе-
дии кибернетики» говорится, что это «... наука об общих законах получения, хранения, передачи и
преобразования информации в сложных управляющих системах. При этом под управляющими
системами здесь понимаются не только технические, а и любые биологические, административ-
ные и социальные системы». Таким образом, кибернетика и информатика являются, скорее всего,
единой наукой. Сегодня кибернетику все чаще считают частью информатики, ее «высшим» разде-
лом, в какой-то степени аналогичным по положению «высшей математике» по отношению ко всей
математике вообще (примерно в таком же положении по отношению к информатике находится и
наука «Искусственный интеллект»). Информатика в целом шире кибернетики, так как в информа-
тике имеются аспекты, связанные с архитектурой и программированием ЭВМ, которые непосред-
ственно к кибернетике отнести нельзя.
Кибернетические разделы информатики богаты подходами и моделями в исследовании
разнообразных систем и используют в качестве аппарата многие разделы фундаментальной и при-
кладной математики.
Классическим и до известной степени самостоятельным разделом кибернетики считают
ис-
следование операций.
Под этим термином понимают применение математических методов для
обоснования решений в различных областях целенаправленной человеческой деятельности.
Поясним, что понимается под «решением». Пусть предпринимается некоторое мероприятие
(в производственной, экономической или социальной сфере), направленное на достижение опре-
деленной цели - такое мероприятие называется «операцией». У лица (или группы лиц), ответст-
венного за проведение этого мероприятия, имеется возможность выбора, как его организовать.
Например, можно выбрать виды продукции, которые будут выпускаться, оборудование, которое
при этом будет применяться, так или иначе распределить имеющиеся средства и т.д. «Операция»
есть управляемое мероприятие.
Решение
есть выбор из ряда возможностей, имеющихся у ответственного лица. Решения
могут быть удачными и неудачными, разумными и неразумными. Оптимальными называют реше-
ния, по тем или другим принципам более предпочтитель-ные, чем другие. Цель исследования опе-
раций - математическое (количественное) обоснование оптимальных решений.
Исследование операций включает в себя следующие разделы:
1)
математическое программирование
(обоснование планов, программ хозяйственной
деятельности); оно включает в себя относительно самостоятельные разделы:
линейное програм-
мирование, нелинейное программирование, динамическое программирование
(во всех этих
названиях термин «программирование» возник исторически и не имеет отношения к программи-
рованию ЭВМ);
2) теорию массового обслуживания,
опирающуюся на теорию случайных процессов;
3)
теорию игр,
позволяющую обосновывать решения, принимаемые в условиях неполноты
информации.
Отметим, что эти разделы не связаны непосредственно с ЭВМ и техническими системами.
Иным, быстро развивавшимся в 70-х-80-х годах, разделом кибернетики были системы автоматиче-
ского (автоматизированного) регулирования. Этот раздел имест замкнутый, автономный характер,
исторически сложившийся самостоятельно. Он тесно связан с разработкой технических систем
автоматизированного регулирования и управления технологическими и производственными про-
цессами.
Еще одним классическим разделом кибернетики является распознавание образов, возник-
шее из задачи моделирования в технических системах восприятия человеком знаков, предметов и
речи, а также формирования у человека понятий (обучение в простейшем, техническом смысле).
Этот раздел в значительной мере возник из технических потребностей
робототехники.
Например,
80
требуется, чтобы робот-сборщик распознавал нужные детали. При автоматической сортировке
(или отбраковке) деталей необходима способность распознавания.
Вершиной кибернетики (и всей информатики в целом) является раздел, посвященный про-
блемам
искусственного интеллекта.
Большинство современных систем управления обладают
свойством принятия решений - свойством интеллектуальности, т.е. в них смоделирована интел-
лектуальная деятельность человека при принятии решений.
11.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ СИСТЕМЫ
Несмотря на такое многообразие задач, решаемых в разных разделах кибернетики, разно-
образие моделей, подходов и методов, кибернетика остается единой наукой благодаря использо-
ванию общей методологии, основанной на
теории систем и системном анализе.
Система
- это предельно широкое, начальное, не определяемое строго понятие. Предпола-
гается, что система обладает структурой, т.е. состоит из относительно обособленных частей (эле-
ментов), находящихся, тем не менее, в существенной взаимосвязи и взаимодействии. Существен-
ность взаимодействия состоит в том, что благодаря ему элементы системы приобретают все вме-
сте некую новую функцию, новое свойство, которыми не обладает ни один из элементов в отдель-
ности. В этом состоит отличие системы от сети, также состоящей из отдельных элементов, но не
связанных между собой существенными отношениями. Сравните, например, предприятие, цеха
которого образуют систему, поскольку лишь все вместе приобретают свойство выпускать конеч-
ную продукцию (и ни один из них в отдельности с этой задачей не справится), и сеть магазинов,
которые могут работать независимо друг от друга.
Кибернетика как наука об управлении изучает не все системы вообще, а только управляе-
мые
системы. Зато область интересов и приложений кибернетики распространяется на самые раз-
нообразные биологические, экономические, социальные системы.
Одной из характерных особенностей управляемой системы является возможность перехо-
дить в различные состояния под влиянием различных управляющих воздействий. Всегда сущест-
вует некое множество состояний системы, из которых производится выбор предпочтительного со-
стояния.
Отвлекаясь от конкретных особенностей отдельных кибернетических систем и выделяя
общие для некоторого множества систем закономерности, описывающие изменение их состояния
при различных управляющих воздействиях, мы приходим к понятию абстрактной
кибернетиче-
ской системы.
Ее составляющими являются не конкретные предметы, а абстрактные элементы,
характеризующиеся определенными свойствами, общими для широкого класса объектов.
Поскольку под кибернетическими системами понимаются управляемые системы, в них
должен присутствовать механизм, осуществляющий функции управления. Чаще всего этот меха-
низм реализуется в виде органов, специально предназначенных для управления, рис. 1.44.
Рис. 1.44.
Схематическое изображение кибернетической системы
в виде совокупности управляющей (А) и управляемой (В) частей
Стрелками на рисунке обозначены воздействия, которыми обмениваются части системы.
Стрелка, идущая от управляющей части системы к управляемой, обозначает сигналы управления.
Управляющая часть системы, вырабатывающая сигналы управления, называется управляющим
устройством. Управляющее устройство может вырабатывать сигналы управления, обычно на ос-
нове информации о состоянии управляемой системы (изображены на рисунке стрелкой от управ-
ляемой части системы к управляющей ее части), о требуемом ее состоянии, о возмущающих воз-
действиях. Совокупность правил, по которым информация, поступающая в управляющее устрой-
ство, перерабатывается в сигналы управления, называется алгоритмом управления.
На основе введенных понятий можно определить понятие «управление». Управление - это
воздействие на объект, выбранное из множества возможных воздействий на основе имеющейся
для этого информации, улучшающее функционирование или развитие данного объекта.
В системах управления решаются четыре основных типа задач управления: 1) регулирова-
ние (стабилизация), 2) выполнение программы, 3) слежение и 4) оптимизация.