Лекция 2

2.1. ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Программирование - научное направление, связанное с процессами составления программ, т.е. процессами записи алгоритмов решения задач на языках программирования.

(Следует заметить, что в нашем учебном пособии термин «программирование» встречается и в другом смысле, когда говорится о математическом программировании, линейном программировании и т. п., т.е. о программировании как специальной вычислительной процедуре.)

Своим появлением программирование полностью обязано вычислительным машинам. В начальный период своего развития программирование не имело под собой прочной теоретической базы и напоминало труд ремесленников высшей квалификации, когда качество работы определяется не знаниями, а профессиональным умением. Но с накоплением опыта программирования выделялись общие идеи и положения, лежащие в основе построения программ для компьютеров и в самих процедурах программирования. Это повлекло за собой постепенное создание теоретического программирования, в котором сейчас можно выделить несколько направлений.

Одно из них связано с созданием разнообразных языков программирования, предназначенных для облегчения взаимодействия человека с вычислительной машиной и информационными системами. Кроме разработки языка, на котором пользователь записывает программы, необходимы еще специальные средства, обеспечивающие автоматический перевод записи программы на некотором языке программирования в форму, воспринимаемую устройствами компьютера. Этот перевод осуществляется специальными программными системами - трансляторами, разработка которых, как и создание языков программирования и решение еще целого ряда задач, связанных с обеспечением взаимодействия пользователя и машины, есть поле деятельности системных программистов. Системное программирование - особая отрасль, в которой трудятся профессионалы высокого уровня.

Другая область деятельности системных программистов - создание операционных систем, без которых не может функционировать никакая вычислительная машина. Программисты такого профиля работают, как правило, на тех фирмах и в тех организациях, где производятся или разрабатываются компьютеры.

Другой комплекс служебных программ, разрабатываемых системными программистами - всевозможные сервисные программы: отладчики, диагностические программы, программы для борьбы с компьютерными вирусами и другие вспомогательные программы. Эти программы облегчают пользователю взаимодействие с вычислительной машиной.

Тенденцией последних десятилетий стал переход от отдельных вычислительных машин к объединениям многих разнотипных машин в единую сеть сбора, обработки и передачи данных. Она содержит в себе специальные каналы и сопутствующие им устройства для организации обмена данными между машинами. Для того чтобы различные компьютеры «понимали» сообщения друг друга, нужны специальные языки, записи на которых одинаково понятны всем абонентам сети. Такие языки называются протоколами связи. Разработкой протоколов также занимаются системные программисты. Подобно средствам мировой телефонной связи, программы, реализующие протоколы, позволяют владельцам машин общаться между собой с помощью электронной почты.

Вся совокупность системных программ образует ту программную среду, в которой «живет» компьютер. И чем богаче эта среда, чем активнее она пополняется новыми программами, тем более притягательной делается работа с компьютером, особенно когда в программную среду включаются программы, обеспечивающие пользователю условия для релаксации и переключения внимания.

К сожалению, в программную среду могут входить и программы, нарушающие ее деятельность. Это всевозможные программы для несанкционированного доступа к данным и программам, компьютерные вирусы и другие программные средства.

Кроме системного программирования выделяют проблемно-ориентированное (или проблемно-прикладное) программирование. Специалисты, работающие в этой сфере, создают пользовательские программы, нацеленные на решение задач в той или иной области человеческой деятельности.

Прикладные программы бывают разного назначения. Это могут быть программы, нацеленные на решение каких-либо конкретных задач и не пригодные ни для чего другого. Программы такого типа теперь пишут только для особо важных и крупных задач, достойных того, чтобы потратить на них усилия программистов.

Для задач, встречающихся часто, создаются пакеты прикладных программ. В пакет включают множество программ, предназначенных для задач определенного класса (например, пакет статистических методов обработки наблюдений или пакет для решения инженерных задач). Пакет снабжается управляющей программой, которая обеспечивает пользователю удобные условия для работы с ним. Среди прикладных программ встречаются также специальные инструментальные программные средства, с помощью которых пользователь может модифицировать программы в нужный ему вид.

Наконец, большой отряд программистов связан с созданием программ для разного рода информационных систем, например для банков данных.

Программирование давно уже стало отраслью индустрии. Создаются новые типы языков программирования, языков запросов для баз данных и знаний, отыскиваются новые программные модели для представления знаний и манипулирования ими. Появление вычислительных машин с новой архитектурой ставит перед создателями программного обеспечения новые задачи. Так, например, возникла новая ветвь программирования - параллельное программирование.

Создание новых технологий тут столь же важно, как и в любой другой промышленной отрасли. Десятки существующих сейчас технологий программирования свидетельствуют о большом интересе фирм, производящих программы, к обеспечению высокого профессионального уровня написания программ. Многие технологии тщательно охраняются фирмами от своих конкурентов.

2.2. ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ

Искусственный интеллект – направление информатики, связанное с системами, моделирующими некоторые стороны интеллектуальной деятельности человека. Искусственный интеллект – самое молодое направление в информатике, появившееся во второй половине XX в. на базе вычислительной техники, математической логики, программирования, психологии, лингвистики, нейрофизиологии и других отраслей знаний. Искусственный интеллект - это образец междисциплинарных исследований, где соединяются профессиональные интересы специалистов разного профиля. Само название новой науки возникло в конце 60-х гг., а в 1969 г. в Вашингтоне состоялась первая Всемирная конференция по искусственному интеллекту.

С появлением первых ЭВМ стало ясно, что инженеры и математики создали не просто быстро работающее устройство для вычислений, а нечто более значительное. Оказалось, что с помощью ЭВМ можно решать различные головоломки, логические задачи, играть в шахматы, создавать игровые программы, сочинять музыкальные мелодии, стихотворения и даже сказки. Появились программы для перевода с одного языка на другой, для распознавания образов, доказательства теорем. Все это привело к выводу о том, что с помощью ЭВМ и соответствующих программ можно автоматизировать такие виды человеческой деятельности, которые называются интеллектуальными и считаются доступными лишь человеку.

Но, несмотря на большое разнообразие невычислительных программ, созданных к началу 60-х гг., программирование в сфере интеллектуальной деятельности находилось в гораздо худшем положении, чем решение расчетных задач, т.к. оно опиралось на соответствующую теорию — вычислительную математику, на основе которой было разработано довольно много методов решения задач. Ничего подобного для невычислительных задач не было. Любая программа была здесь уникальной, т.к. еще не были открыты методы для решения однотипных невычислительных задач. Компьютер «не отличал» вычислительные программы от невычислительных, поскольку в памяти компьютера не было знаний о том, что он на самом деле делает.

Об интеллекте компьютера можно было бы говорить, если бы он сам, на основании собственных знаний сумел составить шахматную программу или, например, синтезировал музыкальное или литературное произведение.

Название «искусственный интеллект» отнюдь не предполагает сравнения естественного интеллекта с искусственным. Системы искусственного интеллекта называются так по другой причине. Они призваны достигать результатов, которые получил бы человек, если бы выполнял интеллектуальную работу.

Искусственный интеллект тесно связан с теоретической информатикой и кибернетикой, в частности, с такими дисциплинами, как математическая и прикладная лингвистика, нейрокибернетика, гомеостатика. И, конечно, работы в области создания интеллектуальных систем (чем, собственно, и занимаются специалисты, работающие в области искусственного интеллекта) немыслимы без развитых систем программирования. Интеллектуальные системы – это системы, основанные на знаниях. В практику человеческой деятельности интеллектуальные системы уже внедряются. К ним относятся и достижения робототехники, и экспертные системы, и системы машинного перевода, с которыми вы наверняка уже встречались. Без таких систем современный научно-технический прогресс уже невозможен.

Обычные же программы для ЭВМ составлены так, что ей остается только быстро выполнять вычисления и логические преобразования. Машина не задумывается над смыслом, скрытым в командах программы. Для программиста было ясно, какой информацией загрузить компьютер, для какой цели служит программа и каков метод достижения результата. ЭВМ, работая по обычной программе, оперирует абстрактными символами, которые могут обозначать что угодно, и логическими операциями, которые могут связывать что угодно. Не просто научить машину освободиться от такой жесткости, «замкнутости». Ведь чтобы работать, зная и что делать, и как делать, надо понимать смысл, или, как говорят профессионалы, обеспечивать обработку смысловой информации. Для этого памяти машин недостаточно только разных данных, нужны знания. Правда, машинные знания во многом отличаются от знаний человека — с их запасом, способностью к изменению, динамике, с их творческими возможностями к безграничности познания. В системах искусственного интеллекта оперируют как бы процеженными знаниями — автономными, ограниченными, статичными.

Основная цель работ в области искусственного интеллекта - стремление проникнуть в тайны творческой деятельности людей, их способности к овладению навыками, знаниями и умениями. Для этого необходимо раскрыть те механизмы, с помощью которых человек способен научиться практически любому виду деятельности. Если суть этих механизмов будет разгадана, то есть надежда реализовать их подобие в искусственных системах, т. е. сделать их по-настоящему интеллектуальными.

Такая цель исследований в области искусственного интеллекта тесно связывает их с достижениями психологии – науки, одной из задач которой является изучение интеллекта человека. В психологии сейчас активно развивается особое направление - когнитивная психология. Исследования в области когнитивной психологии направлены на раскрытие тех закономерностей и механизмов, которые интересуют специалистов в области искусственного интеллекта.

Не сами процедуры, с помощью которых выполняется та или иная интеллектуальная деятельность, а понимание того, как их создать, как научиться новому виду интеллектуальной деятельности, — вот где скрыто то, что можно назвать интеллектом. Специальные метапроцедуры («мета-» – означает промежуточность, следование за чем-либо, переход к чему-либо другому, т.е. в нашем случае – промежуточные, переходные процедуры) обучения новым видам интеллектуальной деятельности отличают человека от компьютера. Следовательно, в создании искусственного интеллекта основной задачей становится реализация машинными средствами тех метапроцедур, которые используются в интеллектуальной деятельности человека.

В психологии мышления есть несколько моделей творческой деятельности. Одна из них называется лабиринтной. Суть лабиринтной гипотезы, на которой основана лабиринтная модель, состоит в следующем: переход от исходных данных задачи к ее решению лежит через лабиринт возможных альтернативных путей. Не все пути ведут к желаемой цели, многие из них заводят в тупик, из которого надо уметь возвращаться к тому месту, где потеряно правильное направление. Это напоминает попытки не слишком умелого школьника решить задачу об упрощении алгебраических выражений. Для этой цели на каждом шагу можно применять некоторые стандартные преобразования или придумывать искусственные приемы. Но весьма часто вместо упрощения выражения происходит его усложнение, и возникают тупики, из которых нет выхода. По мнению сторонников лабиринтной модели мышления, решение всякой творческой задачи сводится к целенаправленному поиску в лабиринте альтернативных путей с оценкой успеха после каждого шага.

С лабиринтной моделью связана первая из метапроцедур - целенаправленный поиск в лабиринте возможностей. Программированию этой метапроцедуры соответствуют многочисленные процедуры поиска, основанные на соображениях «здравого смысла». Соответствующее направление в программировании получило название эвристического программирования.

Однако существуют задачи, когда лабиринтную модель можно построить лишь теоретически (например, для игры в шахматы), либо она вообще не существует. Поэтому современные шахматные программы уже давно используют не только метапроцедуру целенаправленного поиска, но и другие метапроцедуры, связанные с другими моделями мышления.

Долгие годы в психологии изучалась ассоциативная модель мышления. Основной метапроцедурой этой модели является ассоциативный поиск и ассоциативное рассуждение, основанные на положении, что решение неизвестной задачи, так или иначе, основывается на уже решенных задачах, чем-то похожих на ту, которую надо решить. Новая задача рассматривается как уже известная, хотя и несколько отличающаяся от известной. Поэтому способ ее решения должен быть близок к тому, который когда-то помог решить подобную задачу.

Для этого надо обратиться к памяти и попытаться найти нечто похожее, что ранее уже встречалось. Это и есть ассоциативный поиск. Понятие ассоциации здесь гораздо шире, чем просто «похожесть». Ассоциативные связи могут возникнуть и по контрасту, как противопоставление одного другому, и по смежности, т. е. в силу того, что некоторые явления возникали в рамках одной и той же ситуации или происходили одновременно (или с небольшим сдвигом по времени).

Ассоциативное рассуждение позволяет переносить приемы, использованные ранее, на текущую ситуацию. К сожалению, несмотря на многолетнее изучение ассоциативной модели, еще не удалось создать стройную теорию ассоциативного поиска и ассоциативного рассуждения. Однако исследования в этом направлении сыграли важную роль: они помогли создать эффективные программы в распознавании образов, в классификационных задачах и в обучении ЭВМ.

Многочисленные исследования ассоциативной модели привели к мысли о том, что для ее эффективного использования надо привлечь результаты, полученные в другой модели мышления, опирающейся на идею внутреннего представления проблемной (предметной) области, на знания о ее особенностях, закономерностях и процедурах действия в ней. Представление о мыслительной деятельности человека, когда мозг содержит модель проблемной ситуации, в которой ему надо принять решение, обычно называют модельной гипотезой. В этом случае для решения используются метапроцедуры, оперирующие с совокупностью знаний из той проблемной области, к которой принадлежит данная проблемная ситуация. Например, если проблемная ситуация — доказательство равенства треугольников, то знания, которые могут помочь ее разрешить, касаются некоторых известных геометрических представлений, теорем, аксиом и т. п.

Основные метапроцедуры в модельной гипотезе - представление знаний, рассуждения, поиск релевантной (связанной с данной проблемной ситуацией) информации в совокупности имеющихся знаний, их пополнение и корректировка. Эти метапроцедуры составляют ядро интеллектуальных возможностей современных программных систем, ориентированных на решение творческих задач. В совокупности с метапроцедурами целенаправленного поиска в лабиринте возможностей, ассоциативного поиска и рассуждения они образуют арсенал интеллектуальных средств, которым располагают современные интеллектуальные системы.

Согласно рассмотренным выше метапроцедурам формируется ряд основных проблем, изучаемых в искусственном интеллекте. Вот некоторые из них.

1. Представление знаний - разработка методов и приемов для формализации и последующего ввода в память интеллектуальной системы знаний из различных проблемных областей, обобщение и классификация накопленных знаний, использование знаний при решении задач.

2. Моделирование рассуждений - изучение и формализация различных схем человеческих умозаключений, используемых в процессе решения разнообразных задач, создание эффективных программ для реализации этих схем в вычислительных машинах.

3. Диалоговые процедуры общения на естественном языке, обеспечивающие контакт между интеллектуальной системой и человеком-специалистом в процессе решения задач.

4. Планирование целесообразней деятельности – разработка методов построения программ сложной деятельности на основании тех знаний о проблемной области, которые хранятся в интеллектуальной системе.

5. Обучение интеллектуальных систем в процессе их деятельности, создания комплекса средств для накопления и обобщения умений и навыков, накапливаемых в таких системах.

Кроме этих проблем исследуются и многие другие. В частности, создатели интеллектуальных систем занимаются не только проблемами автоматизации способности к рассуждениям и умозаключениям, т. е. моделированием рассуждений, но и способностью к восприятию окружающего мира. Поэтому кроме достижений когнитивной психологии в работах по искусственному интеллекту используются и результаты, полученные в психологии восприятия информации разного типа.

Восприятие информации - процесс преобразования сведений, поступающих в техническую систему или живой организм из внешнего мира, в форму, пригодную для дальнейшего использования. Благодаря восприятию информации обеспечивается связь живого организма или искусственной системы (технического устройства, робота) с внешней средой, формируется и поддерживается внутренняя модель окружающего мира, создаются условия для любого вида обучения.

Для развитых систем восприятия можно выделить несколько этапов переработки поступающей информации: предварительная обработка для приведения входных данных к стандартному для данной системы виду, выделение в поступающей информации значимых информационных единиц, распознавание объектов и ситуаций, коррекция внутренней модели мира.

В зависимости от анализаторов организуется восприятие зрительной, акустической, тактильной информации, а также некоторых других видов информации. Кроме того, различают статическое и динамическое восприятие. В последнем случае особо выделяют системы восприятия, функционирующие в том же темпе, в каком происходят изменения в окружающей среде (системы восприятия, работающие в реальном масштабе времени).

Одна из важных проблем для роботов и интеллектуальных систем - это проблема интеграции информации, поступающей из различных источников и от анализаторов разного типа в пределах одной ситуации.

Попробуйте представить мысленно некоторую сцену из собственной жизни, которую вы хорошо помните, и сразу же обнаружится, что в воспоминании слиты зрительные образы, звуки, запахи. Человеческая память концентрирует вместе, соединяет в единый образ (его часто называют гештальтом) информацию, пришедшую по различным каналам. Это позволяет вспоминать о целостной ситуации по некоторой ее значимой части, а также строить цепочки ассоциативно связанных ситуаций. Для интеллектуальных систем проблема интеграции различной по типу информации в единый гештальт - пока еще трудно решаемая задача.

Достижения в области искусственного интеллекта связаны также с психолингвистикой, изучающей модели общения не только с помощью естественного языка, но и с использованием иных средств (жестов, мимики, интонации и т. п.). Связаны они и с достижениями математической логики, которая вносит свой весомый вклад в развитие наших представлений о человеческом интеллекте и о возможных путях формализации человеческих рассуждений.

Существует много способов описать и представить разнообразные знания о мире. И естественный язык лишь один из них. Специальная наука, которая изучает общие свойства различных систем, способных описывать явления окружающего мира и его законы, называется семиотикой. Понятно, что к семиотике специалисты по искусственному интеллекту проявляют не меньший интерес, чем к психологии или лингвистике.

Современные ЭВМ уже мало удовлетворяют специалистов по искусственному интеллекту. Они не имеют ничего общего с тем, как устроен человеческий мозг. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется исследованиям, связанным с созданием нейроподобных искусственных сетей.

Сегодня именно искусственный интеллект определяет стратегические направления развития информатики.

2.3. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Информационные системы – направление информатики, получившее свое название от объектов исследования – информационных систем – хранилищ информации, снабженных процедурами ввода, поиска, размещения и выдачи информации. Начало этому направлению положили исследования в области документалистики и анализа научно-технической информации, которые проводились еще до появления компьютеров. Но своего истинного развития информационные системы достигли лишь тогда, когда компьютеры прочно вошли в их состав. В настоящее время в рамках этого направления решаются следующие задачи.

А) Анализ и прогнозирование потоков разнообразной информации, перемещающихся в обществе. Изучаются потоки документов с целью их минимизации, стандартизации и приспособления для эффективной обработки на вычислительных машинах, а также особенности потоков информации, протекающей через журналы, газеты, радиоканалы, телевизионные каналы и другие каналы распространения информации. Оценивается влияние распространяемой информации на научно-технический прогресс и состояние общества.

Б) Исследование способов представления и хранения информации, создание специальных языков для формального описания информации различной природы, разработка специальных приемов сжатия и кодирования информации, аннотирования объемных документов и реферирования их. В рамках этого направления развиваются работы по созданию банков данных большого объема, хранящих информацию из различных областей знаний в форме, доступной для вычислительных машин.

В) Построение различных процедур и технических средств для их реализации, с помощью которых можно автоматизировать процесс извлечения информации из документов, не предназначенных для вычислительных машин, а ориентированных на восприятие их человеком. Эти исследования тесно связаны с проблемой извлечения смысла (содержания) тех или иных документов при вводе их в банки данных и другие информационные хранилища, ориентированные на компьютеры.

Г) Создание информационно-поисковых систем, способных воспринимать запросы к информационным хранилищам, сформулированные на естественном человеческом языке, а также специальных языках запросов для систем такого типа.

Д) Создание сетей хранения, обработки и передачи информации, в состав которых входят информационные банки данных, терминалы, обрабатывающие центры и средства связи.

Работы в области информационных систем опираются, с одной стороны, на исследования в прикладной лингвистике, которая создает языки для записи информации и поиска ответов в информационных массивах по поступающим запросам, а с другой стороны, на теорию информации, поставляющую модели и методы, которые используются при организации циркуляции информации в каналах передачи данных.

В комплекс работ в области информационных систем входят исследования, связанные с автоматизированными информационными системами (АИС), общая структура которых показана на рисунке 3.

Основу такой системы составляет банк данных, в котором хранится большая по объему информация о какой-либо области человеческих знаний. Территориально этот банк может быть распределенным. Примером может служить система библиотек, находящихся в разных городах страны, связанных между собой системой межбиблиотечного обмена. Важно лишь то, что для пользователя этот банк представляется как единое хранилище информации, куда он может обратиться с запросом. Примером запроса может быть требование на нужную книгу, оформленное на специальном бланке.

В неавтоматизированных информационных системах запрос обрабатывается человеком (например, библиотекарем, который по шифру книги находит ее на определенной полке). В АИС запросы обрабатывают с помощью специальных программ, реализуемых на компьютере. Для того чтобы это стало возможным, необходим специальный язык запросов, понимаемый АИС. Для пользователя желательно, чтобы язык запросов был как можно ближе к обычному естественному языку. В этом случае АИС должна обладать системой понимания текстов на естественном языке или языке, близком к нему. В таких АИС возникает реализованная в полной мере диалоговая система.

Устройства блока расшифровки запроса зависит от выбранного языка запроса. После расшифровки запроса, по информации, содержащейся в нем, формируется поисковое предписание (или поисковый образ), представляющее задание для процедуры поиска в банке данных. Поиск в банке данных осуществляется блоком поиска. Найденная информация выдается потребителю в удобной для него форме.

Банк данных требует постоянного обновления, пополнения и чистки. Для этого используется специальный входной канал, которым пользуется администратор банка данных.

Системы, подобные описанной, могут использоваться в самых разных целях, но их принципиальная схема, показанная на рисунке, сохраняется неизменной. Частным случаем АИС являются информационно-поисковые системы, предназначенные как для коллективного, так и для индивидуального (индивидуальная ИПС) пользования.

АИС играют большую роль в инфраструктуре общества и являются одним из обязательных звеньев новых информационных технологий.

2.4. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Вычислительная техника – отрасль, занимающаяся разработкой, изготовлением и эксплуатацией вычислительных машин, устройств и приборов. Из определения видно, что вычислительная техника представляет собой вполне самостоятельное направление исследований. В рамках этого направления решается немало задач, не имеющих прямого отношения к информатике и ее проблемам. Например, ведутся многочисленные исследования, направленные на совершенствование элементной базы вычислительных машин, создаются территориально разнесенные комплексы и сети обработки данных.

Одной из основных дисциплин вычислительной техники является микроэлектроника. Содержание микроэлектроники составляют теория, методы расчета и технология изготовления интегральных микросхем. Микросхемы стали основной элементной базой большинства современных средств электронной техники.

Но, конечно, развитие современной информатики немыслимо без компьютеров - основного и пока единственного инструмента для работы с разнообразной информацией.

Эффективное использование компьютеров невозможно без знания их архитектуры и принципов функционирования. Они не работают вне специально созданных для них операционных систем, тестирующих программ, трансляторов - всего того программного обеспечения, которое составляет программную среду, в которой «существует» вычислительная машина.

Это означает, что саморазвитие вычислительной техники невозможно без использования результатов, полученных в программировании, искусственном интеллекте и других разделах, составляющих информатику. Даже проектирование современных вычислительных машин и разработка их элементной базы требуют специальных систем автоматизированного проектирования, созданием которых занимаются специалисты, работающие в области информатики.

При создании вычислительных машин возникают естественные этапы. Сначала разрабатываются общие архитектурные решения, выбирается элементная база, учитывающая достижения микроэлектроники. Затем разрабатываются основные схемы и узлы будущей машины. При этом, как правило, используются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), определяющие современный технологический уровень в производстве компьютеров. Затем разрабатывается операционная система - центральная часть устройства управления машины - и создается системное программное обеспечение, без которого машина не сможет эффективно работать.

Если предполагается, что будущая машина будет органично взаимодействовать с другими машинами, входить в состав вычислительной сети, то создатели машин предусматривают специальные средства для связи машины с другими компонентами сети. Эти средства называются протоколами.

Они обеспечивают «взаимопонимание» всех машин, включенных в сеть передачи и обработки данных.

Из вышесказанного понятно, что практически на всех этапах создания ЭВМ необходим труд специалистов из области информатики.

Большое влияние на развитие новых структур вычислительных машин оказали работы в области искусственного интеллекта. В результате компьютеры новых поколений становятся куда более интеллектуальными, чем их предки. Они обладают возможностью общаться с пользователем на языке, максимально приближенном к обычному разговорному языку, они не требуют подробного написания программ решения задач из данной проблемной области, а составляют ее сами на основе задания и знаний о решениях задач в этой области, которые хранятся в базах знаний этих машин.

Такое взаимопроникновение методов, характерных для информатики и вычислительной техники, позволяет рассматривать значительную часть исследований в области вычислительной техники применительно к работам, проводимым в информатике, Именно поэтому вычислительная техника истолковывается и как направление информатики, занимающееся разработкой совокупности технических и математических средств, используемых для механизации и автоматизации процессов вычислений и обработки информации.

По этой же причине данный параграф включен в настоящее учебное пособие. Взгляд на его содержание отражает точку зрения именно информатика, а не того, для кого вычислительные машины - объект исследований, конструирования и производства.

2.5. ИНФОРМАТИКА В ОБЩЕСТВЕ

Информатика в обществе - новое направление информатики, занимающееся общими вопросами, связанными с проблемой перехода к «информационному обществу». Информационное общество – это общество, в котором в изобилии циркулирует высокая по качеству информация, а также есть все необходимые средства для ее хранения, распределения и использования.

Термин «информационное общество» возник во второй половине 60-х гг., когда человечество впервые осознало наличие «информационного взрыва». Количество информации, циркулирующее в обществе, стало стремительно возрастать. Потом был найден закон увеличения информации в обществе. Оказалось, что этот закон представляет собой экспоненциальную функцию (у = e^x), что и позволило говорить об «информационном взрыве». Появилась уверенность в том, что справиться с такой лавиной информации человек не сможет. Для этого нужны специальные средства обработки информации, ее хранения и использования. Грядущую эру в истории человечества стали называть не только информационным обществом, но и обществом знаний, постиндустриальным обществом, инфосферой. А. Тоффлер ввел в научный оборот теорию трех революций, согласно которой человечество пережило уже аграрную и индустриальную революции и стоит на пороге информационной революции.

Информация в информационном обществе легко и быстро распространяется по требованиям заинтересованных людей и организаций и выдается им в привычной для них форме. Стоимость пользования информационными услугами настолько невысока, что они доступны каждому. Информация в информационном обществе рассматривается как своего рода промышленный продукт и производство ее — один из видов промышленной индустрии.

Переход к информационному обществу не сулит каких-либо перемен в социальных благах. Останется расслоение населения на более обеспеченных и менее обеспеченных, в различной мере способных воспользоваться плодами информатизации. Сфера информационных услуг, конечно, будет дифференцирована, и ряд наиболее важных услуг по своей стоимости будет выше возможностей среднего члена общества.

Проблема равного доступа к информации уже сегодня возникает не только внутри одной страны, она проявляться на межгосударственном уровне. Создание и владение большими банками данных о различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, о потенциальных продавцах и покупателях уже сейчас составляют главное богатство многих бирж, брокерских контор и других организаций, занятых перераспределением товаров. Ученые говорят даже о возможных информационных войнах.

Одна из особенностей информационного общества — возрастание удельного веса индивидуального труда, почти исчезнувшего в индустриальном обществе. Развитая сеть автоматизированных рабочих мест позволит многим специалистам, не выходя из дома, принимать участие в общественном производстве.

Предполагаются крупные изменения и в организации научной деятельности.

Большая роль в этом будет принадлежать автоматизированным системам для научных исследований (АСНИ) и системам автоматизированного проектирования (САПР).

Блок связи с внешними объектами в такой системе обеспечивает согласование входа базы данных с информационными сообщениями, поступающими от приборов, с выхода экспериментальной установки, из каналов приемно-передающей аппаратуры и т.п. Если, например, АСНИ используется для изучения процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы, то на блок связи с внешними объектами поступают сообщения от приборов, устанавливаемых на воздушных зондах и ракетах, спутниках и космических станциях, а также сигналы с выходов радиотелескопов, спектрометров и многих других приборов.

АСНИ выделена на нашем рисунке тонким контуром, она состоит из ряда блоков. В базе данных хранится вся информация, поступающая из внешней среды, и информация, введенная туда заранее с целью обеспечения работы системы. Три основных блока: имитатор, расчетный блок и экспертная система - выполняют все основные процедуры, в которых может возникнуть необходимость при проведении научных исследований. Расчетный блок может выполнить любую программу из пакета прикладных программ, в котором находятся все нужные программы, используемые специалистами определенного профиля (физиками, химиками и т. п.). Вызов той или иной программы осуществляется по требованию либо имитатора или экспертной системы, либо самого исследователя.

Имитатор осуществляет имитационное моделирование, т. е. воспроизведение процессов, протекающих во внешней среде, на основе тех знаний об этих процессах, которые хранятся в АСНИ. Моделирование бывает необходимо, когда процесс, изучаемый исследователем, носит динамический характер и исследователя интересует изменение характеристик процесса во времени.

Экспертная система позволяет реализовать моделирование рассуждений специалистов из данной предметной области. С ее помощью исследователь может изучать логику протекания процессов, диагностировать их течение и классифицировать наблюдаемые явления.

Три основных блока могут работать в тесном взаимодействии. Например, с помощью имитационного моделирования определяют значения коэффициентов уравнений, решаемых расчетным блоком, а результаты решения этих уравнений служат исходными данными, по которым экспертная система классифицирует создавшуюся ситуацию и выдает свои рекомендации исследователю.

С помощью клавиатуры управления исследователь воздействует на объект изучения и управляет процессами, реализуемыми в АСНИ.

АСНИ получили широкое распространение. Молекулярная химия, минералогия, биохимия, химическая физика и многие другие науки уже не мыслят себе проведение фундаментальных научных исследований без привлечения средств, обеспечиваемых АСНИ.

Возможность быстрого обмена результатами по вычислительным сетям, не связанная с задержками на полиграфическое производство, в совокупности с АСНИ уже сейчас в развитых странах позволяет значительно ускорить темпы развития научных исследований.

Проектирование новых изделий - основная задача изобретателей и конструкторов. Специалисты в этой области на пути создания новых изделий выделяют несколько этапов: формирование замысла, поиск физических эффектов, обеспечивающих принципиальную реализацию замысла, поиск конструктивных решений, расчет и обоснование, создание опытного образца, разработка технологии промышленного изготовления. На каждом из этапов (их число может меняться в зависимости от сложности изделия) возникают свои задачи и проблемы.

Этапы, связанные с задачами конструирования и расчета, поддаются автоматизации уже сегодня. Для этого создаются специальные системы автоматизированного проектирования (САПР). На рисунке 5 приведена типовая схема САПР. Сравнивая ее со структурой АСНИ, можно увидеть много общего. Прежде всего, это касается трех основных блоков: имитатора, расчетного блока и экспертной системы. В САПР они выполняют функции такого же характера, что и в АСНИ. Вместо блока внешней связи в САПР имеется блок формирования заданий. Проектировщик вводит в блок техническое задание на проектирование, в котором указаны все цели, которые должны быть достигнуты при проектировании, и все ограничения, которые нельзя нарушить. База данных содержит всю информацию, необходимую для проектирования, а также хранит весь тот прежний опыт, который был накоплен ранее в данной области. Наконец, блок подготовки технической документации позволяет проектировщику готовить нужные документы для двух последних этапов создания новых изделий.

САПРы оказались важной сферой приложений идей информатики и в наши дни в той или иной форме используются во всех проектных и конструкторских организациях.

Большие изменения ожидаются в сфере образования, которое также станет в значительной степени индивидуальным.

Повсеместное внедрение компьютеров с их широкими возможностями обработки и поиска информации, отображения ее в удобной для человека форме натолкнули исследователей на идею компьютерного обучения. Появление таких систем открыло эру автоматизированных обучающих систем (АОС).

АОС содержат базу знаний об изучаемом объекте, специальные средства для выдачи информации ученику и контроль за уровнем усвоения знаний. В развитых АОС имеются специальные средства для тестирования обучаемого и подбора для него наилучшей стратегии обучения. Таким образом, уже сегодня начаты поисковые работы в области создания новых форм обучения, которые заменят существующие традиционные формы.

Перспективы перехода к информационному обществу вызывают массу проблем социального, правового, технического характера. Например, применение роботов на производстве приведет к полному изменению технологии, которая в наши дни ориентирована на участие в нем человека. Разработка таких технологий уже началась. Резко изменится подготовка членов нового общества к самостоятельной жизни. Полностью изменится номенклатура профессий, специальностей и способов организации труда.

Все рассмотренные проблемы составляют объект исследования тех психологов, социологов, философов и юристов, которые работают в области информатики.

Область приложений систем информатики поистине безгранична, и их внедрение - путь к информационному обществу.

В информационном обществе информатика будет играть столь же важную роль, какую играли инженерные науки, физика и химия в индустриальном обществе.

2.6. ИНФОРМАТИКА В ПРИРОДЕ

Информатика в природе – направление информатики, основными задачами которого являются изучение информационных процессов, протекающих в биологических системах, и использование накопленных знаний при управлении природными системами и создании технических систем. Три самостоятельные науки, входящие в эту ветвь информатики, решают указанные задачи. Одна из них - биокибернетика. В сферу ее интересов входят проблемы, связанные с анализом информационно-управляющих процессов, протекающих в живых организмах, диагностика заболеваний и поиск путей их лечения. Сюда же относятся системы, предназначенные для оценки биологической активности тех или иных химических соединений, без которых уже не может существовать фармакология, а также исследования моделей внутриклеточных процессов, лежащих в основе всего живого.

Вторая наука, входящая в это научное направление, - уже упоминавшаяся бионика.

Третья наука - биогеоценология - нацелена на решение проблем, относящихся к системно-информационным моделям поддержания и сохранения равновесия природных систем и поиска таких воздействий на них, которые стабилизируют разрушающее воздействие человеческой цивилизации на биомассу Земли.

Дата добавления: 2013-12-13