Информация, данные, информационные системы
Информация как социальный ресурс
За три последних десятилетия стало общепризнанным, что информация является не менее важным ресурсом человеческого общества, чем сырье, энергия и пища. Можно утверждать, что практически в любом виде человеческой деятельности требуется удовлетворение информационных потребностей в той или иной степени. Так, например, собираясь на улицу, мы всегда хотим получить информацию о погоде. Большинство из нас в том или ином виде ежедневно получают различную информацию из газет, радио, телепередач, Интернета. Не говоря уже об источниках профессиональной информации.
Развитие систем связи и коммуникаций привело к усложнению и дифференциации информационных процессов в человеческом обществе. Способность накапливать информацию и обеспечивать эффективный доступ к ней становится определяющим фактором не только развития человеческого общества, но и поддержания его жизнеспособности. Быстрый рост объемов информации, закрепленной на внешних по отношению к человеку носителях, привел к появлению новых общественных институтов (библиотеки, архивы, пресса, вычислительные центры и т. д.) и специальных систем (службы научно-технической информации, справочные службы, глобальные информационные компьютерные сети).
Развитие средств вычислительной техники и информационных технологий открыло новые возможности и способы хранения, представления и поиска информации, в частности, создание вычислительных систем, "доступных по требованию" - т.е. вычислительные ресурсы становятся таким же доступным ресурсом для потребления человеком, как электроэнергия, природный газ, вода.
Таким образом, резко возрастают требования к качеству и надежности проектирования систем для работы с информацией, представляемой в электронном виде.
Информация и данные
Прежде чем перейти к обсуждению понятия информационной системы (ИС), попытаемся выяснить, что же понимается под словом информация. Ответить на этот вопрос и просто, и сложно: слово "информация" связано с широким кругом понятий, в том числе и определенных строго математически (информация по Шеннону, например).
Содержательная же сторона понятия "информация" очень многогранна и не имеет четких семантических границ. Однако всегда можно сказать, что можно с ней делать. Именно ответ на этот вопрос чаще всего и интересует как системных аналитиков и разработчиков (ИС), так и пользователей информации (ее основных потребителей).
С точки зрения как пользователей, так и разработчиков ИС, у информации есть одно важное свойство - она является единицей данных, подлежащих обработке. Обычно информация поступает потребителю именно в виде данных: таблиц, графиков, рисунков, фильмов, устных сообщений, которые фиксируют в себе информацию определенной структуры и типа. Таким образом, данные выступают как способ представления информации в определенной, фиксированной форме, пригодной для обработки, хранения и передачи. Хотя очень часто термины "информация" и "данные" выступают как синонимы (особенно в среде разработчиков ИС), следует помнить об этом их существенном отличии. Именно в данных информация обретает интерпретацию в конкретной ИС.
При упоминании о "форме" представления информации следует сказать и еще об одном, "человеческом" свойстве информации - ее восприятии различными категориями людей. Данные могут быть сгруппированы совместно в документ. Документ может иметь или не иметь определенную внутреннюю структуру. Данные могут быть отображены на экране дисплея компьютера. Документы могут иметь аудио- или видеоформу. Разрабатывая ИС, никогда не следует забывать, для кого они (системы) создаются и кто будет их использовать (воспринимать информацию в них). Форма представления информации в ИС определяет не только ее "дружелюбие", но также и категории пользователей. ИС создаются для конкретных групп пользователей, т.е. они, как правило, проблемно-ориентированны.
Определение понятия информации
Теперь мы готовы дать следующее определение информации в применении к ИС.
Определение 1. Информация есть данные, которым придается некоторый смысл (интерпретация) в конкретной ситуации в рамках некоторой системы понятий. Информация представляется посредством кодирования данных и извлекается путем их декодирования и интерпретации.
В этом определении фиксируется три основных преобразования информации и данных в процессе их обработки в ИС: информация-данные, данные-данные, данные-информация.
Рассмотрим пример с классической ИС - библиотекой. Книга поступает в библиотеку. На нее заводятся библиографические карточки (выполняется преобразование информация-данные). Библиографические карточки размещаются в каталогах в соответствии с внутренними библиотечными процедурами систематизации (выполняется преобразование "данные-данные"). Читатели работают с каталогами библиографических карточек в поисках нужных им книг (выполняется преобразование данные-информация). Аналогичным образом можно рассмотреть процесс продажи товара через склад и многие другие сферы человеческой деятельности.
Заметим, что вопрос о преобразовании информация-информация, которое также имеет прямое отношение к ИС, не фигурирует явно в данном рассмотрении. Это преобразование имеет прямое отношение к производству новых знаний. Производство новых знаний относится к разработке систем искусственного интеллекта и не затрагивается непосредственно в данных лекциях.
На рис. 1.1 представлены две стороны определения понятия информации: функциональная и представительная. Первая в общих чертах определяет круг действий над информацией, а вторая - результат выполнения этих действий.
Рис. 1.1. Содержание термина "информация"
При разработке ИС важно отличать собственно генерацию информации и поддержку ее актуальности (соответствия текущему моменту) от процедур ее оформления для потребления пользователем.
Информационные системы
Основной целью создания ИС является удовлетворение информационных потребностей пользователей путем предоставления необходимой им информации на основе хранимых данных. Потребность в информации как таковой не исчерпывает понятия информационных потребностей. Обычно в понятие информационных потребностей включают определенные требования к качеству информационного обслуживания и поведению системы в целом (производительность, актуальность и надежность данных, ориентация на пользователя и ряд других, о чем мы поговорим позже).
Определение 2. Под информационной системой понимается организационная совокупность технических и обеспечивающих средств, технологических процессов и кадров, реализующих функции сбора, обработки, хранения, поиска, выдачи и передачи информации.
Необходимость повышения производительности труда в сфере информационной деятельности приводит к тому, что в качестве внешних средств хранения и быстрого доступа к информации чаще всего используются средства вычислительной техники (цифровой и аналоговой) на основе компьютеров. Современные ИС - сложные комплексы аппаратных и программных средств, технологии и персонала, которые еще называют автоматизированными информационными системами. Структурно ИС включают в себя аппаратное (hardware), программное (software), коммуникационное (netware), промежуточного слоя (middleware), лингвистическое и организационно-технологическое обеспечение.
Аппаратное обеспечение ИС включает в себя широкий набор средств вычислительной техники, средства передачи данных, а также целый ряд специальных технических устройств (устройства графического отображения информации, аудио- и видеоустройства, средства речевого ввода и т.д.). Аппаратное обеспечение является основой любой ИС.
Коммуникационное (сетевое) обеспечение включает в себя комплекс аппаратных сетевых коммуникаций и программных средств поддержки коммуникаций в ИС. Оно имеет существенное значение при создании распределенных ИС и ИС на основе Интернета. При создании распределенных ИС огромную роль также играет программное обеспечение промежуточного слоя, состоящее из набора программных средств (служб и сервисов), которые управляют взаимодействием распределенных объектов в системе.
Программное обеспечение ИС обеспечивает реализацию функций ввода данных, их размещения на машиночитаемых носителях, модификации данных, доступ к данным, поддержку функционирования оборудования. Программное обеспечение можно разделить на системное (которое венчает процесс выбора аппаратно-программного решения, или платформы, как говорят в настоящее время) и пользовательское (которое применяется для решения задач удовлетворения потребностей пользователя в компьютерной среде, а именно, реализует бизнес-логику).
Лингвистическое обеспечение ИС предназначено для решения задач формализации смыслового содержания полнотекстовой и специальной информации для создания поискового образа данных (профиля). В классическом смысле обычно оно включает процедуры индексирования текстов, их классификацию и тематическую рубрикацию. Зачастую ИС, содержащие сложно-структурированную информацию, включают в себя тезаурусы терминов и понятий (средства поддержки метаданных). Сюда можно отнести и создание процессоров специализированных формальных языков конечных пользователей, например языков для манипулирования бухгалтерской информацией и т.д. Чаще всего работам по разработке лингвистического обеспечения не придается должного значения. Подобные упущения чаще всего ведут к неприятию пользователями самой системы и, как следствие, к ее закономерной гибели. Это относится в первую очередь к узко специализированным ИС.
По мере возрастания сложности и масштабов ИС важную роль начинает играть организационно-технологическое обеспечение, которое соединяет разнородные компоненты (аппаратуру, программы и персонал) в единую систему и обеспечивает процедуры ее управления и функционирования. Недооценка этой составляющей ИС чаще всего приводит к срыву сроков внедрения системы и вывода ее на производственные мощности.
На рис. 1.2 просуммированы в общих чертах функции ИС через ее основные структурные компоненты.
Рис. 1.2. Определение информационной системы
Итерационная процедура построения информационных систем
В чем состоит преимущество ориентации на автоматизацию основных бизнес-процессов при автоматизации организации или предприятия? Традиционно и повсеместно используемым подходом (особенно на начальных этапах развития информационной инфраструктуры организации) является применение так называемого позадачного метода решения задач автоматизации, направленного на решение достаточно простых и понятных руководству задач.
Например, учет заказов, выписка счетов, подготовка документов. Конъюнктурное преимущество такого метода очевидно: достаточно быстро может быть получен результат, существование модной ныне ИТ-службы оправдано, внутренние инвестиции быстро вернулись. В принципе, с точки зрения системного анализа это является порочной практикой. Однако он существует, поскольку позволяет, с одной стороны, вроде бы не отставать от жизни (наличие ИС в организации зачастую является одним из определяющих факторов ее конкурентоспособности), а с другой - экономить денежные средства на автоматизации. Вышеуказанный подход позволяет использовать служащих с невысокой квалификацией. Рано или поздно это становится тормозом в развитии информационной инфраструктуры организации.
Низкая отдача уже существующей ИС организации на текущем этапе ее эксплуатации также становится тормозящим фактором. Изменение направлений бизнеса организации и ряд других факторов приводят к вопросу пересмотра отношения к ИС в организации, т.е. к извечному вопросу - переделать или начать с начала. Начать сначала всегда выгодней. Можно применить уже хорошо отработанные в информатике методики проектирования "сверху-вниз" или "снизу-верх". Однако рано или поздно опять встанет вопрос о соответствии требованиям сегодняшнего дня.
Даже в тех случаях реализации ИС, которые одобряются системным анализом, не удается избежать переделки ИС, т.к. она, как органическая часть производственного процесса, должна следовать и отвечать стратегическому генеральному бизнес-плану развития организации. Такой план всегда должен быть, если организация собирается долго жить в своем секторе рынка.
Разработчики ИС фактически всегда находятся в методике "из-середины" (midlle of design). Есть некоторая основа (уже созданная или создаваемая), и вокруг нее следует развиваться в различных направлениях, не сильно ломая сложившиеся традиции. Таким образом, постулируется итерационный подход в разработке и создании информационных систем. И, как следует из вышесказанного, он определяется не желанием теоретиков ИС, а жизненной необходимостью.
Основным подходом в таких переделках (так же, как и при создании) ИС является концепция реинжиниринга, суть которого сводится к постоянному моделированию информационных процессов и данных организации и их отображения в существующей системе.
Что является основной особенностью технологии реализации итерационного подхода разработки и сопровождения ИС? Основная особенность реализации концепции разработки ИС, ориентированной на интегрированные процессы, - это наличие или отсутствие сборочного конвейера, поскольку необходимо собирать воедино многие технологические процессы обработки информации. При объединении технологических процессов обработки информации увеличивается скорость прохождения информации в системе, принятие решений на основе информационных потоков становится частью процесса обработки информации (и более состоятельной), уменьшается иерархия управленческих структур.
Следует также иметь в виду, что наличие в организации корпоративной ИС зачастую меняет представление пользователей о том, как информация должна циркулировать в организации, что является еще одним важным стимулом модернизации ИС. ИС - составляющая и несущая часть пирамиды обработки информации. Поэтому в процессе разработки и реализации ИС приходится перестраивать как бизнес-процессы, так и бизнес-правила и их взаимодействие, что и составляет основу реинжиниринга.
Для того чтобы ИС жила долго и ее эксплуатация приносила ощутимую выгоду, необходимо тщательно проектировать и ее архитектуру, и ее составные компоненты, в частности базы данных, о которых пойдет речь ниже.
Концепция баз данных
Подавляющее большинство компьютеров, которые используются для аппаратного обеспечения создателями ИС, являются компьютерами фон Неймана. Основная идея, положенная в основу создания компьютера фон Неймана, состоит в том, что компьютер представляет собой вычислительную машину с загружаемым в его память кодом - программами и данными. В процессе своей работы такая машина интерпретирует код и различает программы (исполняемый код) и данные (неисполняемый код).
Основные подходы к обработке информации в автоматизированных информационных системах
Одним из главных вопросов разработки программного обеспечения ИС (и программирования как самостоятельной дисциплины) является вопрос о соотнесении программ и данных, ибо решение этого вопроса, в конечном счете, определяет выбор алгоритмов обработки информации, аппаратных средств и технологической платформы. Фундаментальным принципом в решении вопроса о соотнесении программ и данных является концепция независимости прикладных программ от данных, и неважно, какая обработка данных предполагается: централизованная или распределенная. Суть этой концепции состоит не столько в отделении программ от данных, сколько в рассмотрении их как самостоятельных взаимодействующих объектов.
Одной из последних модификаций этого принципа является концепция независимости прикладных программ от данных вместе с процедурами их обработки (объектно-ориентированный подход в программировании), который позволяет решить ряд вопросов обработки данных, связанных с интерпретацией семантического смысла данных.
Торжество концепции независимости программ от данных привело к формированию в 1962 году концепции базы данных (БД) и созданию на ее основе метода баз данных для решения задач обработки информации. До середины 60-х годов прошлого века основной концепцией построения программного обеспечения являлась концепция файловой системы и так называемый позадачный метод. Такой подход по-прежнему остается доминирующим в разработке и функционировании несущих операционных платформ. В конце 80-х годов прошлого века была предложена концепция объектно-ориентированных баз данных и объектно-ориентированный подход разработки программ на основе обработки событий. На рис. 1.3 представлены основные черты для каждой из указанных выше концепций. На рис. 1.4 проведено сопоставление основных методов обработки данных.
Рис. 1.3. Основные концепции обработки информации
Рис. 1.4. Основные методы обработки информации
Основной смысл объектной технологии состоит в том, что программы рассматриваются как совокупность объектов. Объекту присущи следующие свойства:
Инкапсуляция. Объекты наделяются структурой и обладают определенным поведением (набором операций). Операции над объектами составляют его методы. Структура объекта скрыта от пользователя, который манипулирует с объектом через его операции. Объект рассматривается как абстракция реального мира. Для того чтобы объект выполнил некоторое действие, ему нужно послать сообщение. Объект взаимодействует с другими объектами через события.
Наследование. Представляет собой механизм, позволяющий производить одни объекты из других, при этом свойства родительского объекта сохраняются у потомка.
Полиморфизм. Различные объекты могут получать одинаковые сообщения, но реагировать на них по-разному, в соответствии с реализацией своих одноименных методов.
Концепция баз данных
Идея повышения степени независимости обрабатывающих программ от способов хранения и содержания хранимых данных впервые была использована в концепции баз данных путем разделения логического и физического уровней хранения данных в 1964 году в исследованиях сотрудников фирмы IBM.
Что же принято понимать под базой данных? Базу данных в общем случае можно определить как унифицированную совокупность хранимых и воспроизводимых данных, используемых в рамках организации (Engles R.A., 1972 г.). Однако понятие базы данных не основывается в настоящее время на единой концепции, скорее это целое семейство связанных между собой понятий из предметной области, программного и аппаратного обеспечения, анализа и моделирования данных и приложений. Мы дадим несколько определений базы данных.
Определение 3. База данных.
(По Дж. Мартину) База данных есть совокупность взаимосвязанных данных, совместно используемых несколькими приложениями и хранящимися с (минимальной) регулируемой избыточностью. Данные запоминаются таким образом, чтобы они, по мере возможности, не зависели от программ. Для обработки данных применяется общий управляющий метод доступа. Если базы данных не пересекаются по структуре, то говорят о системе баз данных.
(Согласно материалам комитета КОДАСИЛ) База данных состоит из всех экземпляров записей, экземпляров наборов записей и областей, которые контролируются конкретной схемой. (Под схемой можно понимать карту всей логической структуры базы данных. Определение понятия схемы по КОДАСИЛ будет дано при обсуждении сетевой модели данных).
Для разработчика ИС существенным моментом при использовании концепции баз данных является то обстоятельство, что данные становятся определенным образом организованы, приобретают некую упорядоченность и внутреннюю структуру, а также то, что имеется некоторый набор унифицированных операций обработки данных и декларативных средств представления данных. К таким операциям следует отнести операции "Вставить" (Insert), "Добавить" (Add), "Удалить" (Delete) и ряд других. К декларативным средствам представления данных следует отнести языки определения данных. То есть использование данной концепции при создании ИС предполагает наличие языка определения данных и языка манипулирования данными, а также правил построения интерфейсов программ (приложений) с БД и пользователем.
Такое деление средств манипулирования данными и их представления является в определенной степени условным. Язык определения данных служит для описания логической структуры (схемы) БД, а в некоторых случаях и способов хранения и доступа к данным. Язык манипулирования данными предоставляет алгоритмические средства построения приложений для обработки сохраняемых в БД элементов данных.
Системы управления базами данных
В ситуации применения концепции базы данных для создания ИС естественным образом возникает вопрос - а кто или что должно все это поддерживать? Таким образом, встает вопрос о Системе управления базой данных (СУБД). СУБД являются сложными программными системами, работающими на различных операционных платформах. Именно СУБД должна предоставить средства определения и манипулирования данными, сделав данные независимыми от прикладных программ, их использующих. В последнее время набирает обороты концепция машин баз данных, которая предполагает аппаратную реализацию некоторых процедур обработки данных.
Однако после признания концепции БД прошло почти четыре года, прежде чем в 1966 году была создана первая СУБД. На рис. 1.5 представлены основные функции СУБД.
Рис. 1.5. Основные функции СУБД
Определение 4. Системой управления базами данных (Data-base Management System) называется совокупность программных средств, необходимых для использования базы данных и предоставляющих разработчикам и пользователям множество различных представлений данных.