Геоинформационные технологии. Автоматизированные системы сбора и хранения и анализа информации. Основы автоматизированных систем проектно-изыскательских работ в природообустройстве

Геоинформационные системы (ГИС) являются классом информационных систем. Они построены с учетом закономерностей геоинформатики и методов применяемых в этой науке.

ГИС как интегрированные информационные системы предназначены для решения различных задач науки и производства на основе использования пространственно-локализованных данных об объектах и явлениях природы и общества. Неразрывно с ГИС связаны геоинформационные технологии.

1. Геоинформационные технологии

В этом отношении сервер приложений управляет формированием транзакций, которые выполняет SQL-сервер. Поэтому программный компонент СУБД, инсталлируемый на сервере приложений, еще называют монитором обработки транзакций (Transaction Processing Monitors - TRM), или просто монитором транзакций.

AS-модель, сохраняя сильные стороны DBS-модели, позволяет оптимально построить вычислительную схему информационной системы, однако, как и в случае RDA-модели, повышает трафик сети.

В практических случаях используются смешанные модели, когда простейшие прикладные функции и обеспечение ограничений целостности данных поддерживаются хранимыми на сервере процедурами (DBS-модель), а более сложные функции предметной области (так называемые правила бизнеса) реализуются прикладными программами на клиентских установках (RDA-модель) или на сервере приложений (AS-модель).

2. Автоматизированные системы сбора, хранения и анализа информации

Автоматизированные информационные системы (АИС) относятся к классу сложных систем, как правило, не столько в связи с большой физической размерностью, сколько в связи с многозначностью структурных отношений между их компонентами. В рамках системного анализа сложные системы изучаются посредством разбиения на элементы: предполагается, что сложная система есть целое, состоящее из взаимосвязанных частей, которые не могут быть определены априорно, а строятся или выбираются в процессе декомпозиции (физической или концептуальной) исходной системы. Поэтому, прежде чем непосредственно перейти к изучению АИС, рассмотрим основные понятия и подходы к классификации информационных систем (ИС) вообще.

В настоящее время нет единого определения ИС и нет единой их классификации в связи с динамично протекающими процессами накопления знаний в области информационных технологий, поэтому приведем для сравнения наиболее существенные.

Информационная система - совокупность информационных, экономико-математических методов и моделей, технических, программных, технологических средств и специалистов, предназначенная для сбора, хранения, обработки и выдачи информации и принятия управленческих решений.

Информационная система есть распространенное обозначение человеческого коллектива и процедур, а также разработанного, построенного, используемого и обслуживаемого оборудования для сбора, обработки, сохранения, извлечения и отображения информации.

Актуальной задачей в информационном плане на сегодняшний день для предприятий и корпораций всех организационных форм и видов собственности и в любой предметной области является обеспечение надежного управления всем объемом разнородных данных, которые порождаются, хранятся и используются в различных ИС, существующих на предприятии и связанных с информационной поддержкой продукции (услуг) в течение ее жизненного цикла. Разнообразие проблем, решаемых с помощью ИС, привело к появлению разнотипных систем, различающихся принципами построения и заложенными в них правилами обработки информации.

ИС можно классифицировать по различным признакам. В основу нижеприведенной классификации положен ряд существенных признаков, определяющих функциональные возможности и особенности построения современных систем; также принимались во внимание объем решаемых задач, используемых технических средств, организации функционирования и т.д.

По типу хранимых данных ИС делятся на фактографические и документальные. Фактографические системы предназначены для хранения и обработки структурированных данных в виде чисел и текстов. Над такими данными можно выполнять различные операции.

В документальных системах информация представлена в виде документов, состоящих из наименований, описаний, рефератов и текстов. Поиск по неструктурированным данным осуществляется с использованием семантических признаков. Отобранные документы предоставляются пользователю, а обработка данных в таких системах практически не производится.

Основываясь на степени автоматизации информационных процессов в системе управления фирмой (организацией), ИС делятся на ручные, автоматические и автоматизированные.

Ручные ИС характеризуются отсутствием современных технических средств переработки информации и выполнением всех операций человеком.

В автоматических ИС все операции по переработке информации выполняются без участия человека.

Автоматизированные И С предполагают участие в процессе обработки информации и человека, и технических средств, причем главная роль в выполнении рутинных операций обработки данных отводится компьютеру. Именно этот класс систем соответствует современному представлению понятий "информационная система" и "автоматизированная система".

Автоматизированная система (АС) - это система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию установленных функций.

Комплекс средств автоматизации (КСА) - совокупность всех компонентов АС, за исключением персонала.

Пользователь АС - лицо, участвующее в функционировании АС или использующее результаты ее функционирования.

В зависимости от характера обработки данных АИС¹ делятся на информационно-поисковые и информационно-решающие.

Информационно-поисковые системы производят ввод, систематизацию, хранение, выдачу информации по запросу пользователя без сложных преобразований данных. Например, ИС библиотечного обслуживания, резервирования и продажи билетов на транспорте, бронирования мест в гостиницах и пр.

Информационно-решающие системы осуществляют, кроме того, операции переработки информации по определенному алгоритму. По характеру использования выходной информации такие системы принято делить на управляющие и советующие. Результирующая информация управляющих АИС непосредственно трансформируется в принимаемые человеком решения. Для этих систем свойственны задачи расчетного характера и обработка больших объемов данных, например АИС планирования производства или заказов, бухгалтерского учета. Советующие АИС вырабатывают информацию, которая принимается человеком к сведению и учитывается при формировании управленческих решений, а не инициирует конкретные действия. Эти системы имитируют интеллектуальные процессы обработки знаний, а не данных (например, экспертные системы).

В зависимости от сферы применения различают следующие классы АИС.

Системы организационного управления предназначены для автоматизации функций управленческого персонала как промышленных предприятий, так и непромышленных объектов (гостиниц, банков, магазинов и пр). Основными функциями подобных систем являются: оперативный контроль и регулирование, оперативный учет и анализ, перспективное и оперативное планирование, бухгалтерский учет, управление сбытом, снабжением и другие экономические и организационные задачи.

Системы управления технологическими процессами (ТП) служат для автоматизации функций производственного персонала по контролю и управлению производственными операциями. В таких системах обычно предусматривается наличие развитых средств измерения параметров технологических процессов (температуры, давления, химического состава и т.п.), процедур контроля допустимости значений параметров и регулирования технологических процессов.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) предназначены для автоматизации функций инженеров-проектировщиков, конструкторов, архитекторов, дизайнеров при создании новой техники, сооружений или технологий. Основными функциями подобных систем являются: инженерные расчеты, создание графической документации (чертежей, схем, планов), создание проектной документации, моделирование проектируемых объектов.

Интегрированные (корпоративные) АИС используются для автоматизации всех функций фирмы (корпорации) и охватывают весь цикл работ - от планирования деятельности до сбыта продукции. Они включают в себя ряд модулей (подсистем), работающих в едином информационном пространстве и выполняющих функции поддержки соответствующих направлений деятельности.

Анализ современного состояния рынка АИС показывает устойчивую тенденцию роста спроса на информационные системы организационного управления. Причем продолжает расти спрос именно на интегрированные системы. Автоматизация отдельной функции, например, бухгалтерского учета или сбыта готовой продукции, считается уже пройденным этапом для многих предприятий.

В интегрированных АИС выделяют функциональные и обеспечивающие подсистемы. Функциональные подсистемы информационно обслуживают определенные виды деятельности, характерные для структурных подразделений предприятия или функций управления. Интеграция функциональных подсистем в единую систему достигается за счет создания и функционирования обеспечивающих подсистем.

Функциональная подсистема представляет собой комплекс задач с высокой степенью информационных обменов (связей) между задачами. При этом под задачей понимается некоторый процесс обработки информации с четко определенным множеством входной и выходной информации. Состав функциональных подсистем определяется характером и особенностями автоматизируемой деятельности, отраслевой принадлежностью, формой собственности, размером предприятия. Деление АИС на функциональные подсистемы может строиться по различным принципам:

* предметному;

* функциональному;

* проблемному;

* смешанному (предметно-функциональному).

При использовании предметного принципа выделяют подсистемы, отвечающие за управление отдельными ресурсами: управление сбытом, управление производством, управление финансами, управление персоналом и т.д. При этом в подсистемах рассматривается решение задач на всех уровнях управления, обеспечивая интеграцию информационных потоков по вертикали.

Применение функционального принципа предполагает выделение подсистем по направлениям деятельности: технико-экономическое планирование, бухгалтерский учет, анализ хозяйственной деятельности, перспективное развитие.

Состав обеспечивающих подсистем не зависит от конкретных функциональных подсистем и предметной области.

Рассмотренная классификация АИС с указанными выше классификационными признаками не является единственной. Приведем пример классификации, где в качестве основного классификационного признака рассматриваются особенности автоматизируемой профессиональной деятельности - процесса переработки входной информации для получения требуемой выходной.

В соответствии с названиями приведенных на рис.1 систем (аббревиатуры общеприняты среди специалистов по информационным технологиям и системам) нетрудно определить назначение и особенности каждой из них.

Рис.1. Классификация АИС с учетом особенностей автоматизируемой профессиональной деятельности:

АСУ - автоматизированные системы управления (П - персоналом, ТС - техническими средствами); СППР - системы поддержки принятия решения (Р - руководителя, О - должностного лица органа управления, Д - оперативного дежурного, Оп - оператора); АИВС - автоматизированные информационно-вычислительные системы; ИРС - информационно-расчетная система; САПР - система автоматизированного проектирования; МЦ - моделирующий центр; ПОИС - проблемно-ориентированная имитационная система; АИИС - автоматизированные информационно-справочные системы; АА - автоматизированные архивы; АСД - автоматизированные системы делопроизводства; АС - автоматизированные справочники и АК - автоматизированные картотеки; АСВЭК - автоматизированные системы ведения электронных карт; АСО - автоматизированные системы обучения; АСОДИ - автоматизированные системы обеспечения деловых игр; Т и ТК - тренажеры и тренажерные комплексы

Различают девять обеспечивающих подсистем или так называемое обеспечение АИС, в частности:

* информационное;

* лингвистическое;

* математическое;

* методическое;

* организационное;

* правовое;

* программное;

* техническое;

* эргономическое.

Ниже приведены тестированные определения каждого вида обеспечения, его компоненты и особенности.

Информационное обеспечение - совокупность форм документов, классификаторов, нормативной базы и реализованных решений по объемам, размещению и формам существования информации, применяемой в АИС при ее функционировании.

Информационное обеспечение включает:

* описание технологических процессов;

* описание организации информационной базы;

* описание входных потоков;

* описание выходных сообщений;

* описание систем классификации и кодирования;

* формы документов;

* описание структуры массивов.

Системы классификации позволяют группировать объекты, выделяя определенные классы, которые характеризуются рядом общих свойств. Классификаторы представляют собой систематизированные своды, перечни классифицируемых объектов и имеют определенное (обычно числовое) обозначение. Применяются государственные, отраслевые, региональные классификаторы. Например, классифицированы отрасли промышленности, оборудование, профессии, единицы измерения, статьи затрат и т.д.

Назначение классификаторов:

* систематизация наименований кодируемых объектов;

* однозначная интерпретация одних и тех же объектов в различных задачах;

* возможность обобщения информации по заданной совокупности признаков;

* возможность сопоставления одних и тех же показателей, содержащихся в формах статистической отчетности;

* возможность поиска и обмена информацией между подсистемами и внешними АИС;

* оптимизация использования ресурсов вычислительной техники при работе с кодируемой информацией.

Используются три метода классификации объектов, которые различаются стратегией применения классификационных признаков:

* иерархический;

* фасетный;

* дескрипторный.

Иерархический метод реализует достаточно жесткую процедуру построения структуры классификации. Предварительно определяется цель - набор свойств, которыми должны обладать классифицируемые объекты. Эти свойства полагают признаками классификации. В иерархической системе классификации каждый объект на любом уровне должен быть отнесен к одному классу, характеризуемому конкретным значением выбранного классификационного признака. Количество уровней классификации, соответствующее числу признаков, выбранных в качестве основания деления, характеризует глубину классификации.

Достоинства иерархической системы классификации: простота построения и использование независимых классификационных признаков в различных ветвях иерархической структуры.

Недостатками этой системы являются жесткая структура, осложняющая внесение изменений, так как это приводит к перераспределению классификатора, и невозможность группировать объекты по заранее не предусмотренным сочетаниям признаков.

При использовании фасетного метода классификации допустимо выбирать признаки классификации независимо как друг от друга, так и от семантического содержания классифицируемого объекта. Признаки классификации называются фасетами (Гасе1 - рамка). Каждый фасет содержит совокупность однородных значений данного классификационного признака, причем значения в фасете могут располагаться в произвольном порядке, хотя предпочтительнее их упорядочение. Схема построения фасетной системы классификации представляется в виде таблицы. Названия столбцов соответствуют выделенным классификационным признакам (фасетам). В каждой клетке таблицы хранится конкретное значение фасета. Процедура классификации состоит в присвоении каждому объекту соответствующих значений из фасетов.

Достоинства фасетной системы классификации: возможность создания большой емкости классификации, т.е. использования большого числа признаков классификации и их значений для создания группировок; возможность простой модификации всей системы классификации без изменения структуры существующих группировок.

Недостатком системы является сложность ее построения, так как необходимо учитывать все многообразие классификационных признаков.

Для организации поиска информации, для ведения тезаурусов (словарей) эффективно используется дескрипторная (описательная) система классификации, язык которой приближается к естественному языку описания информационных объектов. Особенно широко она используется в библиотечной системе поиска.

Системы классификации принципиально отличаются от систем кодирования в соответствии с определением.

Система кодирования - совокупность правил кодового обозначения объектов. 'Код строится на базе алфавита, состоящего из букв, цифр и других символов. Код характеризуется: длиной - число позиций в коде, и структурой - порядок расположения в коде символов, используемых для обозначения классификационного признака.

Кодирование применяется для замены названия объекта на условное обозначение (код) в целях обеспечения удобной и более эффективной обработки информации.

Унифицированные системы документации создаются на государственном, отраслевом и региональном уровнях. Главная цель их использования - обеспечение сопоставимости показателей различных сфер общественного производства. Разработаны стандарты, где устанавливаются требования к:

* унифицированным системам документации;

* унифицированным формам документов различных уровней управления;

* составу и структуре реквизитов и показателей;

* порядку внедрения, ведения и регистрации унифицированных форм документов.

Однако, несмотря на существование унифицированной системы документации, при обследовании большинства организаций постоянно выявляют типичные недостатки:

* чрезвычайно большой объем документов для ручной обработки;

* одни и те же показатели часто дублируются в разных документах;

* работа с большим количеством документов отвлекает специалистов от решения непосредственных задач;

* наличие показателей, которые создаются, но не используются, и др.

Устранение указанных недостатков является одной из задач, стоящих при создании информационного обеспечения.

Схемы информационных потоков отражают маршруты движения информации, ее объемы, места возникновения и использования. Анализ таких схем позволяет выработать меры по совершенствованию всей системы управления.

Для создания информационного обеспечения необходимо:

* ясное понимание целей, задач, функций всей системы управления организацией;

* выявление движения информации от момента возникновения и до ее использования на различных уровнях управления, представленной для анализа в виде схем информационных потоков;

* совершенствование системы документооборота;

* наличие и использование системы классификации и кодирования;

* владение методологией создания концептуальных информационно-логических моделей, отражающих взаимосвязь информации;

* создание массивов информации на машинных носителях, что требует наличия современного технического обеспечения.

Лингвистическое обеспечение - совокупность средств и правил для формализации естественного языка, используемых при общении пользователей и эксплуатационного персонала АИС с комплексом средств автоматизации при функционировании АИС.

Языковые средства лингвистического обеспечения делятся на две группы: традиционные языки (естественные, математические, алгоритмические, моделирования) и языки, предназначенные для диалога с ЭВМ.

Математическое обеспечение - совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, применяемых в АИС.

В состав математического обеспечения входят:

* средства математического обеспечения (средства моделирования типовых задач управления, методы многокритериальной оптимизации, математической статистики, теории массового обслуживания и др.);

* техническая документация (описание задач, алгоритмы решения задач, экономико-математические модели);

* методы выбора математического обеспечения (методы определения типов задач, методы оценки вычислительной сложности алгоритмов, методы оценки достоверности результатов).

Методическое обеспечение - совокупность документов, описывающих технологию функционирования АИС, методы выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов при функционировании АИС.

Организационное обеспечение - совокупность документов, устанавливающих организационную структуру, права и обязанности пользователей и эксплуатационного персонала АИС в условиях функционирования, проверки и обеспечения работоспособности АИС.

Организационное обеспечение реализует следующие функции:

* анализ существующей системы управления предприятием (организацией), где используется АИС, выявление задач, подлежащих автоматизации;

* подготовку задач к автоматизации, включая разработку технических заданий и технико-экономических обоснований эффективности;

* разработку управленческих решений по изменению структуры организации и методологий решения задач, направленных на повышение эффективности системы управления.

Организационное обеспечение включает:

* методические материалы, регламентирующие процесс создания и функционирования АИС;

* совокупность средств для эффективного проектирования и функционирования АИС;

* техническую документацию, получаемую в процессе обследования предприятия, проектирования, внедрения и сопровождения системы;

* персонал (организационно-штатные структуры предприятия), проектирующий, внедряющий, сопровождающий и использующий ИС.

Правовое обеспечение - совокупность правовых норм, регламентирующих правовые отношения при функционировании АИС и юридический статус результатов ее функционирования. Примечание: правовое обеспечение реализуется в организационном обеспечении АИС.

В состав правового обеспечения входят законы, указы, постановления государственных органов власти; приказы, инструкции и другие нормативные документы министерств, ведомств, организаций, местных органов власти. В правовом обеспечении можно выделить общую часть, регулирующую функционирование любой ИС, и локальную часть, регулирующую функционирование конкретной системы.

Правовое обеспечение разработки АИС включает нормативные акты, связанные с договорными отношениями разработчика и заказчика и правовым регулированием отклонений от договора.

Правовое обеспечение функционирования АИС включает:

* статус АИС;

* права, обязанности и ответственность персонала;

* правовые положения отдельных видов процесса управления;

* порядок создания и использования информации.

Программное обеспечение - совокупность программ на носителях данных и программных документов, предназначенная для отладки, функционирования и проверки работоспособности АИС.

К программному обеспечению АИС относят:

* программное обеспечение, специально разработанное в рамках автоматизации, реализующее разработанные модели разной степени адекватности, отражающие функционирование реального объекта;

* программное обеспечение общего назначения, предназначенное для решения типовых задач обработки информации.

Техническая документация на разработку программных средств должна содержать описание задач, задание на алгоритмизацию, экономико-математическую модель задачи, контрольные примеры.

Техническое обеспечение - совокупность всех технических средств, используемых при функционировании АИС.

К техническим средствам относят:

* используемую вычислительную технику разного назначения (серверы, рабочие станции);

* специальные устройства сбора, накопления, обработки, передачи и вывода информации;

* устройства передачи данных и линии связи;

* устройства автоматического съема информации;

* оргтехнику, эксплуатационные материалы и т.д.

Выбор технических средств, организация их эксплуатации, технологический процесс обработки данных, технологическое оснащение документально оформляются.

Документацию технического обеспечения можно условно разделить на группы:

* общесистемная документация, включающая государственные и отраслевые стандарты по техническому обеспечению;

* специализированная документация, содержащая комплекс методик по всем этапам разработки технического обеспечения;

* нормативно-справочная документация, используемая при выполнении расчетов по техническому обеспечению.

Эргономическое обеспечение - совокупность реализованных решений в АИС по согласованию психологических, психофизиологических, антропометрических, физиологических характеристик и возможностей пользователей АИС с техническими характеристиками комплекса средств автоматизации АИС и параметрами рабочей среды на рабочих местах персонала АИС.

Охрана здоровья трудящихся, обеспечение безопасности условий труда, ликвидация профессиональных заболеваний и производственного травматизма составляют одну из главных забот человеческого общества. Обращается внимание на необходимость широкого применения прогрессивных форм научной организации труда, сведения к минимуму ручного, малоквалифицированного труда, на создание обстановки, исключающей профессиональные заболевания и производственный травматизм.

Архитектура АИС. Термин "архитектура" применительно к вычислительным системам появился задолго до создания первых АИС, тем не менее он является одним из основополагающих и в сфере информационных технологий. Существуют различные подходы к определению архитектуры АИС, различные точки зрения и различная степень детализации рассмотрения; приведем некоторые из них.

Согласно архитектура - это организационная структура автоматизированной системы. Известно и другое определение: архитектура - это концептуальное описание структуры системы, включающее описание элементов системы, их взаимодействия и внешних свойств. Выделяют два уровня архитектуры АИС:

* бизнес-архитектуру (бизнес-уровень);

* уровень информационных технологий (технический уровень).

Бизнес-архитектура обычно первична по отношению к техническому уровню; может существовать и реализуема вне зависимости от существования АИС. Бизнес-архитектура является предметной областью для анализа и проведения автоматизации. На бизнес-уровне определяется набор задач, требований, характеристик, осуществляемых с помощью АИС. Соответствие указанному уровню технического уровня является основой эффективности функционирования АИС.

С другой стороны, новые возможности, предоставляемые использованием информационных технологий, стимулируют развитие и корректировку бизнес-архитектуры, в связи с чем она является неотъемлемой частью архитектуры АИС и всего предприятия.

Уровень информационных технологий или технический уровень представляет собой интегрированный комплекс технических средств, используемых в АИС для реализации задач предприятия, и включает в себя как логические, так и технические (программные и аппаратные) компоненты. Компонентами этого уровня, в свою очередь, являются следующие подуровни:

* архитектура программных систем;

* информационная архитектура;

* технологическая (инфраструктурная) архитектура.

Информационная архитектура представляет собой логическую организацию данных, с которыми работает АИС, т.е. практически структуры баз данных и баз знаний, а также принципы их взаимодействия.

Под архитектурой программных систем понимают совокупность следующих технических решений:

* общий архитектурный стиль и общую организацию программной части АИС;

* деление программного комплекса на функциональные подсистемы и модули;

* свойства модулей, методы их взаимодействия и объединения, используемые интерфейсы.

Архитектура программной системы охватывает не только структурные и поведенческие аспекты, но и правила ее использования и интеграции с другими системами, функциональность, производительность, гибкость, надежность, эргономичность, технологические ограничения.

Технологическая архитектура описывает инфраструктуру, используемую для передачи данных. На этом уровне решаются вопросы сетевой структуры, применяемых каналов связи и т.д.

По мере развития программных систем все большее значение приобретает их комплексная интеграция для построения единого информационного пространства предприятия. Обеспечение такой интеграции является важнейшим элементом архитектуры, в противном случае АИС окажется неэффективной.

Жизненный цикл АИС. Одним из базовых понятий методологии проектирования АИС является понятие жизненного цикла ее программного обеспечения (ЖЦ ПО). ЖЦ ПО - это непрерывный процесс, который начинается с момента принятия решения о необходимости его создания и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации.

По аналогии правомерно будет утверждать, что жизненный цикл АИС есть непрерывный процесс с момента принятия решения о необходимости ее создания до полного завершения ее эксплуатации. Продолжительность жизненного цикла современных АИС составляет около 10 лет, что значительно превышает сроки морального и физического старения технических и системных программных средств, используемых при реализации АИС. Поэтому, как правило, в течение ЖЦ системы проводится ее модернизация, после чего все функции системы должны выполняться с не меньшей эффективностью.

Добиться этого на протяжении всего ЖЦ АИС - довольно сложная по ряду объективных и субъективных причин задача, в результате подавляющее большинство проектов АИС внедряется с нарушениями качества, сроков или сметы; почти треть проектов прекращают свое существование незавершенными.