Теория информационных систем
Основные понятия
Система — объект или процесс, в котором элементы-участники связанынекоторыми связями и отношениями.
Подсистема — часть системы с некоторыми связями и отношениями.
Любая система состоит из подсистем,подсистема любой системы может быть сама рассмотрена как система. Границырассматриваемой системы определяются доступными ресурсами и окружением.
Пример. Наука — система,обеспечивающая получение, проверку, фиксацию (хранение), актуализацию знанийобщества. Наука имеет подсистемы: математика, информатика, физика, экономика идр. Любое знание существует лишь в форме систем (систематизированное знание).Теория — наиболее развитая система их организации, позволяющая не толькоописывать, но и объяснять, прогнозировать события, процессы.
Определим основные понятиясистемного анализа, необходимые далее.
Состояние системы — фиксация совокупности доступных системе ресурсов(материальных, энергетических, информационных, пространственных, временных,людских, организационных), определяющих ее отношение к ожидаемому результатуили его образу. Это «фотография» механизма преобразования входныхданных системы в выходные данные.
Задача — некоторое множество исходных посылок (входных данных к задаче), описаниецели, определенной над множеством этих данных, и, может быть, описаниевозможных стратегий достижения этой цели или возможных промежуточных состоянийисследуемого объекта.
Решить задачу означает определить четкоресурсы и пути достижения указанной цели при исходных посылках. Решение задачи — описание,представление состояния задачи,при котором достигается указанная цель; решением задачи называют и сам процесснахождения этого состояния.
Проблема — описание, хотя бы содержательное, ситуации, в которойопределены: цель,достигаемые (достижимые, желательные) результаты и, возможно, ресурсы истратегия достижения цели (решения). Проблема проявляется поведением системы.
Описание (спецификация) системы — это идентификация ееопределяющих элементов и подсистем, их взаимосвязей, целей, функций и ресурсов,т.е. описание допустимых состоянийсистемы.
Если входные посылки, цель, условие задачи, решениеили, возможно, даже само понятие решения плохо (частично) описываемы,формализуемы, то эти задачиназываются плохоформализуемыми. Поэтому при решении таких задач приходится рассматривать целыйкомплекс формализованных задач,с помощью которых можно исследовать эту плохо формализованную задачу. Сложностьих исследования заключается в необходимости учета различных, а часто ипротиворечивых критериев определения, оценки решения задачи.
Пример. Плохо формализуемыми будут, например, задачивосстановления «размытых» текстов, изображений, составления учебногорасписания в любом большом вузе, составления «формулы измеренияинтеллекта», описания функционирования мозга, социума, перевода текстов содного языка на другой с помощью ЭВМ и др.
Структурасистемы
Структура — все то, что вносит порядок во множество объектов, т.е.совокупность связей и отношений между частями целого, необходимых длядостижения цели.
Пример. Примеры структур: извилинымозга, факультет, государственное устройство, кристаллическая решетка вещества,микросхема. Кристаллическая решетка алмаза — структура неживой природы; пчелиныесоты и полосы зебры — структурыживой природы; озеро — структураэкологической природы; партия (общественная, политическая) — структурасоциальной природы, и т.д.
Базовые топологии структур (систем)приведены на рис. 2.1-2.4.
/>/>
Рис. 1. Структура линейного типа
/>/>
Рис. 2.Структура иерархического типа (первая цифра — номер уровня)
/>/>
Рис. 3.Структура сетевого типа (вторая цифра — номер в пути)
/>/>
Рис. 4.Структура матричного типа
Пример. Примером линейной структуры являетсяструктурастанций метро на одной (не кольцевой) линии в одном направлении. Примеромиерархической структурыможет служить структурауправления вузом: «Ректор — Проректор — Декан — Заведующий кафедрой,подразделением — Преподаватель кафедры, сотрудник подразделения». Примерсетевой структуры- структураорганизации работ при строительстве дома: некоторые работы, например, монтажстен, благоустройство территории и др. можно выполнять параллельно. Примерматричной структуры- структураработников отдела НИИ, выполняющих работы по одной и той же теме.
Функционированиеи развитие системы
Функционированием называется деятельность, работа системы без смены (главной)цели системы. Это проявление функции системы во времени.
Развитием называется деятельность системы со сменой цели системы.
При функционировании системы явно непроисходит качественного изменения инфраструктуры системы; при развитии системыее инфраструктура качественно изменяется.
Развитие — борьба организации и дезорганизации в системе, она связанас накоплением и усложнением информации, ее организации.
Пример. Информатизация страны в еенаивысшей стадии — всемерное использование различных баз знаний, экспертныхсистем, когнитивных методов и средств, моделирования, коммуникационных средств,сетей связи, обеспечение информационной а, следовательно, любой безопасности идр.; это революционное изменение, развитие общества. Компьютеризация общества, региона,организации без постановки новых актуальных проблем, т.е. «навешиваниекомпьютеров на старые методы и технологии обработки информации» — это функционирование,а не развитие.Упадок моральных и этических ценностей в обществе, потеря цели в жизни могуттакже привести к «функционированию»не только отдельных людей, но и социальных слоев.
Основные признаки развивающихсясистем:
· самопроизвольноеизменение состояния системы;
· противодействие(реакция) влиянию окружающей среды (другим системам), приводящее к изменениюпервоначального состояния среды;
· постоянный потокресурсов (постоянная работа по их перетоку «среда-система»),направленный против уравновешивания их потока с окружающей средой.
Классификациясистем
Классификацию систем можноосуществить по разным критериям. Проводить ее жестко — невозможно, она зависитот цели и ресурсов. Приведем основные способы классификации (возможны идругие критерии классификации систем).
1. По отношениюсистемы к окружающей среде:
o открытые (естьобмен ресурсами с окружающей средой);
o закрытые (нетобмена ресурсами с окружающей средой).
2. По происхождениюсистемы (элементов, связей, подсистем):
o искусственные(орудия, механизмы, машины, автоматы, роботы и т.д.);
o естественные(живые, неживые, экологические, социальные и т.д.);
o виртуальные(воображаемые и, хотя реально не существующие, но функционирующие так же, как ив случае, если бы они существовали);
o смешанные(экономические, биотехнические, организационные и т.д.).
3. По описаниюпеременных системы:
o с качественнымипеременными (имеющие лишь содержательное описание);
o с количественнымипеременными (имеющие дискретно или непрерывно описываемые количественнымобразом переменные);
o смешанного(количественно-качественное) описания.
4. По типу описаниязакона (законов) функционирования системы:
o типа «Черныйящик» (неизвестен полностью закон функционирования системы; известнытолько входные и выходные сообщения);
o непараметризованные (закон не описан; описываем с помощью хотя бы неизвестныхпараметров; известны лишь некоторые априорные свойства закона);
o параметризованные(закон известен с точностью до параметров и его возможно отнести к некоторомуклассу зависимостей);
o типа «Белый(прозрачный) ящик» (полностью известен закон).
5. По способууправления системой (в системе):
o управляемые извнесистемы (без обратной связи, регулируемые, управляемые структурно,информационно или функционально);
o управляемыеизнутри (самоуправляемые или саморегулируемые — программно управляемые,регулируемые автоматически, адаптируемые — приспосабливаемые с помощьюуправляемых изменений состояний, и самоорганизующиеся — изменяющие во времени ив пространстве свою структуру наиболее оптимально, упорядочивающие своюструктуру под воздействием внутренних и внешних факторов);
o с комбинированнымуправлением (автоматические, полуавтоматические, автоматизированные, организационные).
Система называется сложной, если вней не хватает ресурсов (главным образом, информационных) для эффективногоописания (состояний, законов функционирования) и управления системой — определения, описания управляющих параметров или для принятия решений в такихсистемах (в таких системах всегда должна быть подсистема принятия решения).
Сложной считают иногда такую систему, для которой по ее трем видамописания нельзя выявить ее траекторию, сущность, и поэтому необходимо ещедополнительное интегральное описание (интегральная модель поведения, иликонфигуратор) — морфолого-функционально-инфологическое.
Функциии задачи управления системой
1. Организациясистемы — полное, качественное выделение подсистем, описание их взаимодействийи структуры системы (как линейной, так и иерархической, сетевой или матричной).
2. Прогнозированиеповедения системы, т.е. исследование будущего системы.
3. Планирование(координация во времени, в пространстве, по информации) ресурсов и элементов,подсистем и структуры системы, необходимых (достаточных — в случае оптимальногопланирования) для достижения цели системы.
4. Учет и контрольресурсов, приводящих к тем или иным желаемым состояниям системы.
5. Регулирование — адаптация и приспособление системы к изменениям внешней среды.
6. Реализация техили иных спланированных состояний, решений.
Функции и задачи управлениясистемой взаимосвязаны, а также взаимозависимы.
Пример. Нельзя, например,осуществлять полное планирование в экономической системе без прогнозирования,учета и контроля ресурсов, без анализа спроса и предложения — основныхрегуляторов рынка. Экономика любого государства — всегда управляемая система,хотя подсистемы управления могут быть организованы по-разному, иметь различныеэлементы, цели, структуру, отношения.
По характеру управления, охватаподсистем и подцелей (цели системы) управление может быть:
1. стратегическое,направленное на разработку, корректировку стратегии поведения системы;
2. тактическое,направленное на разработку, корректировку тактики поведения системы.
По времени управляющего воздействиясистемы могут быть: долгосрочно и краткосрочно управляемые.
Иногда отождествляют стратегическоеи долгосрочное, тактическое и краткосрочное управление, но это не всегда верно.
Пример. Любая серьезная экономическаясистема стратегического управления должна включать в себя управляющую(информационную) подсистему, обрабатывающую, актуализирующую стратегическуюинформацию об инновационных мероприятиях, инвестиционных условиях, овозможностях и состояниях рынков товаров, услуг, ценных бумаг, доступныхресурсах, финансовых условиях и критериях, принципах и методах управления и др.Такие системы обычно имеют следующие цели и, часто, соответствующие имструктуры:
1. управление координацией (Project Integration Management);
2. управление целями (Project Scope Management);
3. управление временем (Project Time Management);
4. управлениестоимостью (Project Cost Management);
5. управление качеством (Project Quality Management);
6. управление людскими ресурсами (Project Human ResourceManagement);
7. управление коммуникациями (Project Communication Management);
8. управление рисками (Project Risk Management);
9. управление поставками (Project Procurement Management).
Все эти функции тесно переплетенымежду собой.
Информационныесистемы
Информационная система — система, в которой ее элементы, цель, ресурсы, структура(организация) рассматриваются, в основном, на информационном уровне (хотя,естественно, имеются и другие уровни рассмотрения, например, энергетическийуровень).
Любая информационная система имеет следующиетипы основных подсистем:
1. подсистемаинформационного обеспечения (данных);
2. подсистемаинтеллектуального обеспечения (информации, знаний);
3. подсистематехнического обеспечения (аппаратуры);
4. подсистематехнологического обеспечения (технологии);
5. подсистемакоммуникативного обеспечения (интерфейса);
6. подсистемаанализа и проектирования;
7. подсистема оценкиадекватности и качества, верификации;
8. подсистемаорганизационного взаимодействия и управления персоналом;
9. подсистемалогистики (планирования и движения товаров и услуг).
Информационная среда — это среда (т.е. система и ее окружение) извзаимодействующих информационныхсистем, включая и информацию, актуализируемую в этих системах.
Пример. Можно выделить три основныхподхода к использованию информационного менеджмента в социально-экономическихсистемах.
1. «Отношений собщественностью» (PR — Public Relations, Пиар), при которомразрабатываются и используются системы управления социально-экономическойинформацией с целью создания более адекватной и благоприятной среды (включая ивсе виды ресурсов), общественного сознания для реализации интересовгосударства, монополии и человека, согласования их интересов, подчаспротиворечивых. Широко используются при этом методы опроса населения, изученияобщественного мнения, рекламирования, прогнозирования и моделирования (особеннодля повышения устойчивости и регуляции систем).
2. «Объединениядостижений НТР и человека», при котором разрабатываются и реализуютсясистемы массового обучения достижениям НТР, новым информационным технологиям,делопроизводству и т.д. с целью адаптации человека к системам с возросшимитехническими и технологическими возможностями, требованиями к качествупродукции и соотношению «качество — цена».
3. «Организационногогуманизма», при котором разрабатываются и реализуются системы помещениятрудящихся в стимулирующие их работу культурно-образовательные,социально-психологические, гуманистические и материальные среды с целью раскрытияих потенциальных возможностей и способностей.
Информационная системауправления — система,предназначенная для управления, — как другой системой, так и внутри системы(т.е. в качестве управляющей подсистемы).
Различают также основные 6 типов информационных систем управления(тип системы определяется целью, ресурсами, характером использования ипредметной областью):
1. Диалоговаясистема обработки запросов (Transaction Processing System) — для реализациитекущих, краткосрочных, тактического характера, часто рутинных и жесткоструктурируемых и формализуемых процедур, например, обработки накладных,ведомостей, бухгалтерских счетов, складских документов и т.д.
2. Системаинформационного обеспечения (Information Provision System) — для подготовкиинформационных сообщений краткосрочного (обычно) использования тактического илистратегического характера, например, с использованием данных из базы данных иструктурированных, формализованных процедур.
3. Система поддержкипринятия решений (Decision Support System) — для анализа (моделирования)реальной формализуемой ситуации, в которой менеджер должен принять некотороерешение, возможно, просчитав различные варианты потенциального поведениясистемы (варьируя ее параметры); такие системы используются как в краткосрочном,так и в долгосрочном управлении тактического или стратегического характера вавтоматизированном режиме.
4. Интегрированная,программируемая система принятия решения (Programmed Decision System)предназначена для автоматического, в соответствии с программно реализованными всистеме, структурированными и формализованными критериями оценки, отбора(выбора) решений; используются как в краткосрочном, так и в долгосрочномуправлении тактического (стратегического) характера.
5. Экспертныесистемы (Expert System) — информационные консультирующие и (или) принимающиерешения системы, которые основаны на структурированных, часто плохоформализуемых процедурах, использующих опыт и интуицию, т.е. поддерживающие имоделирующие работу экспертов, интеллектуальные особенности; системыиспользуются как в долгосрочном, так и в краткосрочном оперативномпрогнозировании, управлении.
6. Интеллектуальныесистемы, или системы, основанные на знаниях (Knowledge Based System) — поддерживают задачи принятия решения в сложных системах, где необходимоиспользование знаний в достаточно широком диапазоне, особенно в плохоформализуемых и плохо структурируемых системах, нечетких системах и принечетких критериях принятия решения; эти системы наиболее эффективны иприменяемы для сведения проблем долгосрочного, стратегического управления кпроблемам тактического и краткосрочного характера, повышения управляемости,особенно в условиях многокритериальности. В отличие от экспертных систем, всистемах, основанных на знаниях, следует по возможности избегать экспертных иэвристических процедур и прибегать к процедурам минимизации риска. Здесь болеесущественно влияние профессионализма персонала, ибо при разработке таких системнеобходимо сотрудничество и взаимопонимание не только разработчиков, но ипользователей, менеджеров, а сам процесс разработки, как правило, происходититерационно, итерационными улучшениями, постепенным переходом от процедурныхзнаний (как делать) — к непроцедурным (что делать).
Фундаментальная ошибка снеустранимыми последствиями в информационных системах — принятие неправильныхстратегических решений и критериев оценки решений.
При построении (выборе, адаптации) информационной системыможно использовать две основные концепции, два основных подхода (третьяконцепция — их комбинация):
· ориентация напроблемы, которые необходимо решать с помощью этой информационной системы, т.е.проблемно-ориентированный подход (или индуктивный подход);
· ориентация натехнологию, которая доступна (актуализируема) в данной системе, среде, т.е.технологически-ориентированный подход (или дедуктивный подход).
Выбор концепции зависит отстратегических (тактических) и(или) долгосрочных (краткосрочных) критериев,проблем, ресурсов.
Если вначале изучаются возможностиимеющейся технологии, а после определяются актуальные проблемы, которые можнорешить с их помощью, то необходимо опираться на технологически-ориентированныйподход.
Если же вначале определяютсяактуальные проблемы, а затем внедряется технология, достаточная для решенияэтих проблем, то необходимо опираться на проблемно-ориентированный подход.
Ошибки в выборе подхода (проблем,технологии) могут привести не только к ошибочным стратегиям и (или) тактике, нои к полному краху системы.
При этом обе концепции построения информационной системызависят друг от друга: внедрение новых технологий изменяет решаемые проблемы, аизменение решаемых проблем — приводит к необходимости внедрения новыхтехнологий; и то, и другое влияет на принимаемые решения.
Дороговизна, важность, актуальностьинформации определяют цели и важность (приоритеты) в управлении информационными системами(в информационных системах).
Системное проектирование(разработка) и использование информационнойсистемы должно пройти следующий жизненный цикл информационной системы:
1. предпроектныйанализ (опыт создания других аналогичных систем, прототипов, отличия иособенности разрабатываемой системы и др.), анализ внешних проявлений системы;
2. внутрисистемныйанализ, внутренний анализ (анализ подсистем системы);
3. системное(морфологическое) описание (представление) системы (описание системной цели,системных отношений и связей с окружающей средой, другими системами и системныхресурсов — материальных, энергетических, информационных, организационных,людских, пространственных и временных);
4. определениекритериев адекватности, эффективности и устойчивости (надежности);
5. функциональноеописание подсистем системы (описание моделей, алгоритмов функционированияподсистем);
6. макетирование(макетное описание) системы, оценка взаимодействия подсистем системы(разработка макета — реализации подсистем с упрощенными функциональнымиописаниями, процедурами, и апробация взаимодействия этих макетов с цельюудовлетворения системной цели), при этом возможно использование«макетов» критериев адекватности, устойчивости, эффективности;
7. «сборка»и тестирование системы — реализация полноценных функциональных подсистем икритериев, оценка модели по сформулированным критериям;
8. функционированиесистемы;
9. определение целейдальнейшего развития системы и ее приложений;
10. сопровождениесистемы — уточнение, модификация, расширение возможностей системы в режиме еефункционирования (с целью ее эволюционирования).
Индустрия информационных систем опирается наследующие процессы:
1. повышениемультимедийности, гипермедийности;
2. повышениедружественности к пользователю;
3. интеграция;
4. повышениеоткрытости;
5. распределенность;
6. объектно-ориентированныйподход;
7. метабазированиеданных и информационныхсистем;
8. мультиагентноерассмотрение и др.
В последнее время рассматриваются(проектируются, разрабатываются и используются) так называемые корпоративные информационные системы,т.е. информационныесистемы в масштабе корпорации, организации.
Примеры. Информационная система пенсионныхвыплат населению, информационнаясистема здравоохранения региона, информационная система биржевойдеятельности.
Для разработки корпоративной информационной системынеобходимо осуществить следующие мероприятия:
1. информационноеобследование корпорации с целью выяснения ее основных целей функционирования,элементов, структуры, направлений, приоритетов и задач деятельности,информационных потоков и технологий, эволюционных возможностей корпорации,критериев оценки эффективности системы (результат этого этапа — проект информационной системы);
2. выбрать одну издвух основных концепций разработки информационной системы — проблемно-ориентированную илитехнологически-ориентированную (результат этого этапа — архитектура информационной системы,например, архитектура «клиент-сервер» с удаленным сервером базданных, а также инструментальное и другое обеспечение системы, например, ОСUNIX, ORACLE);
определить ключевые элементы,подсистемы, в частности, подсистему управления корпоративной базой данных,подсистему автоматизации делопроизводства, подсистему согласования, принятия иконтроля решений, подсистему тренинга (результат этапа — структура системы иподсистем, например, с использованием Lotus Notes, Action Workflow, EDMS — Electronic Document Management Systems, CBR Express).
Аксиомы управленияинформационными системами
информационная система управление
Аксиома 1. Количество информации в любой подсистеме иерархическойсистемы определяется (как правило, мультипликативно) количеством сигналов,исходящих от подсистемы нулевого уровня (исходной вершины) и достигающих даннойподсистемы (или входящих в данную подсистему), и энтропией этих сигналов.
Аксиома 2. Энтропия любого элемента управляющей подсистемы припереходе в новое целевое состояние (при смене цели) определяется исходным (отнулевого уровня) информационным потоком и энтропией этого элемента.
Аксиома 3. Энтропия всей управляющей подсистемы при переходе в новоецелевое состояние определяется (как правило, аддитивно, интегрально) энтропиейвсех ее элементов.
Аксиома 4. Полный информационный поток, направленный на объектуправления за период его перехода в новое целевое состояние, равен разностиэнтропии всей управляющей подсистемы при переходе в новое целевое состояние иэнергии объекта управления, затрачиваемой объектом управления на переход вновое состояние.
Аксиома 5. Информационная работа управляющей подсистемы попреобразованию ресурсов состоит из двух частей — работы управляющей подсистемы,затраченной на компенсацию исходной энтропии, и работы, направленной науправляемый объект, т.е. на удерживание системы в устойчивом состоянии.
Аксиома 6. Полезная работа управляющей подсистемы в течение некоторогопромежутка времени должна соответствовать полному информационному потоку,воздействующему на управляемую систему (в соответствии с аксиомой 4) зарассматриваемый период времени.