Текст книги "Информационные технологии"

11.7. Информационное хранилище

Информационное хранилище – это автоматизированная система, которая собирает данные из существующих баз и внешних источников, формирует, хранит и эксплуатирует информацию как единое целое.

Автоматизированная система обеспечивает инструментарий для преобразования больших объемов детализированных данных в форму, которая удобна для стратегического планирования и реорганизации бизнеса и необходима специалисту, ответственному за принятие решений.

Для данных информационного хранилища характерны:

– предметная ориентация;

– интегрированность;

– упорядоченность во времени;

– неизменяемость и целостность.

Особенность информационных хранилищ заключается в том, что они предлагают среду накопления данных, которая не только надежна, но и оптимальна с точки зрения доступа к данным и манипулирования ими.

Использование метабазы для описания и управления данными, операции суммирования для уменьшения объема данных увеличивают скорость доступа к данным, позволяя руководителю быстро ознакомиться с ситуацией в целом или в деталях рассмотреть нужный предмет. При этом обеспечивается секретность данных, предназначенных различным уровням руководителей.

Метабаза содержит метаданные, которые описывают:

– как устроены данные;

– частоту изменения данных;

– откуда приходят существенные части данных;

– как могут быть использованы данные, кто может ими пользоваться.

В информационных хранилищах применяют статистические технологии, генерирующие «информацию об информации»; процедуры суммирования; методы обработки электронных документов, аудио– и видеоинформации, графов и географических карт.

Для хранения данных используют выделенные серверы, удовлетворяющие следующим условиям:

– малая задержка;

– высокая пропускная способность;

– надежность;

– возможность работы на больших расстояниях.

Использование информационных хранилищ дает существенный выигрыш в производительности систем принятия решений (автоматизированных ИС и ЭС), а также систем обработки большого числа транзакций (запросов) с большим объемом обновления данных.

11.8. Системы автоматизации документооборота

Как следствие развития информационных систем на их базе появились системы электронного документооборота, которые включают в себя:

– системы управления документами – обеспечивают интеграцию с приложениями, хранение документов; осуществляют поиск документов по атрибутной или полнотекстовой индексации;

– системы массового ввода документов – осуществляют ввод с клавиатуры и сканирование; чистку, подготовку к распознаванию, выравнивание изображений и распознавание, которое может быть оптическим или интеллектуальным;

– системы автоматизации деловых процессов – моделируют деятельность каждого сотрудника, работающего с электронным документооборотом.

Наиболее популярными программами обработки информации являются программы ввода и распознавания текста. Так, программа FineReader – лидер среди подобных программ – позволяет с достаточной степенью вероятности определить очко (рисунок) буквы в графическом файле и передать распознанные буквы для дальнейшей обработки в текстовый редактор с минимальными искажениями.

Среди наиболее заметных групп АИС, участвующих в автоматизации документооборота, следует выделить:

– электронный офис – интегрированный пакет программ, включающий в себя текстовый редактор, электронные таблицы, системы управления базами данных, средства коммуникации, язык программирования, графический редактор и др.;

– систему групповой работы – объединяет средства коллективной работы прикладных приложений с электронной почтой, настольными и офисными приложениями, управление электронным документооборотом, планирование, управление заданиями (моделирование деловых процессов), календарное планирование;

– корпоративные информационные системы – АСУ крупными, рассредоточенными территориально предприятиями, имеющими несколько уровней управления, построенные посредством новейших информационных технологий.

11.9. Геоинформационные системы

Геоинформационная система – это ИС, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и расположение пространственно-координатных данных. Представляет собой базу данных, организованную в виде набора слоев информации. Основной слой содержит географическую карту местности (топооснова), на него накладываются другие слои, несущие информацию об объектах, находящихся на данной территории. В процессе создания и наложения слоев друг на друга между ними устанавливаются необходимые связи, что позволяет выполнять пространственные операции с объектами посредством моделирования и интеллектуальной обработки данных.

Программное ядро геоинформационной системы содержит:

– инструментальные геоинформационные системы, обеспечивающие ввод пространственных данных, хранение информации в структурированных базах данных, реализацию сложных запросов, пространственный анализ, вывод твердых копий;

– просмотровые программы, предназначенные для просмотра введенной ранее и структурированной по правам доступа информации;

– векторизаторы картографических изображений, предназначенные для ввода пространственной информации со сканера;

– средства пространственного моделирования, осуществляющие операции с пространственной информацией, которая ориентирована на частные задачи;

– средства дистанционного зондирования, предназначенные для обработки и дешифрования цифровых изображений земной поверхности, полученных с борта самолета и искусственных спутников.

Основные сферы применения геоинформационных систем:

– геодезические, астрономо-геодезические и гравиметрические работы;

– топологические работы;

– картографирование и издание карт;

– аэросъемка;

– управление государством и его регионами.

11.10. Системы автоматизированного проектирования

Системы автоматизированного проектирования (САПР, CAD) – комплекс технических и программных средств, позволяющих создавать всю необходимую конструкторскую и технологическую документацию на отдельные изделия, здания, сооружения.

В настоящее время практически во всех направлениях дизайна используется большое количество таких систем. Все эти системы обрабатывают визуальную информацию как в плоскости, так и в пространстве.

С помощью САПР строят разнообразные графические примитивы (точки, отрезки, дуги, размерные и осевые линии, штриховки, текст), составляющие электронные чертежи и схемы, которые могут быть отредактированы или переработаны в любой момент. Примитивы на чертежах объединяют в блоки (например, в схематичные обозначения элементов интерьера или сада, резьбовых отверстий или соединений деталей, элементов схем), которые используют множество раз при создании других чертежей, комбинируют, модифицируют и применяют в других проектах.

Постоянно совершенствуются и разрабатываются новые системы автоматизированного проектирования, предназначенные для каждого конкретного вида деятельности. В последнее время все большее распространение получает подход к автоматизации конструкторской деятельности на основе создания трехмерных геометрических представлений проектируемых изделий. Сегодня можно создавать пространственные модели объектов практически неограниченной сложности. Решение геометрических и других задач для пространственной модели обеспечивает большую достоверность и позволяет перейти на качественно новый уровень проектирования. Кроме того, возможно использование пространственной модели для проектных расчетов и математического моделирования конструируемых изделий и процессов. Это также сокращает расходы на разработку объектов дизайна, значительно экономит ресурсы и повышает эффективность проектирования, особенно при конструировании промышленных объектов и дизайна, на базе параметрических управляемых унифицированных и типовых элементов конструкций, обеспечивающих их многовариантность.

В САПР входят подсистемы – специализированные части, ориентированные на решение задач определенного этапа проектирования: инженерных расчетов, конструирования, технологической подготовки производства, изготовления изделия и др. Задача конструирования – разработка конструкции объекта дизайна по предварительным расчетам, зачастую реализованная в конструкторскую документацию, – одна из важных и наиболее трудоемких в САПР. Ее решение осуществляется с помощью графической подсистемы автоматизации разработки и выполнения или в виде автономной (локальной) системы конструкторской документации (АКД) со структурой и принципами построения, аналогичными САПР. Локальные системы АКД часто используют в производственной практике на начальной стадии внедрения САПР, когда ее создание опережает разработку САПР или когда система АКД инвариантна, т. е. применима ко многим САПР.

Средства реализации систем АКД предоставляет компьютерная графика, обеспечивающая создание, хранение и обработку моделей геометрических объектов и их графических изображений с помощью компьютера.

Автоматизация процесса конструирования и подготовки производства объекта дизайна на основе создания трехмерных геометрических моделей проектируемых изделий включает прочностные и кинематические расчеты, компоновку и технологические процессы сборки изделий, изготовления деталей и пр. Как ни странно, но все это справедливо и для человека или группы людей: например, деталь «кисть руки» соединяется с деталью «предплечье» и т. д. Таким образом, модель геометрических объектов, содержащая информацию о геометрии объекта, используется как для получения двухмерной геометрической модели, так и для расчета различных характеристик объекта и технологических параметров его изготовления. Из этого следует, что геометрическое моделирование является ядром автоматизированного конструирования и технологической подготовки производства объекта дизайна.

Структура и основные принципы построения системы АКД. Система АКД выполняет ввод, хранение, обработку и вывод графической информации в виде конструкторских документов. Для реализации системы необходимы:

– документы, регламентирующие работу системы АКД;

– исходная информация для формирования информационной базы;

– информационная база, содержащая модели геометрических объектов, графических изображений, элементы оформления чертежа по ГОСТ ЕСКД;

– технические и программные средства создания моделей графических изображений и геометрических объектов и их вывода;

– интерфейс пользователя в виде графического диалога с компьютером.

Все перечисленные составляющие образуют методическое, информационное, техническое, программное и организационное обеспечение системы АКД. Эффективность применения АКД при разработке конструкторской документации (КД) обеспечивается следующими ее возможностями:

– наличием средств преобразований: поворота, переноса, симметрирования, масштабирования, построения зеркального изображения и др.;

– использованием готовых фрагментов чертежей: конструктивных и геометрических элементов, унифицированных конструкций, стандартных изделий;

– ведением диалога с компьютером в привычных для конструктора терминах и с привычными для него объектами (графическими изображениями);

– наличием языковых средств описания типовых моделей-представителей чертежей объектов, когда процесс создания конкретного чертежа изделия сводится к заданию размеров;

– получением чертежей высокого качества, оформленных по стандартам ЕСКД.

Для реализации всего вышеперечисленного системы АКД выполняют в виде систем-надстроек над базовой графической системой, которая содержит все необходимые возможности. При этом основными принципами являются:

– адаптируемость системы АКД к различным САПР, т. е. расширение возможностей ее использования;

– информационное единство всех частей АКД и САПР, которое предполагает единство базы данных для различных назначений (например, использование модели ГО и ГИ как для формирования чертежей, так и для расчетов);

– инвариантность – максимальная независимость составных частей и системы АКД в целом по отношению к ориентированным системам АКД и САПР;

– возможность расширения системы АКД путем дополнения новых составных частей и развития имеющихся.

Построение таких систем значительно упрощается, если они создаются на базе универсальной, открытой среды проектирования для реализации графических возможностей САПР. Примером такой среды является система AutoCAD – универсальная графическая система, в основу структуры которой положен принцип открытой архитектуры, позволяющий адаптировать и развивать многие функции AutoCAD применительно к конкретным задачам и требованиям.

Подходы к конструированию. Можно выделить два подхода к конструированию на основе компьютерных технологий. Оба они нашли применение в процессах компьютерного дизайна, но в основном предпочтение отдается второму.

Первый подход базируется на двухмерной геометрической модели графических изображений и использовании компьютера как электронного кульмана, позволяющего значительно ускорить процесс конструирования и улучшить качество оформления КД. Центральное место при этом подходе к конструированию занимает чертеж, который служит средством представления изделия и содержит информацию для решения графических задач, а также для изготовления изделия. При таком подходе получение графического изображения на компьютере будет рациональным и достаточно эффективным, если созданное графическое изображение используется многократно.

В основе второго подхода лежит пространственная геометрическая модель изделия, которая является более наглядным способом представления оригинала и более мощным и удобным инструментом для решения геометрических задач. Чертеж в этом случае играет вспомогательную роль, а способы его создания основаны на методах отображения пространственной модели.

При первом подходе (традиционный процесс конструирования) обмен информацией осуществляется на основе конструкторской, нормативно-справочной и технологической документации; при втором – на основе внутримашинного представления геометрических объектов общей базы данных, что способствует эффективному функционированию программного обеспечения САПР конкретного изделия.

Геометрическое моделирование и организация графических данных. Под геометрическим моделированием понимают создание моделей геометрических объектов, содержащих информацию о геометрии объекта. Под моделью геометрического объекта понимают совокупность сведений, однозначно определяющих его форму. Например, точка может быть представлена двумя (двухмерная модель) или тремя (трехмерная модель) координатами, окружность – координатами центра и радиусом и т. д.

Двухмерные модели графических изображений позволяют формировать и изменять чертежи.

Трехмерные пространственные геометрические модели служат для представления изделия в трех измерениях. Трехмерные модели в зависимости от типа задаются по-разному:

– каркасные (проволочные) – координатами вершин и соединяющими их ребрами. Эта модель проста, но позволяет представить в пространстве только ограниченный класс деталей, в которых аппроксимирующие поверхности преимущественно являются плоскостями. С помощью проволочных моделей не всегда возможно получить правильные изображения, а также автоматически анализировать процессы удаления невидимых линий и получения различных сечений;

– полигональные (поверхностные) – поверхностями (плоскостями, поверхностями вращения и др.). С помощью полигональной модели можно описать любую поверхность технического объекта. Это реализуется путем аппроксимации поверхностей многогранником. Чем больше число граней, тем меньше отклонение от действительной формы объекта. Если объект представлен полигональной моделью, то всегда можно определить область между контурными элементами этого объекта. Над полигональными моделями геометрических объектов можно выполнять логические операции объединения, вычитания, пересечения;

– объемные (твердотельные) – формируются из элементарных объектов (базисных тел) с использованием логических операций объединения, вычитания, пересечения. Объемные модели представляют объекты с обеспечением логической связности информации, в частности благодаря введению понятия о материале и его физических свойствах (плотности, теплопроводности и др.). По таким моделям можно не только построить графические изображения (виды, разрезы, сечения), необходимые для чертежа изделия, но и рассчитать такие его характеристики, как масса, объем, центр инерции, моменты инерции и др.

Объемные тела и графические изображения, образованные из более простых объектов с использованием логических операций объединения, пересечения, вычитания, называются составными геометрических объектов. Операция сборки составных геометрических объектов осуществляется с использованием их представления в виде иерархической структуры в форме дерева построения.

На первом этапе реальный объект (деталь) подвергается абстракции, в результате которой определяется информационная модель.

На втором этапе в информационной модели выделяют уровни структуризации данных и их взаимосвязи, чаще всего с учетом процессов обработки информации в задаче проектирования, т. е. осуществляется уточнение и структурирование информации с логической точки зрения. Существенным моментом в этом представлении является то, что оно должно отражать характеристики не одной детали, а целого класса деталей на различных стадиях проектирования, фиксируемых в технической документации. При формировании информационной модели предполагается использование множества конструктивных элементов для получения деталей произвольной формы, геометрических элементов (точек, контуров, поверхностей, элементарных и сложных объектов), которые обеспечивают обработку геометрической информации для всех процессов автоматизированного проектирования. Таким образом строится модель данных, которая отражает логическую структуру данных.

На третьем этапе осуществляется процесс отображения модели данных во внутримашинное представление – формирование модели доступа. Модель доступа (или размещения) ориентирована на физическое размещение данных в памяти ЭВМ, в модели хранения.

Таким образом, на четвертом этапе определяется модель хранения, которая задает отображение данных, заданных в модели доступа, на физическую память и управление ими. В AutoCAD, например, используется списковый способ хранения геометрических данных, что дает возможность пользователю хранить данные на физических носителях независимо от их логической последовательности.

Методы создания моделей геометрических объектов и графических изображений. Можно выделить два основных вида геометрических объектов:

– постоянный – с постоянными размерами и геометрической формой. Например, изображения стандартных условных графических обозначений или стандартное изделие с постоянными размерами;

– параметрически заданный – с переменными размерами и геометрической формой. Например, изделие, зависящее от типоразмера, типовые и унифицированные несущие конструкции объектов дизайна, а также конструктивные элементы типовых деталей и пр.

Постоянные геометрические объекты могут быть сформированы с использованием графического редактора, например AutoCAD.

Методы описания параметрически заданных геометрических объектов – создание моделей изделий или их методов – характеризуются большими затратами на формирование внутримашинного представления. Чтобы сократить эти затраты, при описании некоторых групп технических объектов можно пользоваться одним из двух принципиально различных методов: вариантным или генерирующим.

Вариантный метод. Основан на том, что для определенного класса изделий выявляется модель-представитель, с помощью которой можно получить все геометрические формы этого класса изделий. Представителя класса изделий называют типовой (или комплексной) моделью, а полученные из нее формы – вариантами {исполнениями). Исполнение изделия определяется заданными параметрами, обнуление которых приводит к исключению составных элементов геометрических объектов. В простейшем случае изменяют только размеры, а конструкция отдельных вариантов семейства изделий остается неизменной. Такой вид конструирования называют принципиальным (т. е. с сохранением принципа конструкции). При принципиальном конструировании данные технологической документации не подготавливают каждый раз заново: они закреплены за уже имеющимися принципиальными чертежами.

Принципиальное конструирование предполагает, что выбор геометрии для проектируемого изделия уже сделан. Области применения – проектирование отдельных деталей (например, ручек шкафа), комплексных функциональных узлов (например, узлов крепежа шкафа), готовых изделий (например, шкафов). Затраты на описание типовой модели велики по сравнению с затратами на получение вариантов, поэтому многие системы используют принцип вложенности моделей: один раз описанные типовые модели используются для описания других типовых моделей в качестве макрокоманд. Применительно к технологии обработки в этом случае можно говорить о типовом технологическом процессе. При необходимости обновления комплексной информации о типовом технологическом процессе или чертеже на группу изделий в систему вводят новые варианты сочетаний различных исходных параметров.

Генерирующий метод. В противоположность вариантному определяются различные сочетания конструктивных (конструкционных) и технологических элементов и выбирается наилучшее решение. Принцип работы системы, использующей генерирующий метод, основан на разделении геометрических объектов на элементы и создании новых геометрических объектов из имеющихся элементов. Различают следующие группы элементов:

– основные (функциональные) – служат для общего описания детали; с их помощью создают геометрические формы детали (наружные и внутренние поверхности) и проточки (внутренняя и наружная);

– вспомогательные (конструктивные геометрические и элементы формы) – с их помощью осуществляют более подробное описание детали, что позволяет полностью передать ее геометрическую форму;

– технологические (элементы, или характеристики) – относятся и к основным, и к вспомогательным элементам; они также влияют на простановку размеров.

САПР, работающие по генерирующему методу, обладают высокой гибкостью и пригодны для решения различных задач. Этот метод эффективен, так как опыт показывает, что большинство конструкторских разработок, называемых новыми конструкциями, создается путем ранее не использовавшегося сочетания элементов, давно известных как по принципу функционирования, так и по исполнению.