Способы представления данных в информационных системах(Представление и кодирование числовой информации)

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Вычислительная техника первоначально возникла как средство автоматизации вычислений. Следующим типом обрабатываемой информации был текст. Сначала тексты просто объясняли труднодоступные столбцы чисел, но затем машины начали преобразовывать текстовую информацию все более и более значительными способами [7].

Естественно, оформление текстов достаточно быстро вызывает у людей желание дополнить их графиками и рисунками. Предпринимались попытки частично решить эти проблемы в рамках символического подхода: вводились специальные символы для рисования таблиц и диаграмм (их называли псевдографическими). Но практические потребности людей в графике сделали ее появление среди видов компьютерной информации неизбежным. Цифры, тексты и графика составляли относительно замкнутый набор, достаточный для решения многих компьютерных задач [9]. Наконец, относительно недавно постоянное увеличение скорости компьютерной техники создало широкие технические возможности для обработки аудиоинформации, а также для быстрого изменения изображений (видео) - компьютер стал мультимедийным [11]. Все это привело к разработке способов представления и кодирования различных видов информации в компьютере. Представление информации происходит в различных формах в процессе восприятия окружающей среды живыми организмами и человеком, в процессах обмена информацией между человеком и человеком, человеком и компьютером, компьютером и компьютером и так далее. Преобразование информации из одной формы представления (знаковой системы) в другую называется кодированием. Много информации, которую человек получает, надо как - то запомнить или сохранить. На помощь приходит персональный компьютер. Никто не задумывается о том, как информация размещается на небольших и удобных флеш - картах, и, конечно же, на жестком диске компьютера.

Концептуальные вопросы, касающиеся информации и информационных технологий, рассматривались такими зарубежными учеными как Хонекамп Д., Вилькен П. Буч Г., Чаудхури С., Дайал У., Ганти В. и другими. В нашей стране данная проблематика получила свое развитие в трудах таких ученых как П.А. Гудков, А.А. Сахаров, А.С. Рыков, Пархоменко А. В., Кузовенкова Н. А., Шинкарук О. В. и других. Многочисленные исследования упомянутых авторов, безусловно, существенно упрощают поиск решений проблем в сфере представления данных в информационных системах, и доказывают значимость решения проблемных вопросов, которые свойственны современной прикладной информатике.

Объектом изучения, представленным в теоретической части являются данные в компьютере. Предметом исследования является информация и данные

Цель курсовой работы - рассмотреть представление и кодирование информации в компьютере.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть представление и кодирование числовой информации;
• рассмотреть представление и кодирование текстовой информации;
• рассмотреть представление цветной и графической информации;
• рассмотреть представление и кодирование звуковой информации;
• изучить информационную модель и ее описание;
• изучить используемые классификаторы и системы кодирования;
• изучить уровни проблем передачи информации;
• изучить меры и качество информации;
• рассмотреть представление информации в информационных системах;
• решить задачу представления информации;
• составить компьютерную модель решения задачи.

Работа состоит из двух глав, введения, заключения и списка использованных источников.

1 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

1.1 Представление и кодирование числовой информации

Представление чисел в памяти компьютера имеет специфическую осо­бенность, связанную с тем, что в памяти компьютера числа должны рас­полагаться в байтах - минимальных по размеру адресуемых ячейках па­мяти. Адресом числа считают адрес первого байта. В байте может содер­жаться произвольный код из восьми двоичных разрядов [4].

Целые числа представляются в памяти компьютера с фиксирован­ной запятой. В этом случае каждому разряду ячейки памяти компьютера соответствует один и тот же разряд числа, запятая находится справа после младшего разряда (то есть вне разрядной сетки). Для кодирования целых чисел от 0 до 255 достаточно иметь 8 разрядов двоичного кода (8 бит) [6].

Таблица 1

Системы счисления

Система счисления	Основание	Алфавит цифр
Десятичная	10	0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Двоичная	2	0, 1

Источник: Вирт Никлаус Алгоритмы и структуры данных (+ CD - ROM) / Никлаус Вирт. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 272 c

Если для представления целого числа в памяти компьютера отведено N бит, то количество различных значений будет равно 2^N. Максимальное значение целого неотрицательного числа достигается в случае, когда во всех ячейках стоят единицы [12]. Если под представление целого положительного числа отведено N бит, то максимальное значение будет равно 2^N - 1. Прямой код целого числа может быть получен следующим образом: число переводится в двоичную систему счисления, а затем его двоичную запись слева дополняют необходимым количеством незначащих нулей, соответствующим количеству незаполненных разрядов, отведённых для хранения числа.

Для представления целых чисел со знаком старший (левый) разряд отводится под знак числа. Если число положительное, то в знаковый раз­ряд записывается 0, если число отрицательное, то – 1 [9]. Максимальное значение целого числа со знаком достигается в случае, когда в старшем разряде стоит 0, а во всех остальных ячейках стоят еди­ницы. Если под представление целого числа со знаком отведено N бит, то максимальное значение будет равно 2^{N - 1} - 1. Поскольку количество возможных значений в N битах равно 2^N - 1, то в случае представления целых чисел со знаком количество отрицательных значений на единицу больше количества положительных значений.

Такая ситуация связана с тем, что для представления нуля во всех ячейках стоят нули. Если же в знаковом разряде стоит единица, а во всех остальных разрядах нули, то это представление соответствует отрицательному (как правило, наимень­шему) числу [11].

Другой способ представления целых чисел - дополнительный код. Дополнительный код целого отрицательного числа может быть полу­чен по следующему алгоритму: записываем прямой код модуля числа; инвертируем его (заменяем единицы нулями, нули единицами); прибавляем к инверсному коду единицу. При получении числа по его дополнительному коду необходимо определить его знак. Если число окажется положительным, то переводим его код в десятичную систему счисления. В случае отрицательного числа необходимо выполнить следующий ал­горитм: вычитаем из кода числа 1; инвертируем код; переводим в десятичную систему счисления; полученное число записываем со знаком минус [7].

Таким образом, для кодирования целых чисел от 0 до 65 535 требуется шестнадцать бит. Двадцать четыре бита позволяют закодировать более 16,5 миллионов разных значе­ний.

1.2 Представление и кодирование текстовой информации

В настоящее время основная доля персональных компьютеров занята обработкой именно текстовой информации.

Для кодирования одного символа используется количество информации, равное одному байту, т.е. I = 1 байт = 8 бит [5]. Если рассматривать символы как возможное событие, то можно вычислить, какое количество различных символов можно закодировать:

N = 2^I = 2⁸ = 256.

Такое количество символов достаточно для представления текстовой информации, включая прописные и заглавные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы и т.д. Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111 [3].

Таким образом, человек различает символы по их начертанию, а компьютер по их коду.

При вводе в компьютер текстовой информации изображение символа преобразуется в его двоичный код. Пользователь нажимает на клавиатуре клавишу с символом – и в компьютер поступает определенная последовательность из восьми электрических импульсов (двоичный код символа). Код символа хранится в оперативной памяти компьютера, где занимает одну ячейку [7].

В процессе вывода символа на экран происходит обратный процесс – преобразование кода символа в его изображение. Важно, что присваивание символу конкретного кода – это вопрос соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице. Первые 33 кода (с 0 по 32) этой таблицы соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т.д.) [7]. Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания. Коды с 128 по 255 являются национальными, т.е. в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы. Существуют пять однобайтовых кодовых таблиц для русских букв (Windows, MS - DOS, КОИ - 8, Mac, ISO), поэтому тексты, созданные в одной кодировке, не будут правильно отображаться в другой [9]. Существует соглашение, которое фиксируется в кодовой таблице (ASCII - American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией) [11]. В настоящее время широкое распространение получил новый международный стандарт Unicode, который отводит на каждый символ не один байт, а два, и поэтому с его помощью можно закодировать не 256 символов, а N = 2¹⁶ = 65 536 различных символов [9].

Таким образом, 65535 символов должно быть остаточно, чтобы закодировать и русский и латинский алфавиты, цифры, знаки и математические символы, а также греческий, арабский и другие алфавиты.

1.3 Представление цветной и графической информации

Последовательностями нулей и единиц можно закодиро­вать и графическую информацию. Различают три вида ком­пьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную. Рассмотрим наиболее часто используемую при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий растровую графику [2]. Основным элементом растрового изобра­жения является точка, или пиксель. Для кодирования любого изображения нужно разбить его на точки и цвет каждой точки закодировать. Например, черно - белую картинку можно закодировать, используя два бита: 11 - белый цвет, 10 - светло - серый, 01 - темно - серый и 00 – черный [6]. Для кодирования 256 различных цветов требуется 8 бит. Одна­ко этого недостаточно для кодирования полноцветных изображе­ний живой природы. Человеческий глаз может различать десят­ки миллионов цветовых оттенков. В современных компьютерах для кодирования цвета одной точки используется три байта. Каждый цвет представляет собой комбинацию трех основ­ных цветов: красного, зеленого и синего. Первый байт опреде­ляет интенсивность красной составляющей, второй - зеленой, третий - синей. Белый цвет кодируется полными и тремя байтами (255,255,255, или - в двоичной системе - 111111111, 11111111, 11111111) [15]. Черный цвет - отсутствие всех цветов (0, 0, 0). Красный цвет может быть темным (120,0,0) или ярко - красным (255,0,0) [10]. Та­кая система кодирования цветной графической информации называется системой RGB (Red, Green, Blue) и обеспечивает однозначное определение 16,5 млн. (2²⁴) различных цветов и от­тенков [4].

Расчет объема графической информации сводится к вычис­лению произведения количества точек на изображении на ко­личество разрядов, необходимых для кодирования цвета одной точки. Например, для цветной картинки, составленной из 256 цве­тов в графическом режиме монитора 640 × 480, требуется объем видеопамяти, равный 8 × 640 × 480 = 2 457 600 бит = 307 200 байт = 300 Кбайт [22].

Таким образом, качество графического изображения зависит от количества точек (пикселей) на единице площади. Этот параметр называ­ется разрешением и измеряется в точках на дюйм - dpi.

1.4 Представление и кодирование звуковой информации

Звук представляет собой рас­пространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно меняющейся ин­тенсивностью и частотой. Человек воспринимает зву­ковые волны (колебания воз­духа) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсив­ность звуковой волны, тем громче звук, чем больше часто­та волны, тем выше тон звука (рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость гром­кости и высоты тона звука от интенсивности и частоты звуковой волны [17]

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колеба­ний в секунду (высокий звук). Человек может воспринимать звук в огромном диапа­зоне интенсивностей, в котором максимальная интен­сивность больше минимальной в 10¹⁴ раз (в сто тысяч миллиардов раз) [18]. Для измерения громкости звука применяется специальная единица «децибел» (дбл) (таблица 2). Уменьшение или увеличение громкости звука на 10 дбл соответствует уменьшению или увели­чению интенсивности звука в 10 раз [18].

Таблица 2

Громкость звука

Звук	Громкость в дбл
Нижний предел чувствительности человеческого уха	0
Шорох листьев	10
Разговор	60
Гудок автомобиля	90
Реактивный двигатель	120
Болевой порог	140

Источник: Половко А. М. Интерполяция. Методы и компьютерные технологии их реализации / А.М. Половко, П.Н. Бутусов. - М.: БХВ - Петербург, 2019. - 320 c.

Для того чтобы ком­пьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сиг­нал должен быть преобразован в цифровую дискретную фор­му с помощью временной дискретизации. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие вре­менные участки, для каждого такого участка устанавливает­ся определенная величина интенсивности звука [18].

Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени А(t) заменяется на дискретную последова­тельность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек» (рисунок 2).

Для записи аналогового звука и его преобразования в цифровую форму используется микро­фон, подключенный к звуковой плате. Качество полученно­го цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискрети­зации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее «лесенка» цифрового звукового сигнала повторяет кривую аналогового сигнала [17]. Частота дискретизации звука - это количество измерений громкости звука за одну секунду. Частота дискретизации звука может лежать в диапазо­не от 8000 до 48000 измерений громкости звука за одну се­кунду.

Рисунок 2. Временная дискретизация звука [19]

Каждой «ступеньке» присваивается определенное значение уровня громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний N, для кодирования которых необходимо определенное количество информации I, которое называется глубиной кодирования звука. Глубина кодирования звука - это количество ин­формации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука [21]. Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле 1. Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно:

N = 2^I = 2¹⁶ = 65 536.

В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16 - битовый двоичный код, наи­меньшему уровню звука будет соответствовать код 0000000000000000, а наибольшему – 1111111111111111 [17].

Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным бу­дет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефон­ной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим «моно»). Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио - CD, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секун­ду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуко­вых дорожек (режим «стерео») [18].

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла. Можно оценить информационный объем цифрового стерео ­звукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24 000 измерений в секун­ду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду и умножить на 2 (сте­реозвук): 16 бит × 24 000 × 2 = 768 000 бит = 96 000 байт = 93,75 Кбайт [18]. Звуковые редакторы позволяют не только записывать и воспроизводить звук, но и редактиро­вать его. Оцифрованный звук представляется в звуковых ре­дакторах в наглядной форме, поэтому операции копирова­ния, перемещения и удаления частей звуковой дорожки можно легко осуществлять с помощью мыши.

Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем звукового файла путем изменения частоты дискретизации и глубины кодирования. Оцифро­ванный звук можно сохранять без сжатия в звуковых фай­лах в универсальном формате WAV или в формате со сжа­тием МРЗ [5].

Таким образом, при сохранении звука в форматах со сжатием отбра­сываются «избыточные» для человеческого восприя­тия звуковые частоты с малой интенсивностью, сов­падающие по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Применение такого фор­мата позволяет сжимать звуковые файлы в десятки раз, однако приводит к необратимой потере инфор­мации (файлы не могут быть восстановлены в перво­начальном виде).

2 ВИДЫ И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

2.1 Информационная модель и ее описание

По определению, которое приводит Смирнова Г.Н.: «Проектирование - это процесс преобразования входной информации об объекте проектирования в проект информационной системы, то есть процесс проектирование сводится к последовательной формализации проектных решений на различных стадиях жизненного цикла информационной системы» [16].

Проект - это «проектно-конструкторская и технологическая документация, в которой представлено описание проектных решений по созданию и эксплуатации информационной системы в конкретной программно-технической среде» [16].

Объектами проектирования являются отдельные элементы или их комплексы функциональных и обеспечивающих частей. Функциональными элементами выступают задачи, комплексы задач и функции управления.

Субъект проектирования - это коллектив специалистов, осуществляющих проектную деятельность, из организации, ведущей разработку и организации заказчика.

К этапам проектирования информационной системы относится планирование и анализ требований, которая включает исследование и анализ существующей информационной систем, определение требований к создаваемой информационной системы, оформление технико-экономического обоснования, оформление технического задания на разработку информационной системы.

Следующая стадия - это проектирование (техническое проектирование или логическое проектирование), которое включает разработку в соответствии со сформулированными требованиями функциональной и системной архитектуры, оформление технического проекта [7].

Последовательность и содержание этих этапов предписываются ГОСТ 34.601 - 90. «Автоматизированные системы. Стадии создания», следующим образом (рисунок 3).

Рисунок 3. Этапы проектирования информационных систем [23]

Реализованная система передается заказчику для внедрения и опытной эксплуатации.

Внедрение включает запуск системы у заказчика, комплексную отладку подсистем информационной системы, обучение персонала, поэтапное внедрение в эксплуатацию и оформление акта о приемо-сдаточных испытаниях информационной системы [11].

На этапе эксплуатации роль разработчиков системы сводится к выполнению гарантийных обязательств и послегарантийных работ. Комплекс таких работ иногда называют сопровождением информационной системы.

Эксплуатация включает сопровождение и модернизацию, а также сбор информации о функционировании информационной системы, исправление ошибок и недоработок и оформление требований к модернизации [12].

Таким образом к подходам к проектированию информационной системы относятся функционально - модульный или структурный подход в основу которого принцип функциональной декомпозиции, в котором система описывается в терминах иерархии ее функций и передачи информации между отдельными функциональными элементами, а также объектно-ориентированный подход который использует объектную декомпозицию. Система описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы в терминах обмена между ними.

2.2 Используемые классификаторы и системы кодирования

В рамках информационного обеспечения информационной системы ресторана задач важное место отводится классификаторам информации.

Необходимо обеспечить сжатие призрачной части индикаторов, а, следовательно, уменьшить объем хранимой в компьютере информации и время поиска информации, необходимой для решения задач, облегчить обработку информации позволяют классификация и кодирование информации [4].

Кодирование - это «процесс присвоения кодовых обозначений объектов. Основной целью кодирования является однозначная идентификация объектов, а также обеспечение необходимой достоверности кодируемой информации».

При проектировании кодов, предъявляется ряд требований [6]:

• охват всех кодируемых объектов и их однозначное обозначение;
• возможность расширения объектов кодирования без изменения правил их обозначения;
• максимальная информативность кода при минимальной его значимости.

Выбор системы кодирования в основном зависит от количества классификационных признаков и разработанной системы классификации. Система классификации – «совокупность правил распределения объектов множества на подмножества» [10].

Классификация представляет собой «процесс распределения объектов заданного множества на подмножества».

Классификация является результатом упорядоченного распределения объектов в заданном множестве.

Существуют иерархические и многомерные системы классификации.

«Иерархическая система классификации предполагает разделение исходного множества на подмножества, между которыми устанавливаются отношения подчинения (иерархии) [14].

В зависимости от количества классификационных признаков может быть несколько уровней классификации.

Уровень классификации - это совокупность классификационных группировок, расположенных на тех же уровнях классификации» [6].

В многоаспектных системах классификации в качестве классификационных признаков параллельно используется несколько независимых признаков, то есть, исходное множество рассматривается одновременно в разных аспектах.

Системы кодирования подразделяются на регистрационные и классификационные.

Система регистрационного кодирования используется для идентификации объектов, не требующих предварительной классификации и не зависящих от существа решаемых задач [20].

Различают последовательную и пакетно-последовательную системы кодирования.

Порядковая система кодирования состоит в последовательном порядке регистрации объектов. Отсутствуют признаки классификации, которые впоследствии не позволят получить промежуточные результаты.

Таким образом, система кодирования последовательного порядка используется для кодирования одноразрядных элементов, находящихся в определенной подчиненности. Старшему признаку присваивается серия номеров с учетом возможного расширения положения объекта, а младшему присваиваются серийные номера в пределах выбранной серии.

2.3 Уровни проблем передачи информации

При реализации информационных процессов информация всегда передается в пространстве и времени от источника информации к приемнику (приемнику). В то же время различные знаки или символы, такие как естественный или искусственный (формальный) язык, используются для передачи информации, позволяя ей быть выраженной в той или иной форме, называемой сообщением [4].

Сообщение - форма представления информации в виде набора символов (символов), используемых для передачи.

Сообщение как совокупность знаков с точки зрения семиотики (от греч. semeion - знак, знак) - наука, занимающаяся изучением свойств знаков и знаковых систем - может изучаться на трех уровнях [8]:

1) синтаксический, где рассматриваются внутренние свойства сообщений, т. е. отношения между знаками, отражающие структуру данной знаковой системы. Внешние свойства изучаются на семантическом и прагматическом уровнях;

2) семантический, анализирующий отношения между знаками и обозначаемыми ими объектами, действиями, качествами, т. е. смысловое содержание сообщения, его отношение к источнику информации;

3) прагматический, где рассматривается отношение между сообщением и получателем, т. е. потребительское содержание сообщения, его отношение к получателю.

Проблемы синтаксического уровня касаются создания теоретических основ построения информационных систем, основные показатели функционирования которых были бы близки к предельно возможным, а также совершенствования существующих систем с целью повышения эффективности их использования [11]. Это чисто технические проблемы совершенствования методов передачи сообщений и их материальных носителей - сигналов.

На этом уровне рассматривается задача доставки получателю сообщения в виде набора символов с учетом типа носителя и представления информации, скорости передачи и обработки, размера кодов для сообщения, надежности и точности этих кодов преобразования и т.д. полностью абстрагируются от смыслового содержания сообщений и их целевого назначения [9]. На этом уровне информация, рассматриваемая только с синтаксических позиций, обычно называется данными, поскольку семантическая сторона не имеет значения.

Современная теория информации исследует в основном проблемы этого уровня. В его основе лежит понятие «объем информации», представляющее собой меру частоты использования знаков, которая не отражает смысла или важности передаваемых сообщений [1]. В связи с этим иногда говорят, что современная теория информации находится на синтаксическом уровне. Проблемы семантического уровня связаны с формализацией и учетом смысла передаваемой информации, определением степени соответствия образа объекта и самого объекта. На этом уровне анализируется отраженная информация, рассматриваются смысловые связи, формируются понятия и представления, раскрывается смысл и содержание информации, осуществляется ее обобщение [6]. Задачи этого уровня чрезвычайно сложны, так как семантическое содержание информации в большей степени зависит от адресата, чем от семантики сообщения, представленного на любом языке [6].

На прагматическом уровне нас интересуют последствия получения и использования этой информации потребителем. Проблемы этого уровня связаны с определением ценности и полезности использования информации при разработке потребителем решения для достижения цели. Основная сложность здесь заключается в том, что ценность, полезность информации может быть совершенно разной для разных получателей и, кроме того, она зависит от ряда факторов, таких как своевременность ее доставки и использования [7].

Высокие требования к скорости доставки информации часто диктуются тем, что управляющие воздействия должны осуществляться в режиме реального времени, т. е. со скоростью изменения состояния контролируемых объектов или процессов. Задержки в доставке или использовании информации могут привести к катастрофическим последствиям.

Таким образом, учитывая определенную взаимосвязь проблем передачи информации с уровнями изучения знаковых систем, их можно разделить на три уровня: синтаксический, семантический и прагматический.

2.4 Меры и качество информации

Для каждого из вышеперечисленных уровней проблем передачи информации существуют различные подходы к измерению объема информации и их меры информативности. Существуют соответственно показатели информационного синтаксического уровня, семантического уровня и прагматического уровня [13].

Эффективность применения и качество функционирования: спутниковые системы во многом определяются качеством информации, на основе которой принимаются управленческие решения.

Качество информации - это совокупность информационных свойств, характеризующих степень ее соответствия потребностям (целям, ценностям) пользователей (средств автоматизации, персонала и др.) [13]. Различают внутреннее качество - содержание (присущее самой информации и сохраняемое при ее передаче в другую систему) и внешнее - безопасность (присущее информации, находящейся или используемой только в определенной системе) [16].

Содержание информации - совокупность сведений о конкретном объекте (системе) или процессе, содержащихся в сообщениях и воспринимаемых получателем.

Содержание отражает семантическую емкость информации в информационных массивах (им) (массивы данных, программные массивы, сообщения, факты). Содержательная информация используется, как правило, для разработки и принятия управляющего воздействия [11]. Содержание информации определяется такими свойствами, как значимость и кумулятивность.

Важность информации - это свойство информации сохранять ценность для потребителя с течением времени, т. е. не подвергаться моральному старению [22].

Полнота информации - это свойство содержательной информации, характеризующееся мерой ее достаточности для решения определенных задач. Полнота (достаточность) информации означает, что она обеспечивает правильное (оптимальное) решение.

Отсюда следует, что это свойство является относительным: полнота информации оценивается относительно четко определенной задачи или группы задач. Поэтому для того, чтобы иметь возможность определить полноту информации, необходимо для каждой значимой задачи или группы задач иметь список той информации, которая необходима для их решения. Как неполная, т. е. недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижают эффективность принимаемых пользователем решений.

Идентичность - это свойство, которое заключается в соответствии информации о содержании состоянию объекта. Нарушение идентичности связано с техническим (путем несовпадения признаков) старением информации, при котором возникает несоответствие между реальными признаками объектов и теми же признаками, отображенными в информации.

Совокупная информация - свойство содержательной информации, содержащейся в массиве небольшого объема, достаточно полно отображать действительность.

Задача обеспечения кумулятивности информации может быть решена без учета и учета опыта и квалификации конкретного потребителя информации, с использованием формально - технических и социально - психологических приемов соответственно [11]. Формальные и технические методы включают, например, агрегирование - получение сводных показателей различных уровней обобщения или выделение отдельных показателей из массивов исходных данных. Эти и другие формальные приемы направлены на построение моделей типа «много в одном», когда реальность отображается с небольшим количеством символов [7]. Такие модели называются гомоморфными, и соответствующим свойством является информационный гомоморфизм. Это формальная и техническая составляющая совокупной информации.

Информационный гомоморфизм - это свойство содержательной информации, связанное с достаточно полным отображением действительности, представленной крупнообъемными информационными массивами, использующими небольшое количество информационных единиц (символов) на основе соответствующих агрегационных моделей [20].

Информационное обеспечение конкретного потребителя может осуществляться с учетом его опыта, квалификации и других свойств, а также с учетом решаемых им задач.

Информация, специально подобранная для конкретного потребителя, обладает определенным свойством - избирательностью. Это социально - психологическая составляющая свойства кумулятивности.

Избирательность информации - это свойство содержательной информации, заключающееся в достаточно полном отображении действительности, представленной информационными массивами, использующими небольшое количество информационных единиц (символов) с учетом квалификации, опыта и других качеств конкретного потребителя [7].

Безопасность отражает внешнее качество информации, определяемое совокупностью свойств информации, обеспечиваемой системой контроля и защиты информации в конкретной информационной системе. Основными из них являются свойства, заключающиеся в возможности предотвращения случайного или целенаправленного искажения или уничтожения, раскрытия или модификации информационных массивов, соответственно надежности, конфиденциальности и сохранности информации [9].

Достоверность информации - это свойство информации, характеризующееся степенью соответствия (в пределах заданной точности) реальных информационных единиц (символов, знаков, записей, сообщений, информационных массивов и др.) к их истинному значению и определяется возможностью обеспечения отсутствия ошибок обработки информации, искажений информационных обязательств, их смыслового значения, замены символов вследствие несовершенства организации (структуры) процесса обработки, несовершенства алгоритмов, ненадежной работы аппаратных и программных средств, ошибок пользователей и др [12]. Требуемый уровень достоверности информации достигается внедрением методов контроля и защиты информации на всех уровнях. Критериями оптимальности в этом случае, как правило, являются:

• минимизация вероятности искажения одного массива информации;
• максимизация надежности обработки информации в зависимости от вероятности ошибки;
• минимизация времени обработки и материальных затрат при ограничении надежности;
• минимизация общего среднего времени на их обработку, контроль и исправление;
• минимизация суммарных потерь с учетом затрат на разработку и эксплуатацию структур управления, исправление ошибок и потерь в информационной системе (ИС) при использовании недостоверной информации и др.

Конфиденциальность информации - это свойство информации, позволяющее сохранять присвоенный ей статус. Конфиденциальность информации характеризуется такими показателями, как доступность, секретность и имитостойкость [14].

Доступность информации характеризуется степенью дифференциации действий объектов информационной системы (операторов, задач, устройств, программ, подсистем и др.) и заключается в возможности их использования по требованию объектов системы, обладающих соответствующими полномочиями (мандатами).

Информационная секретность характеризуется степенью маскировки информации и отражает ее способность противостоять раскрытию смысла им (смысловая секретность на основе обратимых преобразований информации), определению структуры хранящегося им или передаваемого им носителя (несущего сигнала) (структурная секретность на основе необратимых преобразований, использование специального оборудования, различных форм, маскировка закрытой информации в открытых формах (стенография) и др.) [21].

Имитостойкость информации определяется степенью ее защищенности от внедрения имитирующих уполномоченных (зарегистрированных) массивов, а также является возможностью предотвращения навязывания дезинформации и нарушения нормального функционирования информационной системы [21].

Необходимый уровень конфиденциальности достигается за счет дополнительных преобразований (семантических, криптографических и др.) информации, контроля полномочий программно-аппаратных средств, ресурсов ИС и лиц (операторов, персонала, пользователей и др.) взаимодействие с средствами автоматизации и контроля доступа к ним.

Сохранность информации - свойство информации, характеризующееся степенью готовности отдельных ее элементов к целевому снижению и определяемое способностью обеспечивать постоянное наличие и своевременное их обеспечение, необходимое для автоматизированного решения целевых и функциональных задач системы, т. е. не допускать их разрушения из - за несовершенства носителей, механических повреждений, неправильного функционирования, износа и старения технических средств, ошибок прохождения и несанкционированных регулировок, недостатков в работе ЭВМ и др. Основными показателями безопасности являются целостность и доступность информации [17].

Целостность информации характеризуется степенью достоверности (аутентичности) им в информационной базе и исходных данных (сообщений) и определяется способностью обеспечить ее насколько это возможно, физическим присутствием информации.

Готовность к информационному взаимодействию характеризуется степенью роботоподобности их в выполнении целевых и функциональных задач схемы и определяется способностью ЦПД обеспечивать своевременное предоставление им необходимой информации.

Таким образом, необходимый уровень сохранности достигается введением специальной организации хранения и подготовки, регенерации и восстановления га, использованием дополнительных ресурсов для их резервирования, что позволяет существенно снизить влияние деструктивных факторов на эффективность функционирования ИС в целом.

3 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

3.1 Представление информации в информационных системах

Все многообразие окружающей нас информации можно классифицировать по различным признакам.

Так, по признаку «область возникновения» информацию, отражающую процессы, явления неодушевленной природы, называют элементарной или механической, процессы животного и растительного мира - биологической, человеческого общества - социальной.

Информацию, создаваемую и используемую человеком, по общественному назначению можно разбить на три вида: личная, массовая и специальная.

Личная информация предназначается для конкретного человека, массовая - для любого желающего ею пользоваться (общественно - политиче­ская, научно - популярная и т. д.), а специальная - для применения узким кругом лиц, занимающихся решением сложных специальных задач в области науки, техники, экономики и т. п.

Информация может быть объективной и субъективной. Объективная информация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления.

В автоматизированных информационных системах выделяют:

• структурную (преобразующую) информацию объектов системы, заключенную в структурах системы, ее элементов управления, алгоритмов и программ переработки информации;
• содержательную (специальную, главным образом осведомляющую, измерительную и управляющую, а также научно-техническую, технологическую и др.) информацию, извлекаемую из информационных массивов (сообщений, команд и т. п.) относительно индивидуальной модели предметной области получателя (человека, подсистемы).

Первая связана с качеством информационных процессов в системе, с внутренними технологическими эффектами, затратами на переработку информации. Вторая - как правило, с внешним целе­вым (материальным) эффектом.

При реализации информационных процессов передача инфор­мации (сообщения) от источника к приемнику может осуществляться с помощью какого - либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты и т. п.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн).

В зависимости от типа носителя различают следующие виды информации:

• документальную;
• акустическую (речевую);
• телекоммуникационную.

Документальная информация представляется в графическом или буквенно-цифровом виде на бумаге, а также в электронном виде на магнитных и других носителях.

Речевая информация возникает в ходе ведения разговоров, а так­же при работе систем звукоусиления и звуковоспроизведения.

Носителем речевой информации являются акустические колебания (механические колебания частиц упругой среды, распространяющиеся от источника колебаний в окружающее пространство в виде волн различной длины) в диапазоне частот от 200...300 Гц до 4...6 кГц.

Телекоммуникационная информация циркулирует в технических средствах обработки и хранения информации, а также в каналах связи при ее передаче.

Носителем информации при ее обработке техническими средствами и передаче по проводным каналам связи является электрический ток, а при передаче по радио - и оп­тическому каналам - электромагнитные волны.

Источник информации может вырабатывать непрерывное сооб­щение (сигнал), в этом случае информация называется непрерыв­ной, или дискретное - информация называется дискретной.

Например, сигналы, передаваемые по радио и телевидению, а так­же используемые в магнитной записи, имеют форму непрерывных, быстро изменяющихся во времени зависимостей.

Такие сигналы называются непрерывными, или аналоговыми, сигналами. В противо­положность этому в телеграфии и вычислительной технике сигналы имеют импульсную форму и называются дискретными сигналами.

В настоящее время во всех вычислительных машинах информация представляется с помощью электрических сигналов. При этом возможны две формы представления численного значения какой - либо переменной, например X:

• в виде одного сигнала - например, электрического напряжения, которое сравнимо с величиной X. Например, при X = 2003 единицам на вход вычислительного устройства можно подать напряжение 2,003 В (масштаб представления 0,001 В/ед.) или 10,015 В (масштаб представления 0,005 В/ед.);
• в виде нескольких сигналов - нескольких импульсов напря­жений, которые сравнимы с числом единиц в X, числом десятков в X, числом сотен. (например, при X, равном 1995 единицам, на вход вычислительного устройства можно подать четыре импульса напряжением 1 В, 9 В и 5 В).

Первая форма представления информации (с помощью сходной величины - аналога) называется аналоговой, или непрерывной.

Величины, представленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в определенном диапазоне. Количество значений, которые может принимать такая величина, бесконечно велико.

Таким образом, непрерывная и дискретная формы представления информации имеют особое значение при рассмотрении вопросов создания, хранения, передачи и обработки информации с помощью средств вычислительной техники.

3.2 Цель решения задачи

Целью решения задачи является автоматизация учета на предприятии предоставляемых клиентам услуг и расчет оплаты за услуги. Подобная задача требует проведения большого количества вычислений. Необходимо организовать хранение данных об оказанных услугах клиентам. Обычно существуют различные тарифы на оплату услуг, большое количество льгот. Одним словом, требуется организация базы данных. Разработка автоматизированного средства расчета стоимости предоставляемых услуг позволит сократить рабочие места, правильно и своевременно формировать ведомости начислений, квитанции на оплату клиентам.

Условие задачи. Предприятие ООО «Энергос» осуществляет деятельность, связанную с обеспечением электроэнергией физических и юридических лиц, и производит расчеты по предоставленным услугам. Данные, на основании которых производятся расчеты по оплате, представлены в таблице 3. Результаты вычислений представить в виде таблицы, содержащей данные о расходе электроэнергии и сумму к оплате (рисунок 4), и в графическом виде.

Таблица 3

Данные о показаниях электросчетчиков

	Показания электросчетчиков месяц:			декабрь 2010
Код платель-щика	ФИО плательщика	Адрес	Показания электросчетчика на начало месяца, КВт	Показания электросчетчика на конец месяца, КВт
001	Коломиец И.И.	проспект Мира, 44-1	34 578	34 278
002	Петров А.А.	проспект Мира, 44-3	23 256	23 296
003	Матвеева К.К.	проспект Мира, 44-5	34 589	34 620
004	Сорокина М.М.	проспект Мира, 44-7	98 554	98 700
005	Ивлев С.С.	проспект Мира, 44-9	45 544	45 900

Источник: Составлено автором

Таблица 4

Расчет оплаты электроэнергии

Расчет оплаты электроэнергии
Тариф за 1 КВт – 3 р.		месяц: декабрь 2010
ФИО плательщика	Код плательщика	Расход электроэнергии за месяц, КВт	К оплате, руб.
Коломиец И.И.	001
Матвеева К.К.	003
Ивлев С.С.	005
Петров А.А.	002
Сорокина М.М.	004
Итого

Источник: Составлено автором

Таблица 5

Квитанция на оплату электроэнергии

	ООО «Энергос»
				Месяц	___________ 201_ г.
				Код плательщика	001
	Квитанция на оплату электроэнергии
	ФИО плательщика
	Тариф за 1 КВт
	Показания электросчетчика на начало месяца, КВт	Показания электросчетчика на конец месяца, КВт	Расход электроэнергии за месяц, КВт		К оплате, руб.

Источник: Составлено автором

Таким образом поставлена задача организовать межтабличные связи для автоматического формирования Документа «Квитанция об оплате электроэнергии» при помощи функций ВПР или ПРОСМОТР. Сформировать и заполнить квитанцию на оплату электроэнергии (таблица 3). Построить и проанализировать графический отчет по полученным результатам

3.3 Компьютерная модель решения задачи

Информационная модель решения задачи приведена на рисунке 3.

Рисунок 4. Информационная модель исходных и результирующих данных

Источник: Составлено автором

1 – входной документ (показания электросчетчиков клиентов),

2 – справочник тарифов,

3 – ведомость расчета оплаты,

4 – квитанция на оплату,

5 – диаграмма.

Для получения ведомости оплаты за оказанные услуги необходимо рассчитать следующие показатели:

количество потребленной электроэнергии;

сумму к оплате по каждому клиенту;

сумма к оплате по всем клиентам.

Расчеты выполняются по следующим формулам:

, , , (1)

где K2_i – показания счетчика i-го клиента в конце месяца,

K1_i – показания счетчика i-го клиента в начале месяца,

T – стоимость киловатта электроэнергии,

S_i - сумма к оплате i-го клиента за потребленную электроэнергию,

S – общая сумма по клиентам за оказанные услуги.

Запускаем табличный процессор Excel. Создаем документ с именем «Энергос». Лист 1 переименовываем, название «Показания». На рабочем листе «Показания» создаем таблицу с данными о квартиросъемщиках и показаниями электросчетчиков. Заполняем таблицу данными в соответствии с таблицей 3.

Рисунок 5. Данные о показаниях электросчетчиков на листе «Показания» книги «Энергос»

Источник: Составлено автором

Лист 2 переименовываем в «Расчет оплаты». Создаем таблицу в соответствии с таблицей 4. В данной таблице будем рассчитывать сумму к оплате за предоставление электроэнергии по клиентам. Заполним графу ФИО плательщика. Заносим в ячейку А6 формулу: =ВПР(B6;Показания!A$5:B$9;2;0). Это позволит по коду плательщика, занесенному в ячейку В6 извлечь из таблицы «Показания» фамилию плательщика. Размножаем формулу в ячейки А7:А10 данной графы.

Таким образом, в данную графу будет автоматически занесены фамилии плательщиков, при вводе их кодов в графе «Код плательщика».

Заполним графу «Расход электроэнергии за месяц».

Заносим в ячейку С6 формулу:

=ВПР(B6;Показания!A$5:E$9;5;0)-ВПР(B6;Показания!A$5:E$9;4;0)

Размножаем эту формулу в ячейки С7:С10 данной графы.

Рисунок 6. Лист «Расчет оплаты» книги «Энергос»

Источник: Составлено автором

Таким образом, в данную графу будут автоматически занесены разности между показаниями счетчиков на конец и начало месяца из таблицы «Показания».

Заполним графу «К оплате».

Заносим в ячейку D6 формулу =$B$3*C6

Размножаем формулу в ячейки D7:D10 данной графы.

Таким образом, в данную графу будут автоматически занесены результаты умножения «Тарифа» на количество израсходованных КВт.

Дополняем таблицу итогами. В ячейку С12 заносим формулу =СУММ(C6:C10), а в ячейку D12 формулу =СУММ(D6:D10).

Мы получили сумму израсходованных киловатт по ведомости и сумму к оплате всех клиентов из списка. По данным таблицы «Расчет оплаты электроэнергии» строим гистограмму, позволяющую сравнить расход электроэнергии по клиентам.

Рисунок 7. Расчёт и начисления по клиентам ООО «Энергос»

Источник: Составлено автором

Лист 3 переименовываем в «Квитанция». На этом листе создаем таблицу в соответствии с таблицей 5. В ячейку С8 заносим формулу = ВПР(E4;Показания!A5:B9;2;0) для извлечения фамилии плательщика из таблицы «Показания» по коду, введенному в ячейку Е4. В ячейку В12 заносим формулу =ВПР(E4;Показания!A$5:E$9;4;0). В ячейку С12 заносим формулу =ВПР(E4;Показания!A$5:E$9;5;0). В ячейки D12 – формулу =C12-B12, в Е12 формулу =D12*C9. В результате проделанных действий в квитанцию будут занесены данные о показаниях счетчика, расходе электроэнергии и сумме к оплате, согласно текущему тарифу клиента, код которого в ячейке Е4.

Рисунок 8. Лист «Квитанция» книги «Энергос»

Источник: Составлено автором

Для тестирования правильности решения задачи заполнены входные документы и справочники, а затем рассчитаны результаты. В результате решения задачи, полученные с помощью компьютера ведомости совпадают с тестовыми. Создание ведомости расчета оплаты услуг клиентами позволяет решить поставленную задачу.

Таким образом, мы получаем средство расчета, которое по данным о количестве оказанных услуг выдает сумму по каждому клиенту в соответствии с тарифом на услуги. Созданный выходной документ «Квитанция на оплату» позволяет распечатывать счет к оплате клиенту с подробной расшифровкой количества оказанных услуг и обоснованием суммы к оплате. Диаграмма позволяет увидеть и сравнить потребление электроэнергии клиентами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С тех пор как люди научились думать и считать, не было изобретено лучшего способа представления чисел и других данных для анализа и принятия решений, чем помещать их в таблицы различного рода. Долгое время и до недавнего времени это были строки и столбцы цифр в различных листах, бланках, бланках, отчетах и других бумажных документах.

Объединение данных в такие таблицы и расчеты вручную или с помощью подручных средств, таких как счета или калькулятор, может потребовать многих часов кропотливой работы. С изобретением компьютеров появилась альтернатива: рутинные обязанности по обработке данных постепенно стали возлагать на машину.

Решение - это электронные таблицы, которые сочетают в себе преимущества обоих способов работы с данными простым и естественным способом. Пользователь (сотрудник) может разместить данные, использовать таблицы на экране монитора, а для их обработки - стандартный набор арифметических операций.

Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся остальная информация (звуки, изображения, показания приборов и др.) для обработки на компьютере должны быть преобразованы в числовую форму.

Например, чтобы преобразовать музыкальный звук в числовую форму, можно измерять интенсивность звука на определенных частотах через короткие промежутки времени, представляя результаты каждого измерения в числовой форме.

С помощью компьютерных программ можно преобразовывать полученную информацию, например, «накладывать» друг на друга звуки из разных источников.

Аналогичным образом можно обрабатывать текстовую информацию на компьютере. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком изображения букв строятся на этих числах. Соответствие между набором букв и цифр называется кодировкой символов. Информация кодируется с целью сокращения записей, классификации (шифрования) информации, упрощения обработки и хранения.

Как правило, все числа в компьютере представлены нулями и единицами (а не десятью цифрами, как это принято у людей).

Другими словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку устройства для их обработки намного проще.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ариф Наэм Интеграция SAP ERP «Учет и отчетность». Конфигурация и проектирование / Наэм Ариф , Шейх Мухаммед Таусееф, Наэм Ариф. - М.: Эксперт РП, 2016. - 440 c.
2. Бородакий Ю. В. Эволюция информационных систем / Ю.В. Бородакий, Ю.Г. Лободинский. - М.: Горячая линия - Телеком, 2019. - 368 c.
3. Буч Г. Язык UML. Руководство пользователя / Г. Буч. - М.: Книга по Требованию, 2015. - 494 c.
4. Вальковский В. А. Распараллеливание алгоритмов и программ. Структурный подход / В.А. Вальковский. - М.: Радио и связь, 2018. - 176 c.
5. Ведмидь П. А. Программирование обработки в NX CAM: моногр. / П.А. Ведмидь, А.В. Сулинов. - М.: ДМК Пресс, 2017. - 304 c.
6. Вирт Никлаус Алгоритмы и структуры данных (+ CD - ROM) / Никлаус Вирт. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 272 c.
7. Гёлль П. Компьютер в качестве программатора / П. Гёлль. - М.: Книга по Требованию, 2016. - 168 c.
8. Гласс Роберт Креативное программирование 2.0 / Роберт Гласс. - М.: Символ - плюс, 2018. - 248 c.
9. Зенков В.В. Методы и алгоритмы компьютерной обработки геологической и маркшейдерской информации. Практика обработки заводских данных / В.В. Зенков. - Москва: Огни, 2017. - 176 c.
10. Исаев Г. Н. Управление качеством информационных систем. Теоретико - методологические основания: моногр. / Г.Н. Исаев. - М.: Наука, 2016. - 280 c.
11. Карабутов Н. Н. Адаптивная идентификация систем. Информационный синтез / Н.Н. Карабутов. - Москва: Огни, 2018. - 384 c.
12. Кауфман В. Ш. Языки программирования. Концепции и принципы / В.Ш. Кауфман. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 861 c.
13. Кнут Д. Искусство программирования. Том 1. Основные алгоритмы / Д. Кнут. - М.: Диалектика / Вильямс, 2016. - 548 c.
14. Кузьмин И. В. Основы теории информации и кодирования / И.В. Кузьмин, В.А. Кедрус. - М.: Вища школа, 2019. - 280 c.
15. Курейчик В. М. Поисковая адаптация / В.М. Курейчик, Б.К. Лебедев, О.Б. Лебедев. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018. - 272 c.
16. Леви Жан - Жак Введение в теорию языков программирования / Жан - Жак Леви. - М.: ДМК Пресс, 2019. - 664 c.
17. Половко А. М. Интерполяция. Методы и компьютерные технологии их реализации / А.М. Половко, П.Н. Бутусов. - М.: БХВ - Петербург, 2019. - 320 c.
18. Программирование алгоритмов обработки данных. - М.: БХВ - Петербург, 2018. - 192 c.
19. Программирование на параллельных вычислительных системах. - М.: Мир, 2016. - 376 c.
20. Сенкевич Глеб Искусство восстановления данных / Глеб Сенкевич. - М.: БХВ - Петербург, 2016. - 304 c.
21. Спольски Джоэл Джоэл. И снова о программировании / Джоэл Спольски. - М.: Символ - плюс, 2015. - 471 c.
22. Фридл Дж. Регулярные выражения / Дж. Фридл. - М.: Символ - плюс, 2016. - 958 c.
23. Ш. - К.Чэн Принципы проектирования систем визуальной информации / Ш. - К.Чэн. - М.: Мир, 2019. - 416 c.