ЧЕЛОВЕК И ЭВМ - ПРОБЛЕМЫ ОБЩЕНИЯ

Н. П. БУСЛЕНКО, В. Н. БУСПЕНКО

Одной из знаменательных особенностей переживаемого нами этапа научно-технической революции является удивительно быстрое развитие электронно-вычислительной техники и стремительное расширение сферы практического применения ЭВМ. За последние годы вычислительная техника прошла путь от электронных мастодонтов 50-х годов (ЭВМ 1-го поколения) до современных мощных машин 3-го и 4-го поколений.

ЭВМ 1-го поколения строились на электронных лампах и были способны выполнять всего несколько тысяч арифметических операций в секунду. Они имели запоминающие устройства сравнительно небольшой емкости; размещение в памяти ЭВМ исходных данных задачи и промежуточных результатов ее решения требовало завидного трудолюбия и известных навыков. Надежность, безотказность ЭВМ и устойчивость вычислительных процессов не могли сколько-нибудь полно удовлетворить запросы практики. Для установки аппаратуры ЭВМ нужны были специальные залы площадью в сотни квадратных метров, оборудованные мощными энергетическими установками, кабельными каналами и холодильными агрегатами.

Современные ЭВМ создаются на миниатюрных полупроводниковых микросхемах (интегральных схемах) и имеют быстродействие несколько миллионов операций в секунду. Скорость работ многопроцессорных вычислительных систем может достигать 100-200 млн. операций в секунду и более. Память рассчитана на хранение огромных массивов информации, соответствующих миллионам страниц типографского текста (для сравнения: все тома Большой Советской Энциклопедии содержат около 50 тыс. страниц). Достигнуты значительные результаты в повышении надежности и устойчивости работы ЭВМ, а также в снижении потребляемой энергии и уменьшении габаритов аппаратуры.

Не менее грандиозен прогресс в практических применениях ЭВМ. Первоначально они выступали как сверхбыстродействующие арифмометры. Главное их преимущество усматривалось в возможности решения за короткие сроки задач, требующих большого числа арифметических операций. При проведении аэродинамических расчетов современных самолетов, оценке прочности сооружений, вычислении орбит искусственных спутников Земли и межпланетных кораблей за один час ЭВМ выполняла счетную работу, заменяющую многомесячный труд нескольких тысяч опытных вычислителей, работающих на электрических арифмометрах или клавишных автоматах.

И хотя скорость работы является важнейшей характеристикой ЭВМ, а увеличение быстродействия - одним из главных направлений развития вычислительной техники, со временем на передний план выступили другие ее свойства: наличие большой памяти и возможность программного управления вычислительным процессом. Для того чтобы подчеркнуть важность последнего обстоятельства, заметим, что основная трудность, которую вряд ли удалось бы преодолеть при ручном решении сложных задач, заключается в такой организации совместных действий многих вычислителей, при которой они пооперационно выполняют указания единого «дирижера», держащего в своей памяти требуемую последовательность вычислений.

Наличие программного управления позволило «научить» ЭВМ решению очень сложных задач из различных областей техники и народного хозяйства, экспериментальной и. теоретической физики, математической экономики, которые требуют отыскания оптимальных сочетаний параметров процесса, наилучших условий его реализации, обеспечивающих максимум производительности оборудования или минимум затрат сил и средств. На этой стадии были окончательно сметены психологические барьеры неверия в практическую полезность ЭВМ и предсказано появление вычислительных центров, способных обеспечить выполнение гигантского объема вычислений для нужд народного хозяйства.

Однако даже в этот период, когда ЭВМ полностью овладела формальными логическими операциями и с их помощью начала проявлять простейшие интеллектуальные способности (например, из многих вариантов решения выбирать наилучший по некоторому критерию), для практики она еще оставалась сверхмощным арифмометром, а вычислительные центры представлялись в виде высокопроизводительных счетных фабрик.

Переломным моментом в понимании значения ЭВМ для современной науки и техники и их воздействия на человеческое общество, по-видимому, нужно считать исследования по «неарифметическим» применениям ЭВМ, начатые под влиянием кибернетических концепций Н. Винера и глубоких математических идей А. А. Ляпунова, В. М. Глушкова, А. И. Китова, С. В. Яблонского и ряда других ученых. Именно неарифметическое направление выросло в самостоятельную науку - машинную математику, методы которой проникают во все области человеческой деятельности и стимулируют применение ЭВМ в промышленности и медицине, космонавтике и архитектуре, экономике и музыке, торговле и сельском хозяйстве. ЭВМ теперь предсказывают погоду и регулируют уличное движение, водят поезда метро и компостируют билеты на авиатранспорт, играют в шахматы и управляют химическими реакторами. Число «профессий» ЭВМ непрерывно расширяется.

Подобно тому как паровая машина положила начало механизации физического труда человека, ЭВМ открывают пути для вторжения средств автоматизации в сферу, которая традиционно относилась к интеллектуальной деятельности людей.

Механизация физического труда, замена мышечной энергии человека энергией пара и электричества, а затем и атомной энергией, создание двигателей (автомобильных, авиационных, корабельных, технологических, бытовых), удобных в эксплуатации, внедрение станков-автоматов, способных обрабатывать металлы со скоростью и точностью, недоступной ручному труду человека, использование скоростных средств транспорта и связи - все это коренным образом преобразовало жизнь, труд и быт человека, изменило его психологию и общественное лицо. Для того чтобы продуктивно участвовать в современном процессе производства материальных благ, успешно управлять совершенным технологическим оборудованием, человек должен иметь соответствующую научную и техническую подготовку, профессиональные знания и навыки.

Заметим, что технический прогресс, вызванный механизацией физического труда человека, затронул людей не только сугубо технических или близких к ним специальностей. Все труднее, даже среди представителей профессий, весьма далеких от техники (например, работников искусства), найти человека, который не сумел бы пользоваться или управлять такими сложными по своей конструкции порождениями технического прогресса, как радиоприемник, телевизор, холодильник, лифт, автомобиль и т. д. Этот эффект достигается не только улучшением технической подготовки населения, но и специальными мерами, обеспечивающими простоту управления телевизором, лифтом или холодильником, доступность их для людей, не имеющих специальной подготовки по электронике, электродвигателям или холодильной технике.

Проникновение ЭВМ в сферу умственного труда людей происходит постепенно, под влиянием совершенствования аппаратуры ЭВМ, расширения их арифметических и логических возможностей, разработки новых методов машинной математики. Первоначально на ЭВМ (1-го и 2-го поколений) были переложены простейшие интеллектуальные функции человека - рутинная счетная работа. В этот период процедура решения задачи на ЭВМ состояла из следующих элементов:

1) прикладная постановка задачи;

2) формализация;

3) построение математической модели;

4) точная формулировка задачи;

5) выбор (или разработка нового) метода решения;

6) построение алгоритма решения задачи;

7) программирование (перевод с языка алгоритмов на внутренний язык операций ЭВМ);

8) ввод программы и исходных данных в ЭВМ;

9) решение задачи;

10) выдача результатов решения;

11) анализ полученных результатов;

12) прикладная интерпретация результатов решения.

Работа по пунктам 1-7, а также по пунктам 11 и 12 выполнялась человеком вручную. Пункты 1 и 12 входили в обязанности пользователя, т. е. лица, которому непосредственно нужны результаты решения задачи, пункты 2-6 и 11 выполнялись специалистом по машинной математике (пункт 2 обычно совместно с пользователем), а для работ по пункту 7 привлекались программисты, знающие программирование на данной конкретной ЭВМ.

Человек, обращающийся к ЭВМ (программист), приносил с собой колоду перфокарт или перфоленту, содержащую программу решения задачи и все необходимые исходные данные. Время занятости ЭВМ решением данной задачи (машинное время) состояло из двух частей: собственно времени решения задачи (времени занятости процессора - главной части оборудования ЭВМ, обеспечивающей выполнение программы вычислений и содержащей обычно арифметическое устройство, оперативную память и устройство управления) и времени ввода и вывода информации.

Практическое применение ЭВМ не создавало полной гармонии в работе и не внушало особого оптимизма: все здесь было насыщено противоречиями и парадоксами. В самом деле, ЭВМ способна выполнять тысячи и даже миллионы операций в секунду, а процесс решения задачи, от прикладной постановки до получения результатов, продолжается несколько месяцев, а иногда затягивается и на годы. Самое неприятное обстоятельство заключалось в том, что положение невозможно было исправить повышением скорости работы ЭВМ. Доля машинного времени составляла не более чем несколько часов (редко несколько десятков часов). Основная часть затрат времени приходилась на ручную работу, связанную с подготовкой задачи для решения на вычислительной машине (пункты 2-7).

Сразу же заметим, что и машинное время распределялось нерационально. Быстродействующий электронный (и дорогостоящий) процессор более половины времени находился в состоянии простоя (иногда время производительной работы процессора составляло всего несколько процентов), пока работали медленные электромеханические устройства ввода и вывода информации.

Упомянутые обстоятельства приводили к тому, что применение ЭВМ для решения практических задач не всегда оказывалось достаточно эффективным и экономически целесообразным. Из сферы машинного решения выпадали срочные задачи, возникающие в процессе исследований или при проектировании, если для них не было заранее подготовленных программ.

Производительное использование быстродействия ЭВМ возможно было лишь для тех задач, которые требовали выполнения большого числа операций при малых затратах времени на ввод исходных данных и выдачу результатов решения. На деле сфера применения ЭВМ оказывалась заметно более узкой, чем представлялось на первый взгляд.

Нужно сказать, что в этот период в среде научных работников и инженеров, занимавшихся исследованиями в области ЭВМ и их практического применения, чувствовалась заметная неуверенность, колебания из одной крайности в другую. Время от времени вспыхивали ожесточенные дискуссии о путях и перспективах развития, об актуальности тел или других направлений в исследованиях. Возникающие проблемы оказывались нетрадиционными, решение их не вытекало естественным путем из достигнутого уровня развития математики и электроники, продвижение вперед было связано с ломкой сложившихся представлений и преодолением различного рода психологических барьеров.

Взять хотя бы численные методы в математике. Сотни лет в угоду ручному счету развивались приемы и теории, сводящие решение задач к возможно меньшему числу арифметических операций, пусть несколько более сложных, чем сложение и умножение чисел, пусть требующих применения таблиц, специальных функций (например, логарифмических, тригонометрических и т. д.). И вдруг оказалось, что ЭВМ «не любят» операций, отличающихся от сложения и умножения, они даже готовы возведение в степень заменить многократным умножением. К таблицам - полное отвращение, ЭВМ лучше «согласна» каждый раз вычислять значение синуса или тангенса с затратой большого числа операций (например, путем разложения функций в степенные ряды), чем хранить таблицы этих функций в своей памяти и обращаться к ним в процессе вычислений. И вообще, пусть число требуемых операций будет весьма большим. Современная ЭВМ выполнит миллионы их за одну секунду, если... если они будут не какие угодно, а лишь такие, которые предусмотрены системой команд ЭВМ. А как свести к последовательности этих операций всевозможные возникающие на практике задачи - не ее забота. Пусть над этим думают математики.

Правда, система команд ЭВМ содержит не только операции сложения и умножения чисел. Она располагает значительным набором логических операций (сравнение, условные переходы, реализация дизъюнкций и конъюнкций и т. д.), а также специальными «чисто машинными» операциями: выделением части числа, переносом его в другую ячейку памяти, реализацией циклов, манипуляциями над отдельными разрядами числа, операциями над массивами чисел и др. Тем не менее это не решает проблему автоматически. Математики не всегда готовы дать немедленно ответ па любой возникающий вопрос.

Аналогичное положение складывается и в области формализации и построения математических моделей. Если имеется практическая задача, в первую очередь необходимо составить уравнение, связывающее известные величины с неизвестными. Это правило усвоили все от школьника до академика. Пусть уравнение будет не очень простым, оно не обязательно должно быть алгебраическим. Никто не возражает против более сложных уравнений: трансцендентных (например, тригонометрических, показательных или логарифмических), дифференциальных, интегральных, интегродифференциальных и вообще любых функциональных! Методы решений таких уравнений хотя и сложны, но они известны математической науке. В крайнем случае всегда можно решить уравнение приближенно (например, методом последовательных приближений) с любой заданной степенью точности. Ведь электронно-вычислительные машины умеют быстро выполнять огромное число операций!

Все сказанное здесь формально справедливо и не вызывает возражений. А по существу... Располагая мощным вычислительным средством, таким, как ЭВМ, мы не хотим 'ограничиваться на практике грубыми расчетами. Развитие техники требует значительного повышения точности инженерных методов! Для проектирования современных самолетов нужен не линейный, даже не плоский, а пространственный аэродинамический расчет с учетом переменных условий движения, турбулентности и других особенностей, возникающих на границе обтекания. Для расчета гидросооружений недостаточны статические методы. Они заставляют нас вводить завышенные запасы прочности. Это приводит к излишним затратам материалов и времени строительства. Пора переходить на новые, динамические методы, обеспечивающие требуемую экономичность и оперативность строительных работ.

Математические методы планирования народного хозяйства, приводящие к задачам малой размерности, уже не удовлетворяют потребностей практики. Народнохозяйственные связи усложнились (специализация, кооперирование предприятий и отраслей промышленности), требования к сбалансированности планов повысились. Задачи стали многомерными.

Оказывается, что ЭВМ не готовы к решению уравнений в этих новых условиях. Многомерные динамические задачи требуют слишком большой памяти для запоминания исходных данных и промежуточных результатов расчета. Да и быстродействия, по существу, не хватает. Соревнование между ростом быстродействия и объема памяти ЭВМ и увеличивающейся сложностью практических задач складывается не в пользу ЭВМ.

А как же быть с атомными реакторами? Какова судьба современных ускорителей элементарных частиц, мощных межпланетных ракетных кораблей, радиолокационных станций для локации планет и слежения за искусственными спутниками Земли? Что делать с задачами химической кинетики, биофизики, математической геологии и огромного числа других новейших научных направлений и областей техники? Ведь к настоящему времени там еще далеко не все уравнения составлены. Классическая наука приучила нас к тому, что математическое описание сложных явлений, выполняемое отдельными крупными специалистами, продолжалось десятилетиями.

Конечно, жизнь идет вперед. Математические методы проникают во все более широкую сферу человеческой деятельности. Происходит математизация многих наук. Вместо гениальных одиночек сейчас работу ведут талантливые научные коллективы, состоящие из десятков и сотен сотрудников. Однако даже с учетом этих перемен для построения математических моделей, обеспечивающих решение на ЭВМ задач современной науки и техники, требуются многие месяцы и даже годы.

Не лучше положение и в области программирования. Эта, казалось бы, простая, рутинная работа требует огромного времени. Программы для решения сложных задач уже содержат тысячи и даже десятки тысяч команд, а опытный программист за рабочий день способен «сделать» всего несколько команд. Поручить программирование сложной задачи большому коллективу программистов практически невозможно - никто не сумеет свести воедино отдельные части программы, приготовленные различными программистами. Речь может идти лишь о коллективе, состоящем всего из нескольких человек. Программа, приготовленная для одной ЭВМ, не годится, как правило, не только для ЭВМ другой марки, но и для других экземпляров ЭВМ данной марки, если не соблюдены соответствующие условия их комплектации оборудованием, стандартными программами и другими элементами математического обеспечения.

Для определения возникших трудностей необходимо было существенное продвижение вперед науки в первую очередь в область машинной математики, а также освоение новых рубежей вычислительной техники.

Исследования по неарифметическим применениям ЭВМ показали, что вычислительной машине доступна и более сложная «интеллектуальная» работа, чем обычные вычисления, если только эта работа может быть сведена к последовательности формальных процедур, выражающихся через операции ЭВМ. Среди других неарифметических применений ЭВМ (машинный перевод с одного языка на другой, распознавание образов, моделирование сложных систем, управление реальными объектами и процессами и т. д.) существенное место занимает машинное программирование задач.

Выше мы уже отмечали, что программирование можно рассматривать как перевод задачи с языка алгоритмов на внутренний язык команд (операций) ЭВМ. Процесс перевода представляет собой последовательное выражение алгоритмических процедур через совокупности операций ЭВМ и носит вполне формальный характер. В результате многолетних теоретических и экспериментальных исследований, выполненных различными научными коллективами, были созданы специальные алгоритмические языки, позволяющие записывать задачи, предназначенные для решения на ЭВМ, в виде, весьма удобном для последующего машинного программирования. Большой популярностью пользуются универсальные алгоритмические языки: АЛГОЛ, ПЛ-1, ФОРТРАН (с акцентом на инженерные расчеты), языки для обработки экономической информации - КОБОЛ, АЛГЕК, языки для машинного моделирования - СИМУЛА, НЕДИС и др.

Задача, записанная на алгоритмическом языке, вводится в ЭВМ и по специальной программе, называемой транслятором, переводится (транслируется) на язык операций ЭВМ. В результате мы получаем (в памяти ЭВМ) готовую машинную программу, которую можно использовать для решения задачи.

Выбор алгоритмического языка не зависит от того, на какой машине предполагается решать задачу, он скорее определяется видом задачи (так называемые проблемно-ориентированные языки). Поэтому специалисту по машинной математике, работающему в данной области, достаточно, как правило, знать один алгоритмический язык, наиболее широко применяемый в этой области. Алгоритмический язык изучить легче, чем правила ручного программирования на конкретной ЭВМ. Задача, записанная на данном алгоритмическом языке, может быть транслирована на любую ЭВМ, если только имеется соответствующий транслятор (для каждого языка нужен свой транслятор па каждый тип ЭВМ).

Средства автоматизации программирования (алгоритмические языки, трансляторы и др.) позволяют значительно сократить затраты времени на подготовку задач для решения на ЭВМ - в этом их главное значение. Кроме того, широкое внедрение средств автоматизации программирования приводит к постепенному исчезновению одного из промежуточных звеньев между пользователем и ЭВМ, а именно звена «программист». Для значительного круга пользователей, имеющих математическую подготовку в объеме обычного высшего инженерного образования и способных самостоятельно овладеть алгоритмическими языками, может со временем исчезнуть и второе промежуточное звено - «специалист по машинной математике». Тогда пользователь будет непосредственно общаться с ЭВМ. Последнее утверждение тем скорее станет совершившимся фактом, чем скорее программы учебных заведений пополнятся наиболее распространенными методами машинного решения инженерных задач, а последние станут достаточно универсальными и доступными для студентов. Естественно, что это потребует дальнейшего развития машинной математики и совершенствования подготовки специалистов. Однако уже сегодня имеются тысячи инженеров, которые не только дают прикладную постановку задач для ЭВМ по своей узкой специальности, но умеют формализовать ее, создать соответствующие математические модели, разработать методы решения, записать задачу на алгоритмическом языке, решить ее на ЭВМ и проанализировать результаты решения.

С другой стороны, всегда останется достаточно широкое поле деятельности для специалистов по машинной математике. Вряд ли когда-нибудь может оказаться исчерпанной потребность в создании новых, более совершенных методов решения задач на ЭВМ, а также в исследованиях, связанных с проникновением ЭВМ в новые области человеческой деятельности.

Заметим также, что, кроме инженеров, способных получить непосредственный доступ к ЭВМ сегодня и в ближайшие годы, существует огромное число пользователей, нуждающихся в применении ЭВМ, для которых овладение алгоритмическими языками (по крайней мере в современном их виде) и особенно методами формализации и алгоритмизации задач вряд ли будет доступно и практически целесообразно. И число таких пользователей будет увеличиваться по мере расширения сферы практического применения ЭВМ.

Важнейшим событием в развитии вычислительной техники следует считать появление ЭВМ 3-го поколения.

Переход на новые элементы (интегральные схемы), естественно, способствовал улучшению качества аппаратуры ЭВМ, повышению ее надежности, быстродействия, уменьшению габаритов, потребляемой энергии и т. д. Однако не только в этом значение ЭВМ 3-го поколения. Главное их отличие от ЭВМ 1-го и 2-го поколений состоит в принципиально новой организации вычислительного процесса и существенном продвижении проблемы общения человека с ЭВМ.

ЭВМ 3-го поколения перерабатывают не только цифровую, но и алфавитно-цифровую информацию. Оперирование над буквами, словами, фразами, текстами, как легко понять, открывает более широкие возможности для обмена содержательными сообщениями между человеком и ЭВМ. Заметим, что способность перерабатывать тексты позволяет хорошо организовать обработку поступающих в ЭВМ документов и вырабатывать автоматически, при помощи ЭВМ, новые документы.

Упрощение процедур общения человека с ЭВМ 3-го поколения происходит главным образом в следующих трех направлениях.

Первое связано с созданием разветвленных технических средств ввода и вывода информации. Если в машинах 1-го и 2-го поколения мы могли вводить информацию в основном с перфокарт, то в машинах 3-го поколения, помимо этого, используется целый ряд других способов ввода информации. Важнейшим из них является ввод информации в машину непосредственно из каналов связи, которые могут передавать данные от объектов, находящихся на больших расстояниях (сотни и тысячи километров), по обычным телеграфно-телефонным линиям связи.

Кроме того, получают распространение так называемые читающие автоматы, которые могут считывать тексты - типографские, машинописные или написанные от руки - и вводить их в ЭВМ с большой скоростью (500 знаков в секунду и более). Очень распространенным способом ввода данных в ЭВМ является ввод с телетайпа - обычной пишущей машинки, которая может быть установлена па пульте ЭВМ, в соседней комнате или в другом городе. Некоторые машины, например отечественная ЭВМ «МИР-2», позволяют вводить информацию при помощи так называемого светового карандаша, или светового пера. Содержимое оперативной памяти ЭВМ отображается па телевизионном экране. Человек, работающий на ЭВМ, может часть имеющейся там информации зачеркнуть или дописать новые данные. Эти изменения немедленно вводятся в оперативную память.

Проведены успешные эксперименты по вводу в машину информации с голоса. Правда, сейчас, может быть, нет особой необходимости в практическом использовании такого способа ввода, но технические возможности для этого есть.

Машины 3-го поколения обладают разветвленной системой устройств вывода информации. Кроме перфокарт и перфолент, можно выдавать информацию непосредственно телеграфным или телефонным каналом связи для передачи на большие расстояния.

Имеются также быстродействующие печатающие устройства, которые способны печатать тексты с большой скоростью - несколько тысяч знаков в секунду.

Наконец, для наглядного отображения хода решения задачи или результатов решения машины 3-го поколения имеют систему табло и экранов, на которых может высвечиваться любая информация, поступающая из ЭВМ. Табло используется обычно для отображения заранее предусмотренных характеристик, а экраны для того, чтобы можно было вывести любую информацию по желанию человека.

Второе направление связано с упрощением входного языка ЭВМ и приближением его к обычному человеческому языку. Уже сейчас созданы проблемно-ориентированные входные языки, близкие по своему характеру к техническим жаргонам некоторых областей техники. Например, входной язык ЭВМ «МИР» очень удобен для описания задач, возникающих при различных инженерных расчетах. Использование его доступно любому инженеру, не имеющему специальной подготовки по программированию.

Разрабатываются и успешно внедряются программы морфологического и синтетического анализа фраз входного языка. Эти программы позволят обращаться к ЭВМ не на алгоритмическом языке, а па обычном, разговорном, почти неформализованном языке.

Третье направление обусловлено тем, что современным ЭВМ свойственны специальные режимы работы, которые не только упрощают обращение людей к ЭВМ, но и расширяют возможности самих ЭВМ. Дело в том, что ЭВМ 3-го поколения устроены по принципу независимой и параллельной работы всех устройств: процессоров (их может быть несколько), устройств ввода, вывода, отображения информации, средств внешней памяти и т. д.

ЭВМ может одновременно решать несколько задач па своих арифметических устройствах и параллельно производить ввод и вывод информации, поиск ее во внешней памяти по заданным признакам или адресам, а также перезапись информации с одного участка памяти в другой.

В режиме «разделения времени» ЭВМ может работать одновременно с многими абонентами, находящимися на больших расстояниях у специальных «выносных» пультов. Особенность машин 3-го поколения заключается в том, что эти машины для своей работы требуют специальной совокупности программ, которая называется внутренним математическим обеспечением ЭВМ.

Главной частью внутреннего математического обеспечения является так называемая операционная система. Эта система программ координирует работу всех устройств машины, распределяет между ними обязанности, выполняет функции диспетчера, переключает связи между устройствами и т. д. Нужно отметить, что машина 3-го поколения без операционной системы работать не может - это вообще не машина, а только совокупность отдельных разрозненных устройств.

ЭВМ 3-го поколения имеют внешнюю память на магнитных дисках или лентах для хранения больших массивов информации и совокупности программ так называемого внешнего математического обеспечения (трансляторы, интерпретирующие системы, программы решения различных задач и т. д.).

Отмеченные особенности позволяют использовать ЭВМ 3-го поколения в виде так называемых «информационных систем», создаваемых для автоматического сбора, хранения, переработки и выдачи особенно больших массивов информации.

Человеку, работающему с информационной системой, нет нужды каждый раз вводить вручную исходные данные для решения той или другой задачи. Все необходимые данные хранятся в огромной внешней памяти, поступая туда автоматически, в соответствии с определенным порядком, предусматривающим передачу данных в ЭВМ в момент их возникновения на том или другом реальном объекте, связанном с ЭВМ. Эти данные непрерывно обновляются и пополняются независимо от того, когда человек будет решать возникающие у него задачи.

Например, в отраслевой автоматизированной системе управления по телеграфным или телефонным каналам связи через телетайпы, расположенные на основных предприятиях отрасли, в ЭВМ систематически в заранее предусмотренном порядке вводятся данные о состоянии производства, наличии сырья и материалов, выпускаемой продукции, поставках по внутриотраслевой и межотраслевой кооперации, загрузке оборудования, появляющихся узких местах и т. д., а также другая оперативная, плановая, финансовая и статистическая информация.

ЭВМ при помощи специальных программ анализирует и сортирует поступающие сведения и размещает их в соответствующих зонах памяти. Процесс накопления данных, замены устаревших свежими, обновления тех или других массивов памяти происходит непрерывно, независимо от тех задач управления отраслью, которые в тот или другой момент времени решает ЭВМ. В памяти также хранится постоянная (точнее, редко сменяемая) информация: материальные и трудовые нормативы, ГОСТы, справочники, цены, сведения но типовым технологическим процессам, квартальные и месячные планы, отчеты и т. д.

Работники министерства (ведомства) обращаются к ЭВМ по мере надобности для получения различных справок и решения тех или других задач управления отраслью. ЭВМ может выдавать простые справки, для формирования которых достаточно отыскать нужные сведения в памяти и выполнить над ними лишь простейшие операции (например, суммирование или выражение в процентах). ЭВМ способна также выдавать сложные справки, для формирования которых необходимо выполнить большое число громоздких вычислений и сопоставление многообразных сведений между собой. Кроме того, ЭВМ, располагая сведениями о состоянии производства, указаниями директивных органов и нормативными данными, может выполнять любые расчеты, связанные с планированием производства, снабжения и сбыта, распределением сырья и материалов, перевозками готовой продукции, и многие другие.

Учитывая быстродействие ЭВМ, скорость ввода и вывода данных, наглядность отображения результатов решения задач, общение человека и ЭВМ можно осуществить в форме диалога, протекающего в темпе обычной беседы, когда очередные реплики собеседников (вопросы, ответы и т. д.) отстоят друг от друга на несколько секунд.

Информационные системы такого типа могут быть применены не только для управления отраслью или предприятием. Большой практический интерес представляют информационные системы для проектирования машин, электронного оборудования, технологических процессов, научного и технического эксперимента, диагностические медицинские системы, библиографические системы научно-технической информации, системы изучения спроса на те или иные товары и другие справочные системы широкого назначения.

В памяти ЭВМ, работающей в системе проектирования оборудования или технологических процессов, размещаются не только нормативные и справочные данные, но и фрагменты конструктивных элементов и технологических операций вместе с характеристиками оптимальных условий их применения в типичных случаях, методы расчета конструкций и технологии, методы оценки их эффективности, методы анализа и синтеза структур и т. д.

Внешняя память ЭВМ, способная хранить миллионы страниц печатного текста, может служить исчерпывающим справочником всех известных научных и технических результатов по любой выбранной отрасли народного хозяйства и области знаний.

Обладая высоким быстродействием, ЭВМ способна выполнить многочисленные расчеты и сопоставления различных конструктивных или структурных вариантов для обоснованного выбора наилучшего из них - оптимального варианта.

Практическое значение информационных систем рассматриваемого типа для научно-технического прогресса и развития народного хозяйства трудно переоценить. Поэтому следует рассчитывать на их дальнейшее усовершенствование и широкое распространение. Уже в настоящее время идет речь о создании автоматизированных систем управления для отраслей легкой промышленности и сферы обслуживания, а также общесправочных систем массового пользования. В будущем, по-видимому, проникновение ЭВМ в сферы труда, культуры и быта людей может быть еще более глубоким.

До сих пор мы говорили об уровне общения человека с ЭВМ на современном этапе. Указали на тенденцию проникновения ЭВМ во все сферы человеческой деятельности. Однако расширение круга возможных пользователей ЭВМ сильно ограничено тем, что формальная постановка задачи (построение математической модели) и разработка метода решения доступны в настоящее время только специалистам по машинной математике. О возможности расширения круга пользователей и пойдет речь в дальнейшем.

Основной вопрос, который следует при этом решить, заключается в возможности ликвидировать последнее промежуточное звено между пользователем и ЭВМ - звено «специалист по машинной математике». Важно еще раз подчеркнуть, что необходимо не совместить профессии пользователя и специалиста по машинной математике, а ликвидировать это звено. Другими словами, можно ли переложить на машину работу, связанную с формализацией и разработкой метода решения задачи, поставленной пользователем перед ЭВМ в неформальном виде на интуитивном уровне рассуждений?

Ответ на этот вопрос, исходя из известных в настоящее время методов машинной математики, должен быть отрицательным, если речь идет о решении любой задачи в самом общем случае. Не исключается, что в будущем наука найдет новые подходы к такого рода проблемам...

Однако если упомянутый вопрос ставить в более практическом плане по отношению не к любым, а к наиболее распространенным типам задач и не в общем случае, а при соблюдении разумных ограничений, то уже сейчас просматриваются пути, ведущие к существенному продвижению вперед.

Современная информационная система способна решать только те задачи, для которых формализация и выбор метода решения выполнены человеком. Для некоторого (может быть, достаточно большого) набора задач в ее памяти хранятся либо готовые программы, либо готовые фрагменты программ (микропрограммы), из которых специальная программа-компилятор может построить программу решения данной задачи по заданию, составленному человеком.

Легко заметить, что информационная система является не универсальной, а скорее всего проблемно ориентированной, направленной на решение некоторого определенного класса задач, имеющих отношение к какому-нибудь конкретному объекту или совокупности конкретных объектов. Это вытекает не только из практических соображений о целесообразности построения информационных систем для тех или других конкретных целей (управления отраслью народного хозяйства, медицинской диагностики, проектирования электронных устройств и т. д.). Здесь играет роль и то обстоятельство, что внешняя память ЭВМ, входящая в состав информационной системы, хотя и велика, но имеет ограниченный объем; она может содержать информацию, относящуюся к какой-нибудь одной (хотя и достаточно широкой) практической проблеме.

Аналогичные соображения справедливы и относительно набора задач, программы которых хранятся в памяти информационной системы.

Как показывает опыт применения ЭВМ в различных сферах науки, техники и народного хозяйства, в любой узкой области можно всегда выделить один или несколько основных процессов или объектов, может быть достаточно сложных, исследование которых и порождает большинство задач, возникающих на практике в этой области. Более того, математические модели, используемые для формализации задач и выбора метода решения, оказываются фрагментами общих моделей основных процессов, характерных для данной области.

Рассмотрим, например, процесс функционирования крупного склада материально-технического снабжения. Обработка грузов, поступающих на склад, состоит из многих этапов: разгрузка, перевозка в зону предварительного хранения, распаковка, проверка, адресация, стеллажирование (штабелирование) и т. д. На каждом этапе фигурирует поток грузов, подлежащих обработке, и технические средства, управляемые людьми, выполняющие совокупность операций, связанных с обработкой грузов. Для решения задач, возникающих при рассмотрении конкретного этапа (таких, как распределение грузопотоков между единицами оборудования, оценка времени выполнения заданного объема работ, определение числа единиц оборудования, необходимого для выполнения заданного объема работ в заданное время и т. д.), можно построить математическую модель в виде многоканальной системы массового обслуживания и для решения задач воспользоваться соответствующими методами теории массового обслуживания. В этом случае математическую модель процесса переработки грузов на всех этапах легко представить в виде многофазной системы массового обслуживания.

Таких примеров можно привести сколько угодно. Математическая теория систем располагает методами формального описания объектов различной природы и способами сопряжения их в сколь угодно сложные структурные объединения. Здесь существенную роль играют теория автоматов, теория динамических систем, теория случайных процессов и другие математические дисциплины.

Для успешного решения обсуждаемой здесь проблемы важно принять ограничение, согласно которому общий процесс, подлежащий исследованию, представляет собой конечный набор элементарных процессов, а каждый элементарный процесс с достаточной для практики точностью описывается конечным набором параметров. Это предположение с принципиальной точки зрения значительно сужает класс рассматриваемых формализованных схем, однако в практическом плане оказывается вполне приемлемым для любых известных авторам реальных задач.

Отсюда вытекает, что для любого общего процесса, относящегося к области, охватываемой данной информационной системой, можно построить конечную иерархию параметров, зависимости между которыми определяются структурой математической модели, описывающей элементарные процессы и сопряжение их в единый общий процесс. Например, в случае многофазной системы массового обслуживания, которую мы используем в качестве модели процесса переработки грузов на складе, на каждом уровне иерархии, соответствующем данному этапу, имеются параметры, описывающие интенсивность потока грузов (число единиц груза за единицу времени), время обработки каждой единицы груза и число единиц оборудования (число каналов обслуживания).

Пусть имеется информационная система, предназначенная специально для склада материально-технического снабжения, хранящая в своей памяти наряду с фрагментами программ для решения задач, относящихся к отдельным фазам обслуживания, также и описанную выше иерархию параметров и общую модель многофазной системы. Если пользователь обращается к такой информационной системе с неформализованной постановкой задачи (например, «сколько нужно добавить автопогрузчиков на данную технологическую линию, чтобы ликвидировать угрозу невыполнения сменного задания, и с каких технологических линий целесообразно перебросить автопогрузчики на данную линию?»), то ЭВМ по специально приготовленным программам может «найти» среди параметров имеющейся иерархии такие параметры, как «число единиц оборудования (число автопогрузчиков)» и «число единиц груза (объем сменного задания)» для данной технологической линии. В задании вопрос «сколько» относится к числу единиц оборудования, значит, этот параметр является искомым в поставленной задаче, а число единиц груза - известной величиной.

По этим данным ЭВМ может «упорядочить» параметры: поставить число единиц оборудования в разряд искомых величин, а число единиц груза - в разряд заданных. По схеме иерархии параметров ЭВМ далее определит остальные величины, от которых зависит искомая, в данном случае - длительность оставшейся части смены, скорость перевозки грузов автопогрузчиком, его грузоподъемность и т. д. При этом из общей математической модели многофазной системы можно выделить ту часть, которая необходима для решения поставленной задачи. Таким образом, ЭВМ «сама» провела требуемую формализацию задачи и «получила» математическую модель. Для построения алгоритма решения задачи остается определить порядок действий ЭВМ над заданными величинами и фрагментами программ, моделирующих процесс переработки грузов.

Обратим внимание здесь на следующее обстоятельство. Если заданные параметры предшествуют искомым по схеме иерархии, то задача может быть отнесена к классу так называемых «прямых» задач и для ее решения достаточно реализовать на ЭВМ выделенную часть математической модели. В противном случае, когда хотя бы один искомый параметр предшествует хотя бы одному из заданных, задача относится к классу «обратных» и требует многократной реализации модели для выбора подходящего значения искомого параметра методом последовательных приближений или одним из способов оптимизации. Полученных сведений достаточно для того, чтобы программа-компилятор могла сформировать конкретную программу для определения требуемого числа единиц оборудования.

Данный пример показывает, что ЭВМ при помощи схемы иерархии и полной модели процесса способна автоматически, без вмешательства человека, обеспечить переход от неформальной постановки задачи к программе ее решения. Этот переход совершается обычными средствами внутреннего математического обеспечения информационной системы без привлечения каких-либо новых методов, связанных с машинным интеллектом более высокой организации, чем имеется в настоящее время. В то же время для рассматриваемого очень узкого и весьма частного случая решена проблема переложения на ЭВМ работы по формализации задачи, построению математической модели и разработке метода ее решения, относящаяся в общем случае к компетенции человека - специалиста по машинной математике.

Скептики могут возразить, что в данном случае ЭВМ всего только «нашла» в своей памяти метод решения задачи, который заранее был в нее заложен, что обсуждаемая процедура эквивалентна автоматическому выбору одной из имеющихся в информационной системе готовых программ. С одной стороны, с этим возражением можно согласиться. Но мы и не задавались целью сообщить машине какие-нибудь сверхъестественные творческие способности. Наша цель состояла лишь в том, чтобы пользователь, обращаясь к ЭВМ с неформальной постановкой задачи, мог получить ее решение. Прогресс как раз и заключается в умении «заложить» в ЭВМ такую информацию и такие программы, которые приводят к успеху.

С другой стороны, упомянутое возражение не совсем справедливо. Для более сложных случаев разработка большого числа программ для всевозможных задач, которые могут возникнуть на данной информационной системе,- практически неосуществима. Кроме того, возникли бы серьезные трудности, связанные с размещением программы в памяти ЭВМ и поиском именно той программы, которая нужна для решения данной задачи. Последний вопрос сам по себе не менее труден, чем создание нового метода решения.

Более важным является другой вопрос: можно ли изложенный выше принцип использовать для широкого класса задач в достаточно общем случае? Положительный ответ на этот вопрос обосновывается тем, что за последние годы появились достаточно универсальные математические схемы для описания сложных систем и ввода информации о них в ЭВМ. Далее, получены обнадеживающие результаты по унификации методов и машинных процедур количественного и качественного исследования систем. Это обещает появление несложных способов распознавания структуры задачи по иерархии параметров, тем более что режим диалога, который доступен даже современным информационным системам, позволяет привлечь к решению этого вопроса и человека-пользователя. Если пользователь не способен непосредственно принять участие в формализации задачи, он может оказать исключительно серьезную помощь ЭВМ тем, что будет соглашаться с вариантами формализации, предлагаемыми ЭВМ, или отвергать их в зависимости от их логической непротиворечивости.

Наконец, источником оптимизма должно быть широкое распространение, которое получает в наши дни системный подход к практическим задачам, решаемым на ЭВМ. Многочисленные работы по прикладным вопросам кибернетики, системотехники, исследования операций и других научных направлений способствуют усвоению концепции системного подхода все более многочисленным кругом людей, имеющих отношение не только к технике, но и к любым другим сферам человеческой деятельности. Поэтому есть надежда, что пользователь, даже далекий от машинной математики, со временем при постановке задач для ЭВМ будет мыслить категориями, в той или другой степени соприкасающимися с системным подходом.

В заключение хочется подчеркнуть, что рассматриваемые здесь принципы решения проблемы непосредственного общения пользователя с ЭВМ, по-видимому, будут в обозримое время реализованы для отдельных узкоспециальных информационных систем. Разработка аналогичных методов универсального назначения скорее всего встретится с серьезными трудностями принципиального порядка.

Естественно, что возможны и другие подходы к проблеме общения человека с ЭВМ. Несомненно одно, что в ближайшие годы ЭВМ, особенно информационные системы, займут более значительное место в жизни людей. Поэтому проблема взаимного общения, совместного решения задач и других видов сотрудничества человека с ЭВМ представляет большой интерес.