Информационные модели и алгоритмы решения задач

Что такое информатика?

Ответ на этот вопрос можно найти в Большой советской энциклопедии. В ее десятом томе термин "информатика" определяется как "научная дисциплина, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности ее создания, преобразования, передачи и использования в различных сферах человеческой деятельности". Там же отмечается, что информатика тесно связана с вычислительной техникой. Приведенное определение является слишком общим. Поэтому оно нуждается в уточнении. Особенно это касается термина "компьютерная информатика", который вошел в наш лексикон лишь в последнее время.

Появление мощных компьютеров и их широкое использование для обработки информации привело к необходимости изменить определение понятия "информатика". Сегодня компьютерная информатика рассматривается как новое научное направление, связанное с автоматизированной обработкой информации. Оно охватывает представление данных и знаний в памяти компьютера и их использование для автоматизации процессов программирования, проектирования, управления и многих других.

Современные системы связи позволяют подключать компьютеры к сколь угодно удаленным электронным источникам информации. Примерами такой глобальной "безбумажной" связи могут служить космическая система связи через спутники и международная компьютерная сеть, соединяющая более 1000 научных центров в 20 странах мира.

Интеграция компьютеров с новыми средствами связи значительно расширила возможности "безбумажной" информатики. В результате возникла новая информационная технология решения задач. Она оказывает влияние практически на все сферы жизни общества. Важную роль при этом играют современные компьютеры. Если 2-3 десятилетия назад громоздкие ЭВМ размещались в специальных вычислительных центрах и обслуживались только операторами-профессионалами, то сейчас компьютеры превратились в компактный, но весьма мощный инструмент, обеспечивающий специалистам широкий доступ к автоматизированным банкам данных и знаний. Диапазон эффективного применения компьютеров для автоматизированной обработки информации возрастает с каждым днем.

В 1984 г. были сформулированы и уточнены научные проблемы современной теории информационных систем. По определению академика А. А. Самарского, "информационная система, как, впрочем, и любая другая система, жизнеспособна только тогда, когда она основана на глубинном знании информационного процесса, воплощенном в триаде: модель - алгоритм - программа".

Структура системы компьютерной информатики включает элементы этой триады и устанавливает их связь с исследуемым объектом (см. рис. на с. 7). Проблемы компьютерной информатики сводятся к разработке информационной модели объекта, алгоритма обработки информации и программы, реализующей этот алгоритм на языке компьютера.

Рис. 1. Структура системы компьютерной информатики

В 1989 г. разработан ряд концепций информатизации общества до 2005 г. Они направлены на ускоренное развитие средств компьютерной информатики и их внедрение в различные сферы деятельности человека. Важнейшими областями информатизации являются: комплексная автоматизация и роботизация производства; автоматизация научных исследований и проектирования; информатизация организационно-экономического управления; компьютеризация процессов обучения и подготовки кадров в школах, техникумах, профессионально-технических училищах и высших учебных заведениях; компьютеризация сферы услуг, здравоохранения и быта населения.

Для успешного решения проблем информатизации предлагается создать мощный народнохозяйственный комплекс компьютерной информатики. В его задачи входят разработка, производство и эксплуатация компьютеров и новых информационных технологий. Важная роль отводится созданию и внедрению систем искусственного интеллекта (интеллектуальные роботы, диалоговый интерфейс для свободного общения человека с компьютером на естественном языке и т. п.). В Москве, Ленинграде, Новосибирске и ряде других городов успешно функционируют кружки школьной информатики, компьютерные клубы и т. п. Они позволяют более глубоко и предметно изучить новый обязательный школьный курс "Основы информатики и вычислительной техники".

В промышленно развитых странах компьютерная информатика включена во многие учебные программы на разных уровнях обучения: от школ до высших учебных заведений. Например, в США свыше 85% школ имеют компьютеры и в них преподаются основы информатики. На университетском уровне знание основ компьютерной информатики давно стало обязательным условием получения диплома или ученой степени.

Мощным катализатором внедрения компьютерной информатики и ликвидации "компьютерной неграмотности" стали персональные компьютеры. Сначала казалось, что разработка таких компьютеров - это попытка перевести обычные электронные игры на более солидную основу, а именно на ЭВМ. Поэтому многие фирмы-производители компьютеров не придавали им серьезного значения. Однако вскоре выяснилось, что персональные компьютеры, ориентированные на людей, не имеющих специального образования в области информатики и навыков работы с компьютерами, раскупаются сотнями тысяч и спрос на них постоянно растет.

Волна "персональной компьютеризации" захватила прежде всего страны Запада. Основными покупателями персональных компьютеров стали инженеры, ученые, экономисты, менеджеры, архитекторы и врачи. К 1987 г. только в США было произведено более 30 млн. персональных компьютеров. Их доступность вызвала колоссальный интерес к компьютерной информатике представителей множества профессий. По мере усложнения задач компьютеры совершенствовались и превратились в профессиональные компьютеры. Они предназначены для ускорения решения задач обработки информации в различных областях деятельности, требующих высокого профессионализма. Сегодня многие специалисты имеют на своих рабочих столах компьютеры, которые по своим возможностям не уступают большим ЭВМ 60-70-х гг.

Интерес к современным компьютерам стимулируется тем, что они резко повышают производительность в процессе решения задач. Например, применение профессиональных компьютеров при автоматизации проектирования больших интегральных схем (БИС), на базе которых строятся компьютеры разных типов, позволило сократить сроки их разработки с нескольких лет до нескольких месяцев.

В нашей стране важность персональных компьютеров была осознана с большим опозданием. Для ликвидации сложившегося отставания в 1985 г. был создан Межотраслевой научно-технический комплекс (МНТК) "Персональные ЭВМ". Этот комплекс призван сконцентрировать имеющиеся в стране силы и средства и быстро развернуть массовое производство персональных ЭВМ на уровне мировых стандартов. Потребность в персональных компьютерах в нашей стране составляет десятки миллионов.

Компьютерная информатика стала основой новой информационной технологии решения разнообразных задач обработки информации. На смену традиционным "бумажным" способам представления и обработки информации пришли новые, "безбумажные". В связи с этим в научной и популярной литературе стали часто употребляться новые термины: "безбумажная информатика" и "безбумажная технология решения задач".

Может создаться впечатление, что "безбумажность" является главным признаком информатики. Но это впечатление ошибочно. Оно основывается на отождествлении новой информационной технологии с простым использованием компьютеров. Конечно, современные компьютеры с их большой памятью и колоссальным быстродействием позволяют решать многие задачи, связанные с обработкой информации. Однако качество решения в первую очередь определяется теми алгоритмами обработки информации, которые в них закладываются человеком.

Поэтому разработка эффективных алгоритмов обработки информации является одной из важнейших теоретических проблем информатики. Компьютеры служат лишь инструментом, на базе которого реализуются эти алгоритмы. При этом носителем информации служит не бумага, а магнитная лента или гибкие диски. Что же касается качества решения задач интеллектуального характера, то оно в такой же степени зависит от технических средств хранения и обработки информации, как, скажем, качество художественного произведения зависит от качества бумаги.

Сегодня компьютеры планируют, проектируют, управляют, вычисляют, консультируют и обучают. Это достигается в основном благодаря их большой памяти и быстродействию. Но память и быстродействие компьютеров все-таки ограниченны. В то же время существуют задачи обработки информации, сложность которых чрезвычайно высока. Если решать эти задачи методом перебора вариантов, делая ставку только на мощь современных компьютеров, то возникают непреодолимые трудности, например при разработке шахматных программ, основанных на полном переборе вариантов.

Кроме того, имеются алгоритмически не разрешимые задачи. Отсюда следует, что, как бы ни был совершенен компьютер, существует предел сложности задач, которые могут быть на нем решены за приемлемое время.

В связи с этим огромное значение приобретает общая методология решения задач с помощью компьютера, позволяющая разрабатывать эффективные методы формализации задач и алгоритмы их решения. По существу, она является теоретической основой компьютерной информатики.