|
3. Анализ результатов моделирования 4. Табличные информационные модели. 4.1 Визуализация табличной модели 4.2. Периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева 5. Иерархические информационные модели 5.1 Иерархическая модель Компьютеры Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые. Наши знания о реальном мире складываются из множества информационных моделей. Это сведения о свойствах разнообразных объектов и их взаимодействии между собой. С развитием производства и общества поток информации непрестанно растет. Все труднее становится найти в этом мощном потоке те сведения, которые интересуют нас в данный момент. Чтобы ориентироваться в таком обилии и разнообразии данных, мы стремимся их систематизировать. Это особенно актуально в тех случаях, когда нужно описать совокупность объектов, у которых можно выделить общие свойства, например книг в библиотеке или пациентов поликлиники. Традиционно такую информацию систематизировали во всевозможных картотеках, где на небольших листах или картах собирали сведения по какому-либо одному признаку, по какой-то одной теме. Найти нужную информацию в картотеке гораздо проще, чем в кипе списков, анкет или отчетов. Но постоянное заполнение и обновление карточек — дело кропотливое и ответственное, отнимающее очень много времени. Современное развитие компьютерной техники помогает справляться с колоссальными объемами информации. Компьютер позволяет технически развитым странам перейти на безбумажную технологию хранения, обмена и обработки информации — электронные картотеки. Специальные программы — Системы Управления Базами Данных (СУБД) — позволяют упорядочить многообразие накопленной человечеством информации об окружающем мире в виде компьютерных информационных моделей. Как и любая картотека, компьютерная информационная модель должна отвечать интересам определенного пользователя. Поэтому постановка задачи создания информационной модели тесно увязана с целями моделирования. В самом общем приближении можно выделить следующие цели:
Обсудим особенности этапа разработки компьютерной информационной модели в среде баз данных. Основные стадии построения модели представлены на рис. 4.1. Обсудим особенности этапа разработки компьютерной информационной модели в среде баз данных. Основные стадии построения модели представлены на рис. 4.1. Вначале необходимо выделить из разнообразной информации, характеризующей объект, только ту, которая обусловлена целями моделирования. Затем на основе исходных данных формируется структура будущей базы данных с указанием типов и ширины полей.
Рис. 4.1. Стадии разработки компьютерной информации Наиболее простой способ организации данных в компьютере — реляционный, когда информационная модель объекта представлена в виде знакомой нам таблицы, состоящей из столбцов и строк. Число столбцов определяется количеством параметров (признаков) объекта, по которым строится его информационная модель. Каждый столбец имеет имя, непосредственно указывающее на его содержимое. Число строк соответствует количеству описываемых объектов. Каждая строка содержит информацию об одном объекте по множеству параметров. По терминологии баз данных столбцы называются полями, строки — записями. Формирование структуры информационной модели и, соответственно, структуры базы данных означает определение полей или, иначе говоря, параметров, по которым будет систематизироваться информация о различных объектах. Структура информационной модели в базах данных — описание полей, соответствующих параметрам объекта или процесса. После определения и задания структуры базы данных компьютерная среда предлагает перейти в режим заполнения. Заполнив даже одну запись, можно выявить ошибки и неточности в задании типов полей, формата вводимых данных. Это первичное, самое простое тестирование. Реальная информационная модель может содержать от нескольких до десятков тысяч записей. Наполнение базы — это ввод записей в созданную структуру. Система управления базами данных позво- — ляет осуществлять ввод новых записей, редактировать имеющиеся, удалять устаревшие. И в этом смысле база данных напоминает живой организм. Пользователь, работающий с базой данных в среде Works, име ет возможность видеть информа- цию на экране в разных видах, ото отражено опциями меню Вид: Форма (рис. 4.2) или Список (рис. 4.3).
Рис 4.2. Форма представления данных в виде карточки Опция Форма представляет нам записи в виде отдельных карточек по каждому объекту, наподобие тех, которые мы видим в библиотеке. Этот вид представления информации удобен при наполнении базы данных записями, т. к. позволяет оперативно выделить под каждое поле необходимое количество места. Список — наиболее наглядная форма отображения информации. В ней поля и записи представлены в классическом для реляционных баз данных табличном виде. Такой вид представления данных удобен на этапе разработки и тестирования модели.
Рис. 4.3. Классический табличный вид представления данных
В теме 2.3, обсуждая общиё% этапы моделирования, мы ввели понятие компьютерного эксперимента. Применительно к базе данных компьютерный эксперимент означает манипулирование данными в соответствии с поставленной целью с помощью инструментов СУБД. Цель эксперимента может быть сформирована на основании общей цели моделирования и с учетом требований конкретного пользователя. Например, имеется школьная база данных. Общая цель создания этой модели — управление школой. В школу обратился представитель военкомата с просьбой выдать список юношей, достигших 16-летнего возраста. Он не имеет никакого отношения к школе, но на основании его запроса можно осуществить эксперимент для выборки нужной информации. Инструментарий среды позволяет выполнять следующие операции над данными:
Управление информационной моделью неразрывно связано с разработкой различных критериев поиска и сортировки данных. В отличие от бумажных картотек, где сортировка возможна по одному-двум критериям, а поиск вообще проводится вручную — перебором карточек, компьютерные базы данных позволяют задавать любые формы сортировки по различным полям и разнообразные критерии поиска. Компьютер мгновенно по заданному критерию отсортирует или выберет нужную информацию. Для успешной работы с информационной моделью программные среды баз данных позволяют создавать расчетные поля, в которых исходная информация преобразуется в другой вид. Например, по дате рождения с помощью специальной встроенной функции можно рассчитать возраст (количество полных лет). Или по росту человека определить, насколько он выше среднего. Такие расчетные поля используются либо как дополнительная информация, либо как критерий для поиска и сортировки. Работая с инструментарием баз данных интегрированной среды Works, вы освоили технологические приемы, позволяющие выполнить описанные операции. Компьютерный эксперимент включает две стадии: тестирование (проверка правильности выполнения операций) и проведение эксперимента с реальными данными. После составления формул для расчетных полей и фильтров необходимо убедиться в правильности их работы. Для этого можно ввести тестовые записи, для которых заранее известен результат операции. Подбор исходных данных для тестирования — это очень важное умение, которое приходит с опытом. Компьютерный эксперимент завершается выдачей результатов в удобном для анализа и принятия решения виде. Одно из преимуществ компьютерных информационных моделей — возможность создания различных форм представления выходной информации, называемых отчетами. Каждый отчет содержит информацию, отвечающую цели конкретного эксперимента. Удобство компьютерных отчетов заключается в том, что они позволяют сгруппировать информацию по заданным признакам, ввести итоговые поля подсчета записей по группам и в целом по всей базе и в дальнейшем использовать эту информацию для принятия решения. Среда позволяет создать и хранить несколько типовых, часто используемых форм отчетов. По результатам некоторых экспериментов можно создать временный отчет, который удаляется после копирования его в текстовый документ или распечатки. Некоторые эксперименты вообще не требуют составления отчета. Например, требуется выбрать самого высокого юношу в школе. Для этого достаточно провести сортировку по параметру «пол» (отделить мальчиков от девочек), потом по параметру «рост» (в порядке убывания). Искомую информацию будет содержать первая запись в списке мальчиков. Анализ результатов моделирования Конечный пункт всякого моделирования — принятие решения. Полученные в результате компьютерных экспериментов различные формы представления данных позволяют сделать выводы на основе анализа информации, представленной в отчетах. Иногда в процессе работы появляется необходимость дополнить базу новыми полями исходных данных для более полной характеристики объектов, т. е. принимается решение о корректировке информационной модели. Среда СУБД позволяет сделать это. В результате получается новая уточненная модель.
|
|
Одним из наиболее часто используемых типов информационных моделей является прямоугольная таблица, которая состоит из столбцов и строк. Такой тип моделей применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковыми наборами свойств. С помощью таблиц могут быть построены как статические, так и динамические информационные модели в различных предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и так далее. В табличной информационной модели обычно перечень объектов размещен в ячейках первого столбца таблицы, а значения их свойств — в других столбцах. Иногда используется другой вариант размещения данных в табличной модели, когда перечень объектов размещается в первой строке таблицы, а значения их свойств — в последующих строках. Подобным образом организованы таблицы истинности логических функций.
Построим табличную информационную модель «Цены устройств компьютера». В первом столбце таблицы будет содержаться перечень однотипных объектов (устройств, входящих в состав компьютера), а во втором — интересующее нас свойство (например, цена) — табл. 4.1. Построенная табличная модель позволяет оценить долю стоимости отдельных устройств в цене компьютера и приобрести за минимальную цену компьютер в наиболее производительной конфигурации. Таблица 4.1. Цены устройств компьютера на конец 2001 г.
Табличные информационные модели проще всего строить и исследовать на компьютере с помощью электронных таблиц и систем управления базами данных. Визуализируем полученную табличную модель путем построения диаграммы в электронных таблицах. 1. Ввести наименования устройств и их цены в столбцы электронной таблицы. Отсортировать данные по столбцу Цена в порядке убывания. Построить круговую диаграмму.
Доля цены комплектующих в компьютере Анализ модели показывает, что увеличение расходов на приобретение более быстрого процессора и увеличение объема оперативной памяти не приведут к заметному увеличению цены компьютера, но позволят существенно повысить его производительность. Представление объектов и их свойств в форме таблицы часто используется в научных исследованиях. Так, на развитие химии и физики решающее влияние оказало создание Д. И. Менделеевым в конце XIX века периодической системы элементов, которая представляет собой табличную информационную модель. В этой модели химические элементы располагаются в ячейках таблицы по возрастанию атомных весов, а в столбцах — по количеству валентных электронов, причем по положению в таблице можно определить некоторые физические и химические свойства элементов. На уроках химии часто используется печатный вариант периодической системы элементов. Компьютерная модель системы более удобна, так как в интерактивном режиме позволяет знакомиться с различными физическими и химическими свойствами химических элементов (атомная масса, электропроводность, плотность и так далее), уравнивать химические реакции, решать стандартные химические задачи на нахождение массы веществ, участвующих в реакции, и др. Периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева 1. Запустить программу Table. С помощью меню Отображать выбрать физическое или химическое свойство элементов, значение которого будет выводиться в ячейки таблицы. 2. Для ознакомления с физическими и химическими свойствами элемента осуществить двойной щелчок на ячейке с названием элемента. На появившейся информационной панели элемента выбрать одну из вкладок со свойствами. Вопросы для размышления 1. Какие системы объектов целесообразно и возможно представлять с помощью табличных моделей?
|
|
Нас окружает множество различных объектов, каждый из которых обладает определенными свойствами. Однако некоторые группы объектов имеют одинаковые общие свойства, которые отличают их от объектов других групп.Группа объектов, обладающих одинаковыми общими свойствами, называется классом объектов. Внутри класса объектов могут быть выделены подклассы,, объекты которых обладают некоторыми особенными свойствами, в свою очередь подклассы могут делиться на еще более мелкие группы и так далее. Такой процесс систематизации объектов называется процессом классификации. В процессе классификации объектов часто строятся информационные модели, которые имеют иерархическую структуру. В биологии весь животный мир рассматривается как иерархическая система (тип, класс, отряд, семейство, род, вид), в информатике используется иерархическая файловая система и так далее. Статическая иерархическая модель. Рассмотрим процесс построения информационной модели, которая позволяет классифицировать современные компьютеры. Класс Компьютеры можно разделить на три подкласса: Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры. Компьютеры, входящие в подкласс Суперкомпьютеры, отличаются сверхвысокой производительностью и надежностью и используются в крупных научно-технических центрах для управления процессами в реальном масштабе времени. Компьютеры, входящие в подкласс Серверы, обладают высокой производительностью и надежностью и используются в качестве серверов в локальных и глобальных сетях. Компьютеры, входящие в подкласс Персональные компьютеры, обладают средней производительностью и надежностью и используются в офисах и дома для работы с различными приложениями. Подкласс Персональные компьютеры делится, в свою очередь, на Настольные, Портативные и Карманные компьютеры. В иерархической структуре элементы распределяются по уровням, от первого (верхнего) уровня до нижнего (последнего) уровня. На первом уровне может располагаться только один элемент, который является «вершиной» иерархической структуры. Основное отношение между уровнями состоит в том, что элемент более высокого нескольких элементов нижнего уровня, при этом каждый элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента верхнего уровня.
В рассмотренной иерархической модели, классифицирующей компьютеры, имеются три уровня. На первом, верхнем, уровне располагается элемент Компьютеры, в него входят три элемента второго уровня Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры. В состав последнего входят три элемента третьего, нижнего, уровня Настольные, Портативные и Карманные компьютеры. Изображение информационной модели в форме графа. Граф является удобным способом наглядного представления структуры информационных моделей. Вершины графа (овалы) отображают элементы системы. Элементы верхнего уровня находятся в отношении «состоять из» к элементам более низкого уровня. Такая связь между элементами отображается в форме дуги графа (направленной линии в форме стрелки). Графы, в которых связи между объектами несимметричны (как в данном случае), называются ориентированными. Построим теперь компьютерную модель Компьютеры с использованием приложения Иерархика, которое позволяет создавать иерархические модели. Изобразим иерархическую модель, классифицирующую компьютеры, в виде графа (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Классификация компьютеров Полученный граф напоминает дерево, которое растет сверху вниз, поэтому иерархические графы иногда называют деревьями. Иерархическая модель Компьютеры
Динамическая иерархическая модель. Для описания исторического процесса смены поколений семьи используются динамические информационные модели в форме генеалогического Дерева. В качестве примера можно рассмотреть фрагмент (Х-Х1 века) генеалогического дерева династии Рюриковичей (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Генеалогическое дерево Рюриковичей (Х-Х1 века)
Вопросы для размышления 1. Какие системы объектов целесообразно и возможно представлять с помощью иерархических моделей?
|
| Сетевые информационные модели применяются для отражения систем со сложной структурой, в которых связи между элементами имеют произвольный характер. Например, различные региональные части глобальной компьютерной сети Интернет (американская, европейская, российская, австралийская и так далее) связаны между собой высокоскоростными линиями связи. При этом одни части (например, американская) имеют прямые связи со всеми региональными частями Интернета, а другие могут обмениваться информацией между собой только через американскую часть (например, российская и австралийская). Построим граф, который отражает структуру глобальной сети Интернет (рис. 4.7). Вершинами графа являются региональные сети. Связи между вершинами носят двусторонний характер и поэтому изображаются ненаправленными линиями (ребрами), а сам граф поэтому называется неориентированным. Представленная сетевая информационная модель является статической моделью. С помощью сетевой динамической модели можно, например, описать процесс передачи мяча между игроками в коллективной игре (футболе, баскетболе и так далее).
Рис. 4.7 Сетевая структура глобальной сети Internet
|
