Глава 9. Применения информатики и компьютерной техники

9.1. Как используются компьютеры в быту?

9.2. Что такое системы автоматизированного проектирования (САПР)?

9.3. Что такое автоматизированные системы научных исследований (АСНИ)?

9.4. Какая взаимосвязь между АСНИ и САПР?

9.5. Что такое базы знаний и экспертные системы?

9.6. Как используются компьютеры в административном управлении?

9.7. Какую роль играют компьютеры в обучении?

9.8. Какую роль играют компьютеры в управлении технологическими процессами?

9.9. Какую роль играют компьютеры в медицине?

9.10. Как используются компьютеры в торговле?

9.11. Что такое электронные деньги?

9.12. Как применяются компьютеры в сельском хозяйстве?

9.13. Вопросы для самоконтроля

9.1. Как используются компьютеры в быту?

В последнее время компьютеры <проникли> в жилища людей и постепенно становятся предметами первой необходимости. Есть два основных направления использования компьютеров дома.

1. Обеспечение нормальной жизнедеятельности жилища:

o охранная автоматика, противопожарная автоматика, газоанализаторная автоматика;

o управление освещенностью, расходом электроэнергии, отопительной системой, управление микроклиматом;

o электроплиты, холодильники, стиральные машины со встроенными микропроцессорами.

2. Обеспечение информационных потребностей людей, находящихся в жилище:

§ заказы на товары и услуги;

§ процессы обучения;

§ общение с базами данных и знаний;

§ сбор данных о состоянии здоровья;

§ обеспечение досуга и развлечений;

§ обеспечение справочной информацией;

§ электронная почта, телеконференции;

§ Интернет.

9.2. Что такое системы автоматизированного проектирования (САПР)?

Системы САПР широко используются в архитектуре, электронике, энергетике, механике и др. В процессе автоматизированного проектирования в качестве входной информации используются технические знания специалистов, которые вводят проектные требования, уточняют результаты, проверяют полученную конструкцию, изменяют ее и т.д. Кроме того, в САПР накапливается информация, поступающая из библиотек стандартов (данные о типовых элементах конструкций, их размерах, стоимости и др.). В процессе проектирования разработчик вызывает определенные программы и выполняет их. Из САПР информация выдается в виде готовых комплектов законченной технической и проектной документации.

9.3. Что такое автоматизированные системы научных исследований (АСНИ)?

В настоящее время научные исследования во многих областях знаний проводят большие коллективы ученых, инженеров и конструкторов с помощью весьма сложного и дорогого оборудования.

Большие затраты ресурсов для проведения исследований обусловили необходимость повышения эффективности всей работы.

Эффективность научных исследований в значительной степени связана с уровнем использования компьютерной техники.

Компьютеры в АСНИ используются в информационно-поисковых и экспертных системах, а также решают следующие задачи:

• управление экспериментом;
• подготовка отчетов и документации;
• поддержание базы экспериментальных данных и др.

В результате применения АСНИ возникают следующие положительные моменты:

• в несколько раз сокращается время проведения исследования;
• увеличивается точность и достоверность результатов;
• усиливается контроль за ходом эксперимента;
• сокращается количество участников эксперимента;
• повышается качество и информативность эксперимента за счет увеличения числа контролируемых параметров и более тщательной обработки данных;

результаты экспериментов выводятся оперативно в наиболее удобной форме — графической или символьной (например, значения функции многих переменных выводятся средствами машинной графики в виде так называемых «горных массивов»). На экране одного графического монитора возможно формирование целой системы приборных шкал (вольтметров, амперметров и др.), регистрирующих параметры экспериментального объекта.

9.4. Какая взаимосвязь между АСНИ и САПР?

Каждая из систем АСНИ и САПР, конечно, имеет свою специфику и отличается поставленными целями и методами их достижения. Однако очень часто между обоими типами систем обнаруживается тесная связь, и их роднит не только то, что они реализуются на базе компьютерной техники.

Например, в процессе проектирования может потребоваться выполнение того или иного исследования, и, наоборот, в ходе научного исследования может возникнуть потребность и в конструировании нового прибора и в проектировании научного эксперимента.

Такая взаимосвязь приводит к тому, что на самом деле «чистых» АСНИ и САПР не бывает: в каждой из них можно найти общие элементы. С повышением их интеллектуальности они сближаются. В конечном счете и те и другие должны представлять собой экспертную систему, ориентированную на решение задач конкретной области.

9.5. Что такое базы знаний и экспертные системы?

Базы знаний чаще всего используются в контексте экспертных систем, где с их помощью представляются навыки и опыт экспертов, занятых практической деятельностью в соответствующей области (например, в медицине или в математике). Обычно база знаний представляет собой совокупность правил вывода.

Экспертные системы должны:

• хранить знания об определенной предметной области (факты, описания событий и закономерностей);
• уметь общаться с пользователем на ограниченном естественном языке (т.е. задавать вопросы и понимать ответы);
• обладать комплексом логических средств для выведения новых знаний, выявления закономерностей, обнаружения противоречий;
• ставить задачу по запросу, уточнять её постановку и находить решение;
• объяснять пользователю, каким образом получено решение.

Желательно также, чтобы экспертная система могла:

• сообщать такую информацию, которая повышает доверие пользователя к экспертной системе;
• «рассказывать» о себе, о своей собственной структуре.

Экспертные системы могут использоваться в различных областях — медицинской диагностике, при поиске неисправностей, разведке полезных ископаемых, выборе архитектуры компьютерной cистемы и т.д.

9.6. Как используются компьютеры в административном
управлении?

Основные применения компьютеров в административном управлении следующие.

Электронный офис. Это система автоматизации работы учреждения, основанная на использовании компьютерной техники. В нее обычно входят такие компоненты, как:

§ текстовые редакторы;

§ интегрированные пакеты программ;

§ электронные таблицы;

§ системы управления базами данных;

§ графические редакторы и графические библиотеки (для получения диаграмм, схем, графиков и др.);

§ электронные записные книжки;

§ электронные календари с расписанием деловых встреч, заседаний и др.;

• электронные картотеки, обеспечивающие каталогизацию и поиск документов (писем, отчетов и др.) с помощью компьютера;
• автоматические телефонные справочники, которые можно листать на экране, установить курсором нужный номер и соединиться.

Более подробно многие из перечисленных компонент описаны в главе 6 «Программное обеспечение».

Автоматизация документооборота с использованием специальных электронных устройств:

• адаптера (лат. adaptare — приспособлять) связи с периферийными устройствами, имеющего выход на телефонную линию;

сканера (англ. scan — поле зрения) для ввода в компьютер документов — текстов, чертежей, графиков, рисунков, фотографий.

Электронная почта. Это система пересылки сообщений между пользователями вычислительных систем, в которой компьютер берет на себя все функции по хранению и пересылке сообщений. Для осуществления такой пересылки отправитель и получатель не обязательно должны одновременно находиться у дисплеев и не обязательно должны быть подключены к одному компьютеру.

Отправитель сообщения прежде всего запускает программу отправки почты и создает файл сообщения. Затем это сообщение передается в систему пересылки сообщений, которая отвечает за его доставку адресатам. Спустя некоторое время сообщение доставляется адресату и помещается в его «почтовый ящик», размещенный на магнитном диске. Затем получатель запускает программу, которая извлекает полученные сообщения, заносит их в архив и т.п.

Система контроля исполнения приказов и распоряжений.

Система телеконференций. Это основанная на использовании компьютерной техникисистема, позволяющая пользователям, несмотря на их взаимную удаленность в пространстве, а иногда, и во времени, участвовать в совместных мероприятиях,таких, как организация и управление сложными проектами.

Пользователи обеспечиваются терминалами (обычно это дисплеи и клавиатуры ), подсоединенными к компьютеру, которые позволяют им связываться с другими членами группы. Для передачи информации между участниками совещания используются линии связи.

Работа системы регулируется координатором, в функции которого входит организация работы участников совещания, обеспечение их присутствия на совещании и передача сообщаемой ими информации другим участникам совещания.

В некоторых системах телеконференцсвязи участники имеют возможность «видеть» друг друга, что обеспечивается подсоединенными к системам телевизионными камерами и дисплеями.

9.7. Какую роль играют компьютеры в обучении?

Процесс подготовки квалифицированных специалистов длителен и сложен. Обучение в средней школе и затем в вузе занимает почти треть продолжительности жизни человека. К тому же в современном информационном обществе знания очень быстро стареют. Чтобы быть способным выполнять ту или иную профессиональную деятельность, специалисту необходимо непрерывно пополнять своё образование.

Поэтому в наше время основная задача среднего и высшего этапов образования состоит не в том, чтобы сообщить как можно больший объем знаний, а в том, чтобы научить эти знания добывать самостоятельно и творчески применять для получения нового знания. Реально это возможно лишь с введением в образовательный процесс средств новых информационных технологий (СНИТ), ориентированных на реализацию целей обучения и воспитания.

Рассмотрим основные перспективные направления использования СНИТ в образовании [52, 53].

1. Автоматизированные обучающие системы (АОС) — комплексы программно-технических и учебно-методических средств, обеспечивающих активную учебную деятельность. АОС обеспечивают не только обучение конкретным знаниям, но и проверку ответов учащихся, возможность подсказки, занимательность изучаемого материала и др.

АОС представляют собой сложные человеко-машинные системы, в которых объединяется в одно целое ряд дисциплин: дидактика (научно обосновываются цели, содержание, закономерности и принципы обучения); психология (учитываются особенности характера и душевный склад обучаемого); моделирование, машинная графика и др.

Основное средство взаимодействия обучаемого с АОС — диалог. Диалогом с обучающей системой может управлять как сам обучаемый, так и система. В первом случае обучаемый сам определяет режим своей работы с АОС, выбирая способ изучения материала, который соответствует его индивидуальным способностям. Во втором случае методику и способ изучения материала выбирает система, предъявляя обучаемому в соответствии со сценарием кадры учебного материала и вопросы к ним. Свои ответы обучаемый вводит в систему, которая истолковывает для себя их смысл и выдает сообщение о характере ответа. В зависимости от степени правильности ответа, либо от вопросов обучаемого система организует запуск тех или иных путей сценария обучения, выбирая стратегию обучения и приспосабливаясь к уровню знаний обучаемого.

2. Экспертные обучающие системы (ЭОС). Реализуют обучающие функции и содержат знания из определенной достаточно узкой предметной области. ЭОС располагают возможностями пояснения стратегии и тактики решения задачи изучаемой предметной области и обеспечивают контроль уровня знаний, умений и навыков с диагностикой ошибок по результатам обучения.

3. Учебные базы данных (УБД) и учебные базы знаний (УБЗ), ориентированные на некоторую предметную область. УБД позволяют формировать наборы данных для заданной учебной задачи и осуществлять выбор, сортировку, анализ и обработку содержащейся в этих наборах информации. В УБЗ, как правило, содержатся описание основных понятий предметной области, стратегия и тактика решения задач; комплекс предлагаемых упражнений, примеров и задач предметной области, а также перечень возможных ошибок обучаемого и информация для их исправления; база данных, содержащая перечень методических приемов и организационных форм обучения.

4. Системы Мультимедиа. Позволяют реализовать интенсивные методы и формы обучения, повысить мотивацию обучения за счет применения современных средств обработки аудиовизуальной информации, повысить уровень эмоционального восприятия информации, сформировать умения реализовывать разнообразные формы самостоятельной деятельности по обработке информации.

Системы Мультимедиа широко используются с целью изучения процессов различной природы на основе их моделирования. Здесь можно сделать наглядной невидимую обычным глазом жизнь элементарных частиц микромира при изучении физики, образно и понятно рассказать об абстрактных и n-мерных мирах, доходчиво объяснить, как работает тот или иной алгоритм и т.п. Возможность в цвете и со звуковым сопровождением промоделировать реальный процесс поднимает обучение на качественно новую ступень.

Кадры учебного компьютерного фильма "Топология и механика" изображают
гиперсферу, аналог обычной сферы в четырехмерном пространстве.

5. Системы <Виртуальная реальность>.Применяются при решении конструктивно-графических, художественных и других задач, где необходимо развитие умения создавать мысленную пространственную конструкцию некоторого объекта по его графическому представлению; при изучении стереометрии и черчения; в компьютеризированных тренажерах технологических процессов, ядерных установок, авиационного, морского и сухопутного транспорта, где без подобных устройств принципиально невозможно отработать навыки взаимодействия человека с современными сверхсложными и опасными механизмами и явлениями.

6. Образовательные компьютерные телекоммуникационные сети. Позволяют обеспечить дистанционное обучение (ДО) — обучение на расстоянии, когда преподаватель и обучаемый разделены пространственно и (или) во времени, а учебный процесс осуществляется с помощью телекоммуникаций, главным образом, на основе средств сети Интернет. Многие люди при этом получают возможность повышать образование на дому (например, взрослые люди, обремененные деловыми и семейными заботами, молодежь, проживающая в сельской местности или небольших городах). Человек в любой период своей жизни обретает возможность дистанционно получить новую профессию, повысить свою квалификацию и расширить кругозор, причем практически в любом научном или учебном центре мира.

В образовательной практике находят применение все основные виды компьютерных телекоммуникаций: электронная почта, электронные доски объявлений, телеконференции и другие возможности Интернета. ДО предусматривает и автономное использование курсов, записанных на видеодиски, компакт-диски и т.д. Компьютерные телекоммуникации обеспечивают:

• возможность доступа к различным источникам информации через систему Internet и работы с этой информацией;
• возможность оперативной обратной связи в ходе диалога с преподавателем или с другими участниками обучающего курса;
• возможность организации совместных телекоммуникационных проектов, в том числе международных, телеконференций, возможность обмена мнениями с любым участником данного курса, преподавателем, консультантами, возможность запроса информации по любому интересующему вопросу через телеконференции.
• возможность реализации методов дистанционного творчества, таких как участие в дистанционных конференциях, дистанционный <мозговой штурм> сетевых творческих работ, сопоставительный анализ информации в WWW, дистантные исследовательские работы, коллективные образовательные проекты, деловые игры, практикумы, виртуальные экскурсии др.

Совместная работа стимулирует учащихся на ознакомление с разными точками зрения на изучаемую проблему, на поиск дополнительной информации, на оценку получаемых собственных результатов.

9.8. Какую роль играют компьютеры в управлении технологическими процессами?

Основных применений два:

• в гибких автоматизированных производствах (ГАП);
• в контрольно-измерительных комплексах.

В гибких автоматизированных производствах компьютеры (или микропроцессоры) решают следующие задачи:

• управление механизмами;
• управление технологическими режимами;
• управление промышленными роботами.

Применение компьютеров в управлении технологическими процессами оправдано тогда, когда существует потребность в частых изменениях реализуемых функций. Пример гибких автоматизированных производств — заводы-роботы в Японии.

Одной из новых областей является создание на основе персональных компьютеров контрольно-измерительной аппаратуры, с помощью которой можно проверять изделия прямо на производственной линии.

В развитых странах налажен выпуск программного обеспечения и специальных сменных плат, позволяющих превращать компьютер в высококачественную измерительную и испытательную систему.

Компьютеры, оснащенные подобным образом, могут использоваться в качестве запоминающих цифровых осциллографов, устройств сбора данных, многоцелевых измерительных приборов.

Применение компьютеров в качестве контрольно-измерительных приборов более эффективно, чем выпуск в ограниченных количествах специализированных приборов с вычислительными блоками.

В системах обработки данных и учреждениях обычно АРМ — это дисплей с клавиатурой, но может использоваться также и принтер, внешние запоминающее устройство и др.

9.9. Какую роль играют компьютеры в медицине?

Врачи используют компьютеры для многих важных применений. Назовем некоторые из них.

Компьютерная аппаратура широко используется при постановке диагноза, проведении обследований и профилактических осмотров. Примеры компьютерных устройств и методов лечения и диагностики:

	компьютерная томография и ядерная медицинская диагностика — дают точные послойные изображения структур внутренних органов;
	ультразвуковая диагностика и зондирование— используя эффекты взаимодействия падающих и отраженных ультразвуковых волн, открывает бесчисленные возможности для получения изображений внутренних органов и исследования их состояния;
	микрокомпьютерные технологии рентгеновских исследований — запомненные в цифровой форме рентгеновские снимки могут быть быстро и качественно обработаны, воспроизведены и занесены в архив для сравнения с последующими снимками этого пациента;
	задатчик (водитель) сердечного ритма;
	устройства дыхания и наркоза;
	лучевая терапия с микропроцессорным управлением — обеспечивает возможность применения более надежных и щадящих методов облучения;
	устройства диагностики и локализации почечных и желчных камней, а также контроля процесса их разрушения при помощи наружных ударных волн (литотрипсия);
	лечение зубов и протезирование с помощью компьютера; системы с микрокомпьютерным управлением для интенсивного медицинского контроля пациента.

Компьютерные сети используются для пересылки сообщений о донорских органах, в которых нуждаются больные, ожидающие операции трансплантации.

Банки медицинских данных позволяют медикам быть в курсе последних научных и практических достижений.

Компьютеры позволяют установить, как влияет загрязненность воздуха на заболеваемость населения данного района. Кроме того, с их помощью можно изучать влияние ударов на различные части тела, в частности, последствия удара при автомобильной катастрофе для черепа и позвоночника человека.

Рис 9.1. Организация работы в компьютеризированном
отделении лечебного учреждения

Компьютерная техника используется для обучения медицинских работников практическим навыкам. На этот раз компьютер выступает в роли больного, которому требуется немедленная помощь. На основании симптомов, выданных компьютером, обучающийся должен определить курс лечения. Если он ошибся, компьютер сразу показывает это.

Компьютеры используются для создания карт, показывающих скорость распространения эпидемий.

Компьютеры хранят в своей памяти истории болезней пациентов, что освобождает врачей от бумажной работы, на которую уходит много времени, и позволяет больше времени уделять самим больным.

На риcунках показано, как организуется работа в полностью компьютеризированном отделении лечебного учреждения. Применение компьютеров переводит медицину на иной, более высокий качественный уровень и способствует дальнейшему повышению уровня и качества жизни.

9.10. Как используются компьютеры в торговле?

В организации компьютерного обслуживания торговых предприятий большое распространение получил так называемый штриховой код (бар-код). Он представляет собой серию широких и узких линий, в которых зашифрован номер торгового изделия.

Бар-код

Этот номер записан на этикетке изделия дважды: в форме двух пятизначных чисел и в виде широких и узких линий. Первые пять цифр указывают фирму-поставщика, а другие пять — номер изделия в номенклатуре выпускаемых данной фирмой товаров.

Для печати штриховых кодов используются специальные приставки на обычных принтерах. Полученные коды считываются с помощью сканеров, преобразуются в электрические импульсы, переводятся в двоичный код и передаются в память компьютера.

Используя штриховой код, компьютер печатает на выдаваемом покупателю чеке название товара и его цену.

Информация о каждом имеющемся в магазине или на складе товаре занесена в базу данных. По запросу компьютер анализирует:

• количество оставшегося товара;
• правила его налогообложения;
• юридические ограничения на его продажу и др.

Одновременно с подачей сведений о проданном товаре на дисплей кассового аппарата компьютер производит соответствующую коррекцию (уточнение) товарной ведомости.

Обычно программное обеспечение устроено так, что сводная информация о наличии товаров выдается управляющему магазина к концу рабочего дня. Вместе с тем управляющий имеет возможность обновлять данные об изменении цен и поступлении новых партий товаров.

В перспективе торговля, по-видимому, превратится в компьютеризованную продажу товаров по заказам.

То же самое программное обеспечение, которое применяется для организации учета в торговле, можно использовать и для других целей, например для контроля наличия комплектующих изделий на заводской сборочной линии, учета сплавляемых по реке бревен и др.

9.11. Что такое электронные деньги?

Одной из важнейших составляющих информатизации становится переход денежно-кредитной и финансовой сферы к электронным деньгам.

Основные направления использования электронных денег следующие:

Торговля без наличных. Оплата производится с использованием кредитных карточек. Имея вместо наличных денег кредитную карточку, покупатель при любой покупке расплачивается не наличными, а автоматически снимает со своего счета в банке нужную сумму денег и пересылает ее на счет магазина. Система торговли без наличных POS (англ. Points of Sale System — система кассовых автоматов) выполняет следующие функции:

• верификацию кредитных карточек (т.е. удостоверение их подлинности);
• снятие денег со счета покупателя;
• перечисление их на счет продавца.

POS — наиболее массовая и показательная ветвь системы электронных денег. Она способна также обнаруживать малейшие хищения наличных денег и товаров. Сведения на кредитную карточку наносятся методом магнитной записи. В каждую кредитную карточку вставлена магнитная карта — носитель информации. На магнитную карту заранее записываются следующие данные:

• номер личного счета;
• название банка;
• страна;
• категория платёжеспособности клиента;
• размер предоставленного кредита и т.д.

Считается, что сами по себе кредитные карточки экономят 10% расходов на оплату товаров.

Разменные автоматы. Они устанавливаются банками только для своих клиентов, которым предварительно выданы кредитные карточки. Клиент вставляет в автомат кредитную карточку и набирает личный код и сумму, которую он желает иметь наличными. Автомат по банковской сети проверяет правильность кода, снимает указанную сумму со счета клиента и выдает её наличными. Часто несколько банков объединяются и создают общую сеть разменных автоматов.

Банковские сделки на дому. За небольшую месячную плату при наличии дома персонального компьютера и модема вкладчик может связываться через телефонную сеть с компьютеризованными банковскими организациями и получать от них богатый набор услуг.

Встречные зачёты. По всему миру активно внедряются электронные системы потребительского кредита и взаимных расчетов между банками по общему итогу. Такие системы реализуются в виде автоматических клиринговых (англ. clearing — очистка) вычислительных сетей ACH (Automated Clearing House). По сети идут не только банковские документы, но и информация, важная для принятия ответственных финансовых решений.

Оплата устно. Она заключается в оплате счетов по телефону с гарантированным опознаванием кредитора по паролю и голосу. Другой способ состоит в использовании устройства, способного передавать по телефону факсимильные изображения денежных чеков и счетов (факсимильный — от лат. fac simile, — точное воспроизведение подписи, документа и т.д. графическими средствами).

Наряду с очевидными и очень большими преимуществами с электронными деньгами связаны и сложные проблемы — от финансовых до правовых ("электронные ограбления", перелив электронных денег из одной страны в другую и др.). Электронные деньги есть неизбежный результат научно-технического прогресса в денежно-кредитной сфере.

9.12. Как применяются компьютеры в сельском хозяйстве?

Имея компьютер, фермер может легко и быстро рассчитать требуемое для посева количество семян и количество удобрений, спланировать свой бюджет и вести учет домашнего скота. Компьютерные системы могут планировать севооборот, расчитывать график полива сельхозкультур, управлять подачей корма скоту и выполнять много других полезных функций.

На наших глазах происходит технологическая революция в сельском хозяйстве — компьютеры и индивидуальные микродатчики позволяют контролировать состояние и режим каждого отдельного животного и растения. Это высвобождает значительные материальные и людские ресурсы, резко улучшает качество жизни человека.

В качестве примера приведем портативный компьютер AgGPS 170 компании Trimble, предназначенный для применения в самых тяжелых условиях, сопутствующих сельскохозяйственным работам. Этот компьютер можно использовать как в ручном варианте, так и монтировать в автомобиль. C его помощью можно управлять сельскохозяйственными работами, просматривать карты полей, регистрировать различные данные о состоянии почвы и посаженных сельскохозяйственных культур и др. Основные характеристики компьютера AgGPS 170:

• полностью герметичный и ударостойкий (выдерживает падение с высоты в 1,2 м);
• функционирует в температурном диапазоне от -30 до +60 градусов Цельсия;

Сельскохозяйственный
компьютер AgGPS 170

• ресурс работы от батарей — до 40 часов;
• данные сохраняются на съемном картридже памяти;
• работает под управлением ОС MS Windows CE; используется специальное программное обеспечение для сельского хозяйства;
• с помощью компьютера можно записывать рельеф местности и создавать полевые топографические карты, используя данные геоинформационных систем, вычислять площади полей и обрабатывать статистические данные по полевым работам;
• при соединении с системой разбрызгивателей компьютер может регистрировать данные о применении химикатов и автоматически генерировать соответствующие карты и отчеты;
• с помощью соответствующего ПО возможно регистрировать данные со считывателей штрих-кодов, датчиков слежения за состоянием окружающей среды и погоды и др.