Автоматизированные информационные системы
Покупка
Тематика:
Общая информатика
Автор:
Норенков Игорь Петрович
Год издания: 2011
Кол-во страниц: 341
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-3446-6
Артикул: 413119.02.99
Доступ онлайн
1 800 ₽
В корзину
Рассмотрены вопросы построения автоматизированных информационных систем и их применения в различных сферах деятельности человека. Основное внимание уделено описанию структур, функций, методов анализа и синтеза решений в автоматизированных системах проектирования и управления, их математического, технического, программного и лингвистического обеспечения.
Содержание книги соответствует курсу лекций, читаемому автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов, обучающихся по направлению "Информатика и вычислительная техника". Может быть полезно аспирантам и специалистам, чья деятельность связана с автоматизацией и информатизацией процессов проектирования и управления в машиностроении и радиоэлектронике.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 09.03.01: Информатика и вычислительная техника
- 09.03.02: Информационные системы и технологии
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
УДК 681.518(075.8)
ББК 32.965
Н82
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Информационные технологии и автоматизированные системы»
Московского государственного института электроники и математики (ТУ)
(зав. кафедрой д-р техн. наук, лауреат премии Правительства РФ
в области науки и техники С.Р. Тумковский);
д-р техн. наук, проф. Н.Б. Филимонов
Норенков И. П.
Н82 Автоматизированные информационные системы : учеб. пособие /
И. П. Норенков. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. —
342 [2] c. : ил. — (Информатика в техническом университете).
ISBN 978-5-7038-3446-6
Рассмотрены вопросы построения автоматизированных информационных
систем и их применения в различных сферах деятельности человека. Основное внимание уделено описанию структур, функций, методов анализа и синтеза решений в автоматизированных системах проектирования и управления,
их математического, технического, программного и лингвистического обеспечения.
Содержание книги соответствует курсу лекций, читаемому автором в
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника». Может быть полезно аспирантам и специалистам, чья
деятельность связана с автоматизацией и информатизацией процессов проектирования и управления в машиностроении и радиоэлектронике.
УДК 681.518(075.8)
ББК 32.965
© Норенков И.П., 2011
© Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-3446-6
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1. АРХИТЕКТУРА И ФУНКЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1.1. Автоматизированные информационные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2. Системы автоматизированного проектирования в машиностроении . . . . 23 1.3. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике . . . . 35 1.4. Автоматизированные системы управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 1.5. Автоматизированные системы в непромышленной сфере . . . . . . . . . . . . 68 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ . . . . 93 2.1. Аппаратура автоматизированных информационных систем . . . . . . . . . . . 93 2.2. Вычислительные сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 2.3. Программное и информационное обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Контрольные вопросы и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 3.1. Математический аппарат, используемый в моделях разных иерархических уровней . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 3.2. Типичные проектные процедуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 3.3. Моделирование на микроуровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 3.4. Моделирование на макроуровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 3.5. Моделирование на функционально-логическом уровне . . . . . . . . . . . . . 185 3.6. Моделирование на системном уровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 3.7. Геометрическое моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Контрольные вопросы и упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ 224 4.1. Задачи и методы оптимизации и структурного синтеза . . . . . . . . . . . . . 224 4.2. Интеллектуальные методы и средства в автоматизированных информационных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 4.3. Примеры применения методов структурного синтеза в автоматизированных информационных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 5. ИНТЕГРАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 5.1. Технологии CALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 5.2. Технологии построения интегрированных автоматизированных информационных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
ПРЕДИСЛОВИЕ Вычислительная техника, информационные технологии (ИТ) и системы связи, основанные на компьютерных технологиях, прочно заняли место одной из наиболее быстроразвивающихся отраслей промышленности в развитых странах. Под влиянием информационных и коммуникационных технологий меняется облик мира. Это влияние заключается в формировании обширных электронных хранилищ знаний и доступе к ним в любое время и в любом месте, в беспрецедентных возможностях коммуникаций людей с помощью Internet, в расширении интеллектуальных возможностей человека при принятии решений в процессах управления и проектирования и др. Чтобы адекватно использовать открывающиеся возможности информатизации, необходимо соответствующее кадровое обеспечение процессов развития ИТ. Выпускники вузов по соответствующим направлениям должны быть подготовлены к активному участию в процессах информатизации, знать проблемы информатики и вычислительной техники, обладать знаниями и владеть навыками разработки и применения методов и средств ИТ. Поэтому в учебные планы подготовки магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника» включена дисциплина «Современные проблемы информатики и вычислительной техники». Основной целью этой дисциплины является изучение состояния и тенденций развития передовых направлений информатики и вычислительной техники в их взаимосвязи. Рассматриваются архитектуры вычислительных систем и сетей, построение программных комплексов, модели и методы вычислений, системы искусственного интеллекта. Эти направления развития ИТ реализовались в автоматизированных информационных системах (АИС) различного назначения. Проблемы информатики и вычислительной техники — это прежде всего проблемы АИС, т. е. программно-аппаратных комплексов, предназначенных для решения определенной совокупности задач на основе взаимодействия человека и ЭВМ. Предлагаемое учебное пособие посвящено изучению проблем построения и применения АИС. В главе 1 описываются задачи и структура АИС, основное внимание уделяется автоматизированным системам управления и проектирования,
Предисловие используемым в промышленности. Кратко охарактеризованы системы, применяемые в непромышленной сфере. Глава 2 освещает вопросы выбора и (или) построения компонентов АИС — их программного и технического обеспечения. Рассматриваются жизненный цикл программных комплексов, современные средства их разработки, автоматизированные рабочие места пользователей, объединение аппаратных средств в вычислительные сети. Главы 3 и 4 посвящены проблемам математического обеспечения АИС. Подходы и методы решения задач анализа и моделирования исследуемых или проектируемых объектов излагаются в главе 3, а методы оптимизации, структурного синтеза и принятия решений — в главе 4. Глава 5 посвящена вопросам интеграции АИС. Рассматриваются проблемы взаимодействия отдельных систем в общих средах проектирования и управления жизненным циклом промышленной продукции на основе CALS-технологий.
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ АИС — автоматизированная информационная система АКД — аппаратура окончания канала данных АОС — автоматизированная обучающая система АРМ — автоматизированное рабочее место АСД — автоматизированная система делопроизводства АСНИ — автоматизированная система научных исследований АСТПП — автоматизированная система технологической подготовки производства АСУ — автоматизированная система управления АСУП — автоматизированная система управления предприятием АСУТП — автоматизированная система управления технологическими процессами БД — база данных БИС — большая интегральная схема БМК — базовый матричный кристалл БнД — банк данных БУМ — база учебных материалов БЭФ — базовый элемент формы ВКС — встроенная компьютерная система ВОЛС — волоконно-оптическая линия связи ВС — вычислительная система ГИС — географическая информационная система ГП — графический процессор ЖЦИ — жизненный цикл изделий ИМ — информационная модель ИО — информационное обеспечение ИОС — информационно-образовательная среда ИСП — информационная система природопользования ИТ — информационные технологии ИЭТР — интерактивное электронное техническое руководство КА — конечный автомат КГиГМ — компьютерная графика и геометрическое моделирование КЭ — конечный элемент ЛВС — локальная вычислительная сеть МДКН/ОК — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов МИС — медицинская информационная система
МКЭ — метод конечных элементов ММС — математическая модель системы МТО — материально-техническое обеспечение ОА — обслуживающий аппарат ООД — оконечное оборудование данных ООП — объектно-ориентированное проектирование ОС — операционная система ПК — персональный компьютер ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема ПО — программное обеспечение РБД — распределенные базы данных РЭА — радиоэлектронная аппаратура САПР — система автоматизированного проектирования СБИС — сверхбольшая интегральная схема СДО — система документооборота СИМ — сетевая имитационная модель СЛАУ — система линейных алгебраических уравнений СМО — система массового обслуживания СНАУ — система нелинейных алгебраических уравнений СОДУ — система обыкновенных дифференциальных уравнений СУД — система управления документами ТЗ — техническое задание ТОиР — техническое обслуживание и ремонт ТПП — технологическая подготовка производства ЦП — центральный процессор ЧПУ — числовое программное управление ЭМВОС — эталонная модель взаимосвязи открытых систем ЭОР — электронный образовательный ресурс AIC — Application Interpreted Construct AP — Application Protocol API — Application Programming Interface ARPA — Advanced Research Projects Agency ASIC — Application Specific Integrated Circuits ASP — Application Service Provider BIST — Built-In Self-Test BOM — Bill Of Materials CAD — Computer Aided Design CAE — Computer Aided Engineering CALS — Continuous Acquisition and Lifecycle Support CAM — Computer Aided Manufacturing CAPP — Computer Aided Process Planning CASE — Computer Aided System Engineering CASE — Computer Aided Software Engineering CBR — Case-Based Reasoning CNC — Computerized Numerical Control CPLD — Complex Programmable Logic Device CRM — Customer Requirement Management CRP — Capacity Requirements Planning DSL — Domain Specific Language Список основных сокращений
DSS — Decision Support System DW — Data Warehouse EAI — Enterprise Application Integration ECAD — Electronics Computer Aided Design ERP — Enterprise Resource Planning FDDI — Fiber Distributed Data Interface FPGA — Field Programmable Gate Array GPSS — General Purpose Simulation System HDL — Hardware Description Language HTML — HyperText Markup Language HTTP — HyperText Transfer Protocol IDE — Integrated Development Environment IETM — Interactive Electronic Technical Manual IMS — Instructional Management System IP — Intellectual Property IP — Internet Protocol ISO — International Standard Organization LAN — Local Area Network MCAD — машиностроительная CAD-система MDA — Model Driven Architecture MDD — Model Driven Development MES — Manufacturing Execution System MPI — Message Passing Interface MRP — Material Requirement Planning MRP-2 — Manufacturing Resource Planning OLAP — OnLine Analitical Processing OMG — Object Management Group OWL — Ontology Web Language PDM — Product Data Management PLM — Product Lifecycle Management RTL — Register Transfer Level RUP — Rational Unified Process SCADA — Supervisory Control and Data Acquisition SCM — Supply Chain Management SCORM — Shareable Content Object Reference Model SMP — Symmetric Multiprocessor SOA — Service-Oriented Architecture SoC — System-on-Chip STEP — Standard for Exchange of Product model data TCP — Transport Control Protocol TLM — Transaction Level Modeling UML — Unified Modeling Language URL — Universal Resource Locator WAN — Wide Area Network Wi-Fi — Wireless Fidelity WWW — World Wide Web Список основных сокращений
1. АРХИТЕКТУРА И ФУНКЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ Среди автоматизированных информационных систем (АИС) наиболее наукоемкими являются системы автоматизированного проектирования (САПР). Обычно САПР определяют, как организационно-техническую систему, представляющую собой комплекс средств автоматизированного проектирования, взаимосвязанный с подразделениями проектной организации и выполняющий автоматизированное проектирование. По своей структуре САПР являются иерархически организованными, многофункциональными системами, состоящими из большого числа подсистем. Наибольшее развитие САПР получили в областях машиностроения и радиоэлектроники. Не менее значимы для промышленного производства автоматизированные системы управления (АСУ ), которые также являются иерархическими многофункциональными системами, позволяющими существенно повысить эффективность управления сложными производственными процессами. В последнее время автоматизация охватывает большинство сфер деятельности людей, появляются АИС в непромышленных областях и прежде всего в экологии, медицине, социологии и др. В главе рассматриваются наиболее общие вопросы проектирования АИС. Материал носит обзорный характер. Излагаются типичные функции и структуры систем, приводятся краткие сведения из истории появления и развития основных типов АИС. 1.1. Автоматизированные информационные системы Проблемы развития информационных технологий. Достижения в области информационных технологий (ИТ) оказывают непосредственное влияние на состояние и перспективы развития большинства других направлений науки и промышленности. Являясь катализатором прогресса в различных сферах деятельности человека, ИТ сами интенсивно развиваются. Проблемы развития ИТ и реализующих их АИС сосредоточены в ряде направлений, относящихся как к программно-аппаратному, так и к математическому и методическому обеспечению АИС. Это проблемы роста
эффективности компьютеров и вычислительных сетей, технологий программной инженерии, методов моделирования, оптимизации и принятия решений, интеллектуальных технологий и т. п. Повышение производительности и объема памяти компьютеров наиболее ярко представлено в процессах совершенствования суперкомпьютеров. К настоящему времени сохраняется справедливость феноменологического закона Мура, который гласит, что максимальное число транзисторов в отдельной интегральной схеме (ИС) удваивается каждые 24 месяца, поскольку в той же мере снижаются проектные нормы ИС. Как следствие, также экспоненциально увеличивается производительность компьютеров. В ХХ в. этот закон был применим и к тактовой частоте микропроцессоров. Сегодня возможности существенного увеличения тактовой частоты исчерпаны, но пока еще продолжается повышение производительности компьютеров за счет построения многоядерных микропроцессоров и роста числа процессоров в суперкомпьютерах и серверах. Однако уже близок предел возможного уменьшения проектных норм, поскольку их значения приближаются к значениям межатомных расстояний в кристаллах ИС. Мировой лидер по производительности в июне 2009 г. — суперкомпьютер IBM Roadrunner BladeCenter — был построен на 130 тыс. процессоров и имел производительность более 1,1 Pflop/s. Этот гигант занимает площадь приблизительно в 1100 м2, весит около 226 т, потребляет 3,9 MВт электроэнергии и стоит 133 млн долл. В 2010 г. лидерство захватил китайский суперкомпьютер Tianhe-1A с производительностью 1,76 Pflop/s. Суперкомпьютеры ориентированы в первую очередь на решение уникальных по сложности задач в таких областях, как экология, предсказание погоды, астрономия, моделирование последствий техногенных катастроф или ядерных конфликтов, исследование механизмов наследственности в живых организмах и т. п. Для решения повседневных задач используется альтернатива столь дорогим и громоздким суперкомпьютерам в виде персональных компьютеров (ПК) и компьютеров, встроенных в управляемое оборудование, каковым могут быть мобильные телефоны, медицинские роботы, станки, транспортные средства и т. д. Следует отметить, что в настоящее время появились персональные системы, производительность которых соответствует нашим представлениям о суперкомпьютерах 8—10-летней давности. Это так называемые персональные суперкомпьютеры. Успех их применения связан с разработкой и освоением технологий параллельного программирования. Дальнейшая миниатюризация компьютеров с одновременным ростом их производительности зависит от достижений в области элементной базы ЭВМ, а развитие элементной базы, в свою очередь, определяется достижениями в микро- и наноэлектронике и выражается в уменьшении 1. Архитектура и функции автоматизированных информационных систем
проектных норм и энергопотребления интегральных схем, хотя, по-видимому, уже близок возможный предел их сокращения в рамках существующих подходов. Пока мы наблюдаем рост технологических возможностей микроэлектроники. Так, если в 2002 г. ведущие компании полупроводниковой индустрии использовали технологии изготовления сверхбольших интегральных схем (СБИС) с проектными нормами 90 нм, в 2005 г. — 70 нм и в 2006 г. перешли на 65-нм технологию, то в начале 2008 г. компания IBM представила первый процессор, изготовленный по 32-нм технологии, а в конце того же года заявила о создании ячейки памяти с нормами уже 22 нм. Компания Intel планирует к 2022 г. достичь проектных норм 4 нм. Продолжается поиск принципиально новых подходов, но пока практическая реализация конкурентоспособных квантовых или оптических вычислителей остается проблематичной. Повышение эффективности связи человека с компьютером ожидается за счет использования новых принципов и создания средств интерфейса «человек — ЭВМ», включая непосредственные связи «мозг — ЭВМ», устройства трехмерной визуализации, гибкие экраны и др. Развитие телекоммуникационных технологий происходит благодаря развитию методов и средств, во-первых, вычислений, во-вторых, связи, в-третьих, распределенных баз и хранилищ информации. Технологии распределенных вычислений основаны на рациональной загрузке сетевых ресурсов и (или) совместном использовании распределенных ресурсов вычислительных сетей. Актуальны вопросы совершенствования кластерных структур, технологий GRID и облачных вычислений. Так, технологии GRID можно трактовать как способы создания сверхмощных виртуальных суперкомпьютеров, которые могут превосходить реальные суперкомпьютеры по показателям производительности, масштабируемости, доступности при существенно меньших затратах средств. По мере роста производительности компьютеров и увеличения объема информационных ресурсов в серверах Internet возрастают требования к пропускной способности линий и каналов передачи данных. Сказывается ограниченность адресного пространства протокола IPv4, что инициировало переход к технологиям Internet-2 и Web-2 с расширенным адресным пространством по протоколу IPv6, с увеличенной скоростью передачи информации от 10 Гбит/с и выше и с адаптацией к требованиям пользователей. Идея компьютерной связи между людьми, имеющими мгновенный доступ к программам и базам данных (БД) из любой точки земного шара, была высказана Д. Ликлайдером еще в далеком 1962 г. В 1981 г. Т. Нельсон попытался создать систему Xanadu как глобальную библиотеку, принимающую и делающую доступными любые литературные произведения и документы, написанные кем-либо и когда-либо. Проект Xanadu так и не 1.1. Автоматизированные информационные системы
Доступ онлайн
1 800 ₽
В корзину