计算机科学技术的研究范畴及其在各领域中的应用

计算机科学技术的研究范畴及在各领域的应用 本章主要内容 计算机科学技术的研究范畴 计算机在科学研究中的应用 计算机在教育 教学中的应用 计算机在制造业的应用 计算机在商业 银行 证券业中的应用 计算机在交通运输业中的应用 计算机在医学中的应用 计算机在办公自动化中的应用 8 1计算机科学技术的研究范畴 计算机科学主要的研究范畴包括计算机理论 计算机硬件 计算机软件 计算机网络及计算机应用等 1计算机理论的研究内容离散数学 主要研究数理逻辑 集合论 近似代数和图论等 算法分析理论 主要研究算法设计和分析中的数学方法与理论 形式语言与自动机理论 研究程序设计语言及自然语言的形式化定义 分类 结构等 研究识别各类语言的自动机模型及其相互关系 程序设计语言理论 运用数学和计算机科学的理论研究程序设计语言的基本规律 程序设计方法学 研究编制高质量程序的各种程序设计规范化方法 并研究程序正确性证明理论等 元器件与存储介质微电子技术计算机组成原理计算机体系结构微型计算机技术 程序设计语言的设计数据结构与算法程序设计语言翻译系统操作系统数据库系统算法设计与分析软件工程学可视化技术 计算机硬件的研究内容 网络结构数据通信与网络协议网络服务网络安全 软件开发工具完善既有的应用系统开拓新的应用领域人 机工程 计算机网络的研究内容 8 2计算机在科学研究中的应用 科学研究是计算机的传统应用领域 主要用来进行科技文献的存储与查询 仿真计算 虚拟现实 复杂现象的跟踪与分析以及知识发现等 一 计算机仿真技术1 定义 仿真就是应用计算机对复杂现实系统经过抽象和简化形成系统模型 然后在分析的基础上运行此模型 从而得到系统一系列的统计性能 2 优势 缩短决策时间 避免资金 人力和时间的浪费 可以重复进行 优化实施方案 具有很高的科学研究价值和巨大的经济效益 3 应用 首先由于仿真技术在应用上的安全性 使得航空 航天 核电站等成为仿真技术最早的和最主要的应用领域 特别是在军事领域 新型的武器系统 大型的航空航天飞行器在其设计 定型过程中 都要依靠仿真试验进行修改和完善 其次从仿真的经济性考虑 由于仿真往往是在计算机上模拟现实系统过程 并可多次重复运行 使得其经济性十分突出 采用模拟器培训工作人员 经济效益和社会效益也十分明显 另外 从环境保护的角度考虑 仿真技术也极具价值 如现代核试验多是在计算机上仿真进行 二 虚拟现实技术 1 虚拟现实技术的基本类型是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视 听 动等行为的人机界面技术 按其功能不同 可分成三种类型 1 沉浸型虚拟现实系统 是一套比较复杂的系统 使用者必须头戴头盔 手带数据手套等传感跟踪装置 才能与虚拟世界进行交互 优点是用户可完全沉浸到虚拟世界中去 缺点是系统设备价格昂贵 难以普及推广 2 简易型虚拟现实系统 由一台普通的计算机系统组成 使用者通过键盘 鼠标便可与虚拟环境进行交互 特点是结构简单 价格低廉 易于普及推广 是一套经济实用的系统 3 共享型虚拟现实系统 是利用远程网络 将异地的不同用户联结起来 共享一个虚拟空间 多个用户通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作 达到协同工作的目的 2 虚拟现实系统的组成虚拟显示系统通常由3个子系统构成 视觉子系统 提供的信息使参与者可以感知环境及其变化 听觉子系统 给参与者一个覆盖360度球体的声音环境 从而可以增强虚拟环境的真实性 触觉子系统 可以使参与者能够感觉到物体的运动阻力 表面纹理 材质和弹性等 3 虚拟现实技术的应用虚拟现实技术广泛地应用于各个领域 科学研究与实验 教育与培训 制造 建筑 艺术娱乐 遥控操作 城市规划等 尽管目前虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵 虚拟现实技术尚未能普及 但是 随着虚拟现实技术的不断发展和完善 以及硬件设备价格的不断降低 我们相信 虚拟现实技术以其自身强大的优势和潜力 最终会在许多领域广泛应用并发挥其重要作用 二 虚拟现实技术 三 文件存储与检索系统科技文献的检索与查询是开展科学研究工作的先导 在进行任何一项科学研究工作之前都必须对该课题国内外的研究状况有一个全面 深入的了解 这样才能够继承前人所取得的成果 避免花费无谓的精力去重复做他人已经做过的工作或者重蹈他人已经失败的覆辙 在信息化的社会中 科技文献正在以爆炸性的速度急剧地增加 据统计 目前全世界每年发表的科技论文多达500万篇以上 科学杂志已达数十万种 每天约有近百亿信息单元的信息量在网上传递 如此庞大的信息量 只有依靠计算机来检索和存储才能进行正常有效的科学研究和科技成果的交流 8 3计算机在教育 教学中的应用 一 校园网建设主要包括以下几个方面 1 信息中心一般由资源服务器 web服务器 数据库系统及主干交换机等构成 它负责整个校园网的信息交换与保障网络的正常运作 2 多媒体教室多媒体教室是指配有多功能投影系统的教室 多功能投影系统是以计算机为核心的 包括多媒体投影机 录像机 影碟机 视频展示台 功率放大器 大屏幕和视听演示系统等设备 它可与校园网或闭路电视系统相连 同时计算机还能供讲课者使用 用于演讲 学术报告 课件演示等 3 计算机网络教室计算机网络教室是指计算机教室连成的局域网 教学内容直接从网络上发布 这类教室主要用于信息技术课教学 学生上机练习以及其它课程的辅助学习等 4 虚拟图书馆将大量的图书资料以数字化的形式存储在资源服务器上 或通过Video服务器提供各种多媒体信息资源 学生与教师通过计算机网络可以方便的对资料进行查询 检索和使用 5 学校办公网通过在校园网上运行的综合信息管理系统 使学校的教学管理 学生管理和日常管理等实现办公自动化 6 校园卡系统利用校园网和智能卡 1C卡 技术 形成学校内部完整的校园卡系统 通过一张IC卡 可以作为学生证 上机证 借书证 电话卡 就餐卡等 使学校全面实现电子信息化管理 8 3计算机在教育 教学中的应用 二 计算机管理教学与计算机辅助教育 计算机管理教学也是计算机在教育领域中的一个重要应用 这类应用是将计算机应用于教学的设计和评价及管理学生的成绩和自然状况 处理与教学有关的事物数据 它包括用计算机制订教学计划 计算机辅助测验 学生错误分析等 计算机在管理上的应用使学校的管理更加方便 快捷 准确 使教学结构更加优化 随着多媒体课件制作技术的成熟 加快了计算机辅助教育的发展 一些学校已经将课堂多媒体组合教育方式和利用多媒体计算机个别交互学习方式结合到传统教育方式中 目前除了专业的软件技术公司能提供多媒体课件外 学校教师自己设计制作的课件也极大地丰富了教学资源 开展计算机辅助教育不仅使学校教育发生了根本变化 还可以使学生在学校里就能体验计算机的应用 使学生培养计算机意识 培养出复合型人才 三 网络教育 很多校园网站和网上学校提供了较为丰富的教学资源 并提供了远程交互的教学功能 一些资源丰富 教育水平高 网络环境好的学校 还开展了与远郊区县甚至国外学校的远程教育 远程教育主要有实时远程教学 虚拟教室教学 远程考试 教学反馈四种功能 远程教育已开始建设以计算机网 卫星电视网 电信网三网合一的空间立体开放的远程教育体系 8 4计算机在教育 教学中的应用 一 辅助完成产品的设计和制造1 CAD广泛应用 汽车 飞机 船舶 机械 大规模集成电路 建筑 服装设计等方面 优点 使得人与计算机均能发挥各自的特长 缩短设计周期 提高工作效率 节省人力和财力 提高设计水平和质量 主要技术 图形处理 工程分析 数据管理 软件设计和接口技术等 进一步发展 智能CAD 用来解决很多属于非数值计算的问题 虚拟设计 可以完成传统CAD做不到的工作 如交互和实时 虚拟装配和虚拟实验 使图形真实感强 有远 近 纵 深的感觉 等 8 4计算机在教育 教学中的应用 2 CAM设备和技术主要有 数字控制设备 可编程序逻辑装置 计算机辅助编制加工计划 机器人工程学 制造质量控制技术等 作用 采用CAM系统 从对设计文档 工艺流程 生产设备等的管理 到对加工与生产装置的控制和操作 都可以在计算机的辅助下完成 将CAD系统与CAM系统相结合 即把CAD的输出 设计文档 作为CAM设备的输入 能够实现无图纸加工 使得设计和制造过程的部分工作实现自动化 进一步提高生产的自动化水平 有些国家已把CAD和CAM 计算机辅助测试及计算机辅助工程组成一个集成系统 使设计 制造 测试和管理有机地组成为一体 形成高度的自动化系统 二 CIMS 计算机集成制造系统 1 CIMS的定义我们把 将计算机技术集成到整个制造过程中所构成的系统 称为CIMS 2 CIMS的构成及有关技术主要由设计与工艺模块 制造模块 管理信息模块和存储运输模块构成 CIMS的有关技术包括 材料需求计划 制造资源计划 企业资源计划 准时制造 敏捷制造和虚拟制造 3 CIMS的现状与发展趋势CIMS的现状 目前我国CIMS总体技术的研究已处于国际上比较先进的水平 初步形成了11个系列的CIMS目标产品 覆盖了企业信息化工程所需要软件产品的85 以上 发展趋势 l集成化l智能化l全球化l虚拟化l柔性化l绿色化 1 核心技术以信息技术 仿真技术和虚拟现实技术为支持 涉及面很广 以建模技术 仿真技术 虚拟现实技术 作为核心技术 2 在制造业中的应用虚拟制造技术最初是在飞机 汽车等领域获得成功的应用 目前主要应用在以下几个方面 虚拟企业虚拟产品设计虚拟产品制造虚拟生产过程 三 虚拟制造 8 5计算机在商业 银行 证券业中的应用 计算机在商业中的应用 计算机在银行业中的应用 计算机在证券业中的应用 1 电子商务是人类经济 科技 文化发展的必然产物 是信息化社会的商务模式和未来 直观地说 所谓电子商务就是组织或个人在以通信网络为基础的计算机系统支持下的网上商务活动 即当企业将其主要业务通过Intranet Extranet以及Internet与企业的职员 客户 供应商及合作伙伴直接相连时 其中所发生的各种商业活动 8 5 1计算机在商业中的应用 电子商务的特征 电子设备作为一种新的商务形式具有一些明显的特征 总结起来有以下几点 商务性 低成本 电子化 服务性 可扩展性 安全性 l商务性电子商务最基本的特性 即提供买 卖交易的服务 手段和机会 网上购物提供了一种客户所需要的方便途径 l低成本性没有店面租金成本 销售人员和商品库存压力 以及很低的行销成本 l电子化首先 书写电子化 传递数据化 其次支付手段高度电子化 再次 便于收集客户信息 最后 特别适用于电子信息产品的销售 电子商务的特征 l可扩展性是系统稳定的保障 如果在出现高峰状况时能及时扩展 就可使得系统阻塞的可能性大为下降 避免大量客户流失 l安全性是必须考虑的核心问题 包括加密机制 签名机制 分布式安全管理 存取控制 防火墙 安全万维网服务器 防病毒保护等 l集成性电子商务的另一特征 系统是各种技术 部门 功能的综合与集成 电子商务的分类 按参加主体划分 可将电子商务分为企业间电子商务 B2B或BtoB 企业对消费者电子商务 B2C或BtoC 政府对企业电子商务和消费者电子商务等 按交易的对象划分 可将电子商务分为三类 有形商品电子商务 数字商品电子商务 和服务商品电子商务 lB2B 将关键的商务处理过程连接起来 以形成虚拟企业 lB2C 这种模式节省了客户和企业双方的时间 空间 从而大大提高了交易效率 节省了各类不必要的开支 电子商务的分类 l有形商品电子商务 是指将实物商品的交易尽可能通过网络来完成 与其他两种电子商务相比 有形商品电子商务具有一个明显的特点 就是它与物流过程紧密结合在一起 l数字商品电子商务 指通过网络传输数字商品 达成交易的电子商务形式 l服务商品电子商务 交易对象是服务商品 但和数字商品电子商务不同的是 在此商务流程中也结合了物流过程 比如邮政电子商务等 电子商务展望 政府与企业 G2B或GtoB 主要是政府采购在电子商务中的应用 政府采购是指各级政府为了开展日常政务活动或为公众提供公共服务的需要 在财政的监督下 以法定形式方法及程序 从市场上为政府部门和所属公共部门购买商品和服务 个人对个人的商务活动 在传统上主要通过分类广告 收藏物品展示 旧物出售和跳蚤市场这样的贸易方式或场所进行 或者通过拍卖行 当地分销商这样的中介进行 因特网电子商务的发展为C2C打开了方便之门 将因特网用于C2C贸易 可以扩大市场潜力 创造更多的市场机会 电子商务发展趋势 网上城市 这里所讲的网上城市仅指在同一个城市里建立一个综合各门各类的商务平台 来进行各种日常活动 如购物 订票 网上远程教育 炒股 娱乐等 中国电子商务将向融合趋势发展 中国的电报网 电话网 传呼网 传真网 广播电视网 卫星网及计算机网络都形成了一定的规模 在短时期内 将传统的通信网络放弃是不现实的 近年来 在国内实现网络互联 多网合一的呼声越来越高 通信网络的互联已成为一种趋势 电子商务发展趋势 B2B电子商务将成为主流 企业间电子商务的迅速发展条件已经具备 第一 国际B2B电子商务发展迅速 第二 国家对企业上网给予积极鼓励和大力扶持 第三 企业信息化建设速度相对较快 比较容易实现网络交易 第四 电子商务是众多企业 尤其是中小企业发展的契机 它的低成本和方便快捷等特性尤为适合经济落后地区的企业 2 电子交换技术 电子数据交换 EDI 是指按照协议 对具有一定结构的信息 通过数据通信网络 在贸易伙伴的计算机系统之间进行交换和处理 EDI包括网络 标准和软件三大部分 网络 传统的EDI是在专用网络上实现的 这类专用网络称为增值网 VAN 这样做主要是考虑到安全问题 标准 由于不同企业的信息格式不同 需要以统一的EDI标准格式文件作为信息交换的中间媒介 目前国际间统一的EDI标准是联合国主持制订的UN EDIFACT 软件 EDI的软件主要用于将用户应用系统中的信息翻译成EDI标准格式 并通过专用通信协议进行传输与交换 EDI的工作方式 加上通信交换信封 通过通信软件发送到增值服务网络或直接传给对方用户 对方用户则进行相反的处理过程 最后成为用户应用系统能够接受的文件格式进行收阅处理 EDI的工作方式 EDI的特点 使用范围和优势EDI的特点 EDI的使用对象是不同的组织之间 EDI所传送的资料是一般业务资料 采用共同标准化的格式 尽量避免人工的介入操作 EDI的使用范围 EDI系统可以在世界范围内交付和使用 EDI在一个国家内应用会涉及买卖双方 银行 运输业 跨国的EDI要涉及订货 发货 运输 报关 商检 银行结算和保险等活动 因此要涉及到进出口商 运输公司 保险公司 海关 商检 银行等部门 使用EDI的主要优点有 降低纸张使用成本 提高工作效率 减少错误数据处理 节省人员费用 3 计算机在银行的应用 1 定义 网络银行是指利用Internet和Intranet技术 为客户提供综合 统一 安全 实时的银行服务 包括提供对私 对公的各种零售和批发的全方位银行业务 还可以为客户提供跨国支付等其他的贸易 非贸易的银行业务服务 2 网络银行的特征l交易无纸化 业务无纸化和办公无纸化 l将传统银行使用的票据和单据都全面电子化 如电子支票 电子汇票和电子收据等 l全面使用电子货币 包括电子钱包 电子信用卡 电子现金等 l银行业务 办公文件全改为电子化文件 电子化票据和证据 签名也用数字化签名 网络银行 3 网络银行的功能 1 银行业务项目 主要包括个人银行 对公业务 企业银行 信用卡业务 多种付款方式 国际业务 信贷及特色服务等功能 2 商务服务 包括投资理财 资本市场及政府服务等功能 3 信息发布 包括国际市场外汇行情 对公利率 储蓄利率 汇率 国际金融信息 证券行情和银行信息等功能 3 网络银行的功能 4 网络银行模式网络银行的运行机制有两种模式 一是完全依赖于Internet发展起来的全新的网络银行 这类银行的几乎所有银行业务交易都依靠因特网进行 另一种模式指现在传统银行运用Internet开展传统的银行业务交易处理服务 并通过Internet发展家庭银行 企业银行等服务 网络银行的业务模式主要有三种模式 第一种模式是把网络银行所针对的客户群设定为零售客户 把网络银行作为银行的零售业务柜台的延伸 达到24小时不间断服务的效果 节省银行的成本 第二种模式是网络银行以批发业务为主 即在Internet上处理银行间的交易和银行间的资金来往等 第三种模式是网络银行包括前两方面的业务 是前两种的结合 8 5 3计算机在证券业中的应用 网上证券交易形式有三种 实时股市行情接收 实时网上交易 盘后行情数据接收 8 5 3计算机在证券业中的应用 网上证券买卖的优越性 1 具有交互式双向信息交流模式 2 不受时间 空间限制 极大地方便了由于工作原因或身体原因不能去营业场所的股民 3 由于股民可自动处理交易流程 不需复杂手续即可实现买卖交易 从而改善了股民交易环境 吸引更多人入市 4 网络股票交易成本低廉 在美国通过传统方式交换股票成本为每股1 2美分 而网络股票交易的成本仅为每股0 15美分 8 6计算机在交通运输业中的应用 全球卫星定位系统智能交通系统地理信息系统坐席预定系统 现在计算机在交通运输上有很大的应用 无论是航空 铁路 公路和水运都在使用计算机来进行监控 管理或提供服务 其中最典型应用有 一 全球卫星定位系统 1 GPS的组成主要由三大部分组成 空间段 控制段和用户段 1 空间段 空间段由多个定位卫星组成 卫星上安装有遥测发射机 遥控接收机 精密时钟 发射天线阵列和电源设备等 2 控制段 主要包括主控站 多个监测站和注入站 主要功能是对空间卫星系统进行监测 控制 并向每颗卫星注入更新的导航电文 3 用户段 用户设备包括天线 GPS卫星接收机和GPS卫星导航仪 完成接收导航信号 处理信号等工作 最终计算出对预定航线的偏离和到达目的地所需的正确航线 航速和航行时间等 2 GPS的应用 GPS在智能交通系统中的应用 主要应用于车辆的定位和导航系统 GPS定位导航系统与电子地图 无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合 可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能 车辆跟踪 提供出行路线规划和导航 信息查询 交通指挥 紧急援助等 GPS在道路工程中的应用 建立各种道路工程控制网 特大桥梁的控制测量 在隧道测量中也具有广泛的应用前景 GPS系统在物流方面的应用 二 智能交通系统 1 智能交通系统的概述ITS是将计算机 通信 人工智能 电子传感及电子控制等先进技术应用于交通运输领域的综合与集成 2 智能交通系统产生背景当今世界各国的大城市无不存在着交通拥挤问题 然而有限的土地和经济制约等使得道路建设不可能达到相对满意的里程数 所以就需要在不扩张路网规模的前提下 提高交通路网的通行能力 3 国外ITS的研究 应用介绍 在美国 ITS应用发展较快的几个方面分别是 车辆安全系统 电子收费 公路及车辆管理系统 实时自动定位系统 商业车辆管理系统 日本的ITS应用主要是在交通信息提供 电子收费 公共交通 商业车辆管理以及紧急车辆优先等方面 欧洲在ITS应用方面的进展 介于日本和美国之间 在开发先进的旅行信息系统 先进的车辆控制系统 先进的商业车辆运行系统 先进的电子收费系统方面 前景十分广阔 上图所体现的是在欧洲开展的DELTA计划 在汽车出厂之前 车载信标已经被集成在车载计算机中 成为车辆识别和同路边设备进行通讯的车辆必选器件 信标的电源直接由汽车供应 三 地理信息系统 是在计算机支持下 运用系统工程和信息科学的理论与技术 科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据 以提供规划 管理 决策和研究中所需信息的系统 1 地理信息系统 GIS 的组成及功能组成 计算机及其附属设备 地理数据库及其数据操作 分析功能的数据库管理系统 制图输出工具及其他输出设备 四大功能 1 数据的操作与处理功能 2 制图功能 3 空间查询与分析功能 4 地形分析功能 2 GIS的应用 交通规划设计中的应用公路管理中的应用交通设施管理中的应用运营管理中的应用 四 坐席预定系统 概述 坐席预订与售票系统是一个由大型数据库和遍布全国乃至全世界的成千上万台计算机终端组成的大规模计算机综合系统 其主机通过计算机网络与分布在各地的计算机或者定票终端相连接 接收定票信息 并通过专门的管理软件对大型数据库中的票务信息进行实时 准确的维护与管理 优越性 给旅客带来方便 提高运输的效率 主要表现在方便旅客购票 售票速度快 实现客票统一调度 实现客票信息共享等 8 7计算机在医学中的应用 一 在医学教育与医学实验中的应用 1 控制实验室条件 室内的温湿度 光线等用计算机自动控制 以保持实验室环境条件的绝对恒定 计算机做药物在体内代谢的实验时 只要把一种药物的投药方法 剂量及给药间隔时间送入系统 药物在体内的代谢曲线即可在荧光屏上出现 它比化学方法测定血药尝试快而准确 效率高 2 模拟实验 模拟实验大体分为两种 第一种是将研究现象先作数学约理研究 通过电脑运算得出结果 然后再做动物实验验证 这样可取代大量的动物实验 第二种模拟研究是当现实条件不可能时 求助于电脑 这种研究方法可以开拓新的局面 计算机在医学中有着越来越广泛的应用 地位也日趋重要 主要应用于医学教育与实验 医学诊断 临床护理等领域 二 临床护理护士在计算机的辅助下系统地解决病人不断出现的各种健康问题 为病人提供适合其个人需要的最佳护理和健康指导 临床处方设计 计算机系统可根据病人情况 指出病人每天需要各种物质及其输液的数量 大大提高工作质量和效率 临床用药监护仪 具有检索504种常用中西药物的潜在性相互作用 不良反应 禁忌证及204种注射液的pH值 配伍变化 成人剂量及老幼折算等七种功能 是应用于医疗卫生作为瞻性用药监护和回顾医疗质量分析的工具 三 计算机智能技术在医学诊断中的应用专家系统 人工神经网络 模糊系统 进化算法 数据提取 知识探索等都属于计算机智能的范畴 四 计算机在药品管理中的应用 1 在药房中的应用药库管理中的药品编码系统 配发处方上的药品 并保存有关记录 数量和金额统计 2 药物虚拟筛选药物虚拟筛选是