Информационные технологии И системы

Информация, которая достоверна и своевременно получена, является ключом к успеху в бизнесе, производстве, научном исследовании, образовании, а также для принятия правильных решений на государственном уровне и в сфере частной жизни. Это стало особенно актуальным начиная со второй половины ХХ века, после изобретения электронно – вычислительных машин (ЭВМ). Сначала ЭВМ использовали в основном при проведении расчетов для научных и военных целей. С появлением мини-ЭВМ сфера их использования расширилась, однако как и прежде, в основном для выполнения инженерных и экономических расчетов. Ситуация стала значительно изменяться с проникновением сначала в научную, а затем в деловую и образовательную сферу малых ЭВМ – персональных компьютеров (ПК). Они обеспечили большую эффективность обработки информации, чем большие и мини-ЭВМ, поэтому их начали устанавливать чуть ли не на каждом рабочем столе. Такая децентрализация процессов обработки информации привела к созданию изолированных островков данных, что препятствовало оперативному обмену информацией. Сети передачи данных решили эту проблему, однако появились трудности для обеспечения безопасности и конфиденциальности. Последующее развитие информационных технологий (ИТ) происходит на основе сочетания технологических возможностей вычислительной техники и средств связи. Это обеспечило возможность собирать, накапливать, анализировать и доставлять информацию потребителям в любых объемах независимо от расстояния. Начал развиваться информационный бизнес, который связан с торговлей информацией, программными продуктами, предоставлением вычислительных услуг и услуг на передачу информации.

Достоверная информация – это тот ресурс, которого особенно не хватает для успешного управления в производственных и организационно-экономических системах. Степень обеспеченности информацией руководителей, ученых и специалистов является одним из основных факторов роста производительности их труда. В связи с этим информационная сфера деятельности людей стала определяющим фактором развития науки, экономики, техники. Возможность освоения информационных ресурсов зависит сейчас в основном от использования и совершенствования технических и программных средств ИТ. Коммуникационные сети, особенно глобальная сеть Internet, позволяют где угодно и в любое время получать нужную информацию и обмениваться ею в реальном времени. Этими обстоятельствами обусловливается необходимость постоянного повышения квалификации работников всех отраслей экономики в сфере информационных технологий.

В данном разделе рассматриваются такие вопросы как значение и глобализация информационных технологий, начальные понятия теории информации, использование информационных технологий в задачах управления, принципы построения информационных систем (ИС).

5.1 Информационные технологии и их значение

Сложность проблем, которые возникают в технических, экономических и социальных системах, порождает бурный рост потоков информации на всех уровнях управления. Поиск новых энергетических и сырьевых ресурсов, их добыча и обработка, промышленное производство и научные исследования требуют огромных объемов научной, технической, экономической информации. Поэтому справедливо утверждать, что информация является производительной силой, и от ее количества и качества существенно зависит эффективность экономики. Современное материальное производство невозможно представить без сетей передачи информации, без проектирования и управления, без всего того, что в производстве и других сферах жизни человечества играет большую роль и связано с информационными процессами. По определению академика В.М. Глушкова, “процессы, где основной перабатываемой продукцией является информация, называются информационными технологиями”. Иначе говоря, информационная технология – это операции и процедуры, которые выполняются над информационными потоками и блоками. Информационные блоки – это данные, которые могут быть зарегистрированы, сохранены и обработаны, т. е. они не что иное как представление информации в знаковой форме, в виде текстов, чисел, таблиц, графиков и т.п.

Информационные процессы могут осуществляться только в виде совокупности информационных, материальных и энергетических потоков, которые неразрывны и в отдельности не существуют. Только для удобства рассматривают один из них, отделяя его от других. Поэтому приведенное выше определение ИТ касается чисто информационных процессов, в которых информация, как форма отображения действительности, является входным воздействием, объектом обработки и выходным продуктом процесса. Для осуществления информационных процессов большое значение имеет использование компьютерной техники и программных средств, сетей передачи информации.

Основными составляющими информационных технологий являются:

разработка, производство и применение технических средств для сбора, передачи, обработки, хранения, и выдачи (отображения) информации;

разработка и применение системного и прикладного программного обеспечения;

информационные услуги и телекоммуникации.

Следствиями развития информационных технологий являются:

появление возможности автоматической обработки информации с помощью компьютерной техники;

появление возможностей компактного хранения и быстрого доступа к большим объемам информации;

развитие средств связи, которые обеспечивают доставку информации практически в любую точку Земли без существенных ограничений по времени и растению;

появление программного обеспечения (ПО), ориентированного на неподготовленного пользователя.

На всех этапах развития человеческого общества ИТ отображали уровень его развития. Рост потребности в передаче информации обусловил развитие средств связи от курьерской почты до телефонии, радиосвязи, телевидения и, наконец, глобальной сети Internet.

Со времени изобретения телефона Александром Беллом в 1876 г., все телефонные сети строились по принципу “коммутации каналов” для обеспечения временного соединения между любыми двумя точками телефонной сети. Ограниченность пропускной способности линии связи телефонной сети с коммутацией каналов не позволяет большому числу абонентов одновременно вести переговоры. Это приводит к необходимости увеличивать количество линий связи и их пропускную способность. Перелом произошел в 70-х годах XX столетия, благодаря внедрению волоконно-оптических линий связи и цифровых технологий, а также спутниковых систем связи. С этого времени начала свое развитие сотовая (беспроводная) телефония.

В цифровых сетях передачи данных сообщение делят на части, называемые пакетами. Пакеты могут следовать к получателю различными путями. В приемном узле сети пакеты объединяются в сообщение. Поэтому нет необходимости резервировать каналы для передачи пакетов. В отличие от телефонных сетей с коммутацией каналов цифровые сети передачи данных содержат каналы с “коммутацией пакетов”. Цифровые сети приходят на смену традиционным телефонным линиям связи, благодаря возможности передачи данных, голосовых сообщений и видеоизображений в глобальных масштабах.

Появление в конце 70-х годов дешевых микропроцессоров дало возможность оснащать технологические агрегаты собственными вычислительными центрами малых размеров, которые осуществляли функции обработки информации и управления. В результате появилась возможность обрабатывать информацию непосредственно в месте ее возникновения и потребления. Начался процесс децентрализации обработки информации, разгрузка больших вычислительных центров от информационных задач, решаемых локальными ИС, в том числе системами управления технологическим оборудованием.

Создание сверхбольших интегральных схем позволило создать супер-ЭВМ производительностью более 1 млрд. операций в секунду. Это открыло возможность создания систем искусственного интеллекта и баз знаний, которые могут составить конкуренцию человеку при решении многих сложных задач, связных с принятием оптимальных решений.

Своевременность получения (доставки) информации и ее достоверность являются условиями успешности осуществления любых организационно-экономи-ческих, технических и других мероприятий, эффективности научных исследований и проектных разработок, технологических процессов в производстве. Человечество осознавало это еще сотни лет назад, вкладывая немалые средства, используя достижения науки и техники для развития технологий хранения, распространения и защиты информации. С появлением ЭВМ и особенно персональных компьютеров (ПК) процесс развития информационных технологий в 2-й половине XX-го столетия приобрел взрывной характер. Современные сети передачи информации обеспечивают возможность собирать, накапливать, анализировать и доставлять информацию потребителям – ученым, экономистам, инженерам, врачам, дипломатам – независимо от расстояния и объемов. На ограниченных пространствах при ограниченном числе пользователей такие функции выполняют локальные вычислительные сети (ЛВС). Важнейшим достижением информационной техники является всемирная информационная сеть – Internet.

Параллельно с развитием технических и программных средств информационных технологий развивается информационный бизнес, связный с торговлей информацией, программными продуктами, услугами на передачу информации. При этом самыми важными проблемами стали обеспечение высокой скорости передачи информации и конфиденциальности. В этом плане ситуацию осложняет подключение к глобальной сети Internet локальных сетей и внедрение систем электронных платежей.

Степень обеспеченности информацией руководителей, ученых и специалистов является одним из основных факторов роста продуктивности их работы. В связи с этим информационная сфера деятельности людей становится определяющим фактором развития науки, экономики, техники. Эффективность функционирования автоматизированных систем управления (АСУ) как производственного, так и организационно-экономического назначения главным образом определяется скоростью и надежностью процессов передачи и автоматизированной обработки информации. Поэтому необходимо постоянно повышать квалификацию специалистов всех областей экономики и производства в сфере информационных технологий.

Новые достижения информационных технологий снимают любые ограничения относительно передачи и использования информации в пространстве и времени, а развитие сети Internet есть, наверное, наиболее известным примером такой глобализации.

5.2 Информация и ее свойства

Все процессы, которые происходят в природе, обществе, технике, в том числе производственные, экономические, социальные и др., связанны с информацией – ее получением, преобразованием, накоплением и отображением.

Научно-технический прогресс сопровождается непрерывным ростом объемов перерабатываемой информации. В связи с этим создаются автоматизированные производственные и организационно-экономические системы на базе сетей ЭВМ, которые перерабатывают огромные массивы информации с высокой скоростью.

ИC образуют специальный класс технических систем. Они предназначены для сбора, передачи, преобразования и хранения информации. К ним относятся системы связи, телемеханики, локации, навигации, телевидения, информационно-изме-рительные системы, АСУ и др. Теоретической основой ИC является теория информации, которая занимается математическим описанием и оценкой методов передачи, хранения и переработки информации.

5.2.1 Данные, сообщения и сигналы

Данными называют сведения, представляемые в формализированном виде (буквами, символами, цифрами). Сообщениями называют блоки данных, которые подлежат передаче в пространстве или во времени.

Для обеспечения возможности обработки техническими средствами сообщение должно быть преобразовано в сигнал. В информационных системах (электросвязи, радиосвязи, телевидении и др.) применяются преимущественно электрические средства передачи сообщений, в которых используются электрические сигналы. К другим видам сигналов относятся акустические, оптические, пневматические и др. Сигналы одного вида можно преобразовывать в сигналы других видов (электрический в звуковой, оптический в электрический).

Сигналом называют физический процесс, который однозначно отображает сообщение и пригоден для его обработки и передачи на расстояние. Сигнал должен обладать характеристикой, которую можно использовать для представления сообщения. Эта характеристика называется информативным параметром сигнала. Преобразование сигнала заключается в замене одного информативного параметра другим. Такие преобразования, осуществляемые при передаче сигналов по каналам связи (КС), называют модуляцией и демодуляцией.

Все многообразие сигналов, которые используются в информационных системах, можно разделить на два вида: детерминированные и случайные. Детерминированные сигналы характеризуются тем, что в любые моменты времени их значения известны. Значения случайных сигналов в любые моменты времени являются случайными величинами.

Сообщения и их носители – сигналы могут быть непрерывными (аналоговыми) или дискретными (знаковыми). К непрерывным относятся такие сообщения как музыка, телевизионное изображение, радиовещание. Непрерывные сигналы описываются непрерывными функциями времени. С помощью специальных устройств непрерывные сообщения преобразуются в непрерывные сигналы (электрические), которыми они передаются по КС от передатчика потребителю. Дискретные сообщения имеют вид конечных последовательностей символов. Они применяются в телеграфии, системах передачи данных (СПД), системах телекоммуникаций.

Процесс преобразования сообщения в дискретный сигнал называют кодированием информации, а множество разных кодовых комбинаций, получаемых при одном способе кодирования, называют кодом. Обратное преобразование сигнала в сообщение называют декодированием.

Непрерывные сигналы можно передавать в дискретной форме. Преобразования непрерывных сигналов в дискретные осуществляются путем квантования по уровню и дискретизации по времени. На приемной стороне КС выполняется обратное преобразование: по принятому дискретному сигналу воспроизводиттся непрерывный сигнал.

Передача сообщений в дискретной форме более распространена, поскольку дискретные сигналы меньше подвержены влиянию помех и искажений в КС, а в случаях искажения их легче регенерировать (восстановить). Кроме того, дискретные сигналы могут обрабатываться в цифровых вычислительных устройствах.

5.2.2 Информация и управление

Управление в технических и организационно-экономических системах основано на информации, которая используется для выбора управляющих действий. Известно, что одной из первых и самых важных задач управления является регулирование состояния объектов управления. Управление заключается в исполнении определенной последовательности операций, из которых основными являются:

получение сведений о состоянии объекта управления или процесса;

получение извне задающих воздействий (команд), которые определяют требуемое состояние объекта или процесса;

обработка полученных сигналов с целью наиболее эффективного приведения объекта в требуемое состояние;

формирование управляющих воздействий на исполнительные органы, с помощью которых изменяется состояние объекта.

Разработкой эффективных методов управления занимается кибернетика, творцом которой общепризнанно считается американский ученый Н. Винер (1894 – 1964). Основные понятия и ряд идей кибернетики были известны еще до выхода в свет в 1948 г. книги Н. Винера “Кибернетика, или управление и связь в живых организмах и машинах”. Заслуга Винера заключается в том, что он впервые отметил принципиальное значение информации в процессах управления.

Информация сопровождает процессы управления и создает условия для их осуществления. В любом процессе управления информация играет основную роль. Поэтому справедливо считать, что кибернетика – это наука об информационном управлении. Понятие информации тесно связано с понятиями объекта, системы, состояния. Состояние определяется совокупностью мгновенных значений всех переменных, характеризующих взаимодействие элементов объекта или системы. Изменение этих переменных характеризует изменение состояния объекта (процесса) и дает возможность получить информацию о протекании процесса.

К настоящему времени еще не сложилось строгое определение информации. Больше всего распространены такие определения: “Информация – это отображение реального мира”, “Информация – это пояснения, сообщения”, “Информация – это все сообщения, которые являются предметом хранения, накопления, передачи, преобразования, обработки и отображения”, “Информация – это совокупность сведений, которые определяют меру наших знаний о тех или иных событиях, явлениях и фактах”.

К основным видам информации относятся:

технологическая – в виде потока физических параметров, характеризующих технологический процесс производства;

экономическая – в виде числовых показателей, таблиц, диаграмм и т.п.;

научная – в виде книг, патентов, журнальных статей и т.п.;

социальная – из областей культуры, медицины, спорта и т.д.

Независимо от вида информации она должна быть представлена в форме, удобной для обработки с помощью ЭВМ. Для этого информация должна быть закодирована и представлена в дискретной форме, т.е. в виде данных, и в такой форме введена в ИС. Если информация аналоговая, т.е. непрерывная, то ее нужно дискретизировать, т.е. представить дискретным сигналом, квантованым по времени и уровню.

Необходимо различать понятия “информация” и “сообщение”. Под сообщением понимают информацию, выраженную в определенной форме, которая позволяет осуществить передачу. Иначе говоря, сообщение – это форма представления информации. Примерами сообщений могут быть тексты телеграмм, речь оратора, показания измерительных приборов, команды управления, изображения на телеэкранах и т.п. Сообщения становятся информацией только в момент их использования, т.е. информация – это использованные сведения, которые отличаются новизной и не были раньше известны получателю (например, оператору технологической установки).

Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что информация связана с процессом познания человеком внешнего мира. Объекты и процессы сами являются источниками информации, которая распространяется в форме первичных сообщений, например, световых, тепловых, акустических и др. Они воспринимаются человеком с помощью органов чувств и информационных преобразователей (первичных преобразователей информации).

5.2.3 Свойства информации

Получение информации человеком происходит путем восприятия сообщений, при этом частично или полностью устраняется неопределенность знаний об объекте наблюдения. Сообщение можно представить как описание некоторого события или объекта, либо указание на то, в каком состоянии из возможных находится объект. Чем больше число возможных состояний объекта, тем больше неопределенность “выбора” объектом своего состояния и тем больше можно получить информации из сообщения о его текущем состоянии, поскольку полученная информация обладает большей степенью неожиданности.

Информация должна быть достоверной, своевременной, полной, представленной в доступной для потребителя форме. Она должна постоянно обновляться. Несоблюдение этих требований является причиной принятия нерациональных и даже ошибочных решений.

Информация связана с процессом познания человеком внешнего мира и является философской категорией. Н. Винер выразил свое представление об информации так: “Информация есть информация, а не материя и не энергия”. Этим он подчеркнул ее нематериальную сущность.

В физике существует понятие энтропии как величины, характеризующей степень неупорядоченности физической системы, т.е. ее хаотичности. Неупорядоченность понимается в смысле меры недостаточности знаний о наблюдаемой системе (объекте, процессе). При появлении новых сведений о системе ее неупорядоченность, т.е. энтропия, уменьшается. Очевидно, максимум информации характеризует систему как абсолютно упорядоченную, т.е. детерминированную, энтропия которой равна нулю. Иначе говоря, информация отображает меру организованности, упорядоченности системы. Рассмотрим основные свойства, которые может проявлять информация.

1. Информация может быть представлена ее носителем в определенной физической форме. Наблюдаемые объекты и процессы являются источниками информации, которая распространяется в форме первичных сообщений (световых, звуковых, тепловых и др.). Они воспринимаются человеком или техническими устройствами с помощью органов чувств, измерительных устройств и других, так называемых первичных преобразователей информации (сообщений).

2. Информация может передаваться во времени и пространстве, т.е. она может накапливаться, храниться на протяжении длительных временных промежутков в разного рода запоминающих устройствах и в памяти человека, переноситься на расстояние путем перемещения этих устройств и другими способами, например, с помощью систем телекоммуникаций. Информация, которая хранится, является пассивной, а полезно используемая – активной.

Цель хранения информации заключается в том, чтобы на протяжении определенного времени обеспечить ее целостность и возможность доступа. Объем новой ценной информации постоянно растет, а время, когда она полностью обесценится, неизвестно. Проблема заключается не только в том, чтобы в устройствах ограниченной емкости размещать все больше информации, а прежде всего в том, чтобы обеспечить сохранность и доступность имеющейся информации, а иногда и ее конфиденциальность.

Одной из потребностей общества является обмен информацией во всевозрастающих объемах. Для этого служат системы телекоммуникаций, например, радио, телевидение, глобальная информационная сеть Internet. Высокие темпы развития телекоммуникационных систем обусловлены применением микросхемотехнических средств обработки информации, спутников связи, световодов. Современные АСУ любого назначения строятся на базе компьютерных информационных сетей, которые позволяют собирать и обрабатывать информацию за короткое время, что необходимо для принятия своевременных управленческих решений.

3. Информация способна переходить из пассивной формы, когда она просто хранится и себя никак не проявляет, в активную форму, когда она используется при создании технических и организационно-экономических структур и для организации процессов управления этими структурами. Благодаря этому свойству информация является реальным ресурсом, который используется в технологиях созидания и управления.

4. Информация может перерабатываться с изменением формы представления или отображения. Процессы и устройства переработки информации разнообразны и многочисленны. Характерным примером являются вычислительные процедуры, когда на основе информации об одних характеристиках какого-либо процесса или объекта вырабатывается информация о других характеристиках того же объекта. Переработку информации осуществляют и средства ее отображения, например, приборы визуального наблюдения (амперметры, вольтметры, осциллографы, дисплеи и т.д.).

Пример. Для передачи информации по КС ее нужно снять с первичного носителя данных, ввести в КС, передать по каналу, вывести из канала на приемной стороне, выдать на экран или отобразить иным способом. Иначе говоря, информацию надо многократно обрабатывать. Чтобы обеспечить возможность правильного распознавания переданной информации, ее нужно закодировать перед подачей в КС, а это тоже операция обработки. Поэтому современные КС нуждаются в технических средствах для быстрой обработки больших объемов информации.

5. Если информацию накопить и соответствующим образом обработать, то она даст новые сведения, а значит, появятся новые знания. Накопление и обработка осуществляются мозгом человека, с помощью ЭВМ или другими способами. Использование ЭВМ увеличивает возможности человека при оценке ситуации и принятии решений в процессе управления.

Информационный поиск – одна из важных функций творческой десятки человека. В наше время поиск информации без использования автоматических систем телекоммуникаций малоэффективен. Необходимо использовать новые методы обработки, хранения, передачи информации в больших объемах и с большой скоростью.

6. Информация нераздельно связана с ее носителем, с определенным способом хранения и передачи. В современных информационных устройствах носителем информации может быть электрический заряд, электрический ток или напряжение, т.е. сигнал в какой-либо физической форме.

7. Информация имеет количественные и качественные характеристики. Любую информацию можно получить только после приема сообщения и его анализа. Сообщение, поступившее в приемное устройство КС, несет полезную информацию только в том случае, если есть неопределенность относительно состояния источника сообщений (процесса, объекта). Группы сигналов отображают, моделируют состояния объектов или процессов, поэтому они наделены энтропией. Поскольку энтропия является мерой дезорганизации, то информация, которая передается группой сигналов, повышает меру организации наблюдаемого объекта или процесса. Информацию, которая передается сигналом, можно рассматривать как противоположность энтропии. Иначе говоря, чем больше вероятность сообщения, тем меньше информации оно содержит.

Если наблюдение может иметь только один результат, т.е. нет неопределенности, то этот результат можно знать заранее. В таком случае сообщение не несет никакой информации. В случае, когда наблюдение может иметь два одинаково вероятных результата (например, контролируемый параметр находится в пределах нормы или за ее пределами), то сообщение будет иметь два возможные значения и тогда оно уже содержит определенную информацию.

В общем случае, если источник информации может выдавать независимые и несовместные сообщения Х₁, Х₂,…, Х_n с вероятностями Р(Х₁), Р(Х₂),…, Р(Х_n) соответственно, то чем меньше априорная вероятность сообщения, тем больше информации в нем содержится.

Одним из качественных показателей информации является тип данных, который определяет характер информации. Цифровые данные являются результатом наблюдения (измерения). Это так называемые данные действительного типа. Данные символьного типа используются для передачи текстов. Кроме перечисленных, могут применяться данные комплексного, логического и других типов. Логические (булевы) переменные принимают всего два значения: “да” и “нет” (1 и 0). Их используют для выражения результатов операций, условий переходов в циклах программ, для описания вычислительных процедур в двоичной системе счисления, логики вычисления операций по преобразованиям двоичных кодов и других действий по управлению процессами обработки информации.

Данные – это информация, которая используется в процессе решения разных задач средствами вычислительной техники. Между понятиями “данные” и “информация” существует принципиальное отличие. Данные – это величины, словосочетания, обработка которых позволяет получить информацию, т.е. знание о предмете наблюдения (процессе, явлении, состоянии технического объекта и т.п.).

При передаче и обработке информации с помощью ЭВМ нужно различать основные единицы представления данных: символ, разряд, слово, строка, запись, файл, пакет.

Символ – это буква, цифра или иной знак. Символ занимает один разряд в слове.

Разряд – это место размещения символа информации в машинном (кодовом) слове. Порядковая нумерация разрядов начинается с младшего разряда, справа налево. Крайний правый и крайний левый разряды слова являются, соответственно, самым младшим и самым старшим. В двоичном изображении в разряде размещается наименьшая единица информации – “бит” (0 или 1).

Слово в числовой форме – это одно число или его часть. В буквенной или знаковой форме – это один или несколько символов. Количество разрядов, используемых для представления слова, называется длиной слова.

Строка – это последовательность слов, которые обрабатываются или отображают информацию по значению или принадлежности.

Запись – совокупность нескольких строк, образующих единое целое по смыслу.

Файл – группа записей, объединенных в информационный массив.

Пакет – базовая единица данных в сети Интернет. Сообщения, передаваемые по сети, разбиваются на пакеты. Каждый пакет снабжается адресом и другой служебной информацией, например, кодами проверки на наличие ошибок. Протоколы ТСР/IP обеспечивают надлежащее соединение пакетов в месте получения.

5.3 Количественные характеристики информации

Рассматривая количественные характеристики любого процесса, надо допускать возможность их измерения, которая обеспечивается доступностью процесса для наблюдения, наличием измерительных устройств, известностью метода измерений и обработки их результатов. В теории информации рассматриваются, наряду с другими, вопросы измерения количества информации.

5.3.1 Ансамбли и источники сообщений

Материальний мир, который нас окружает, характеризуется множеством физических явлений и процессов, распределенных во времени, характеристики которых можно наблюдать в каждый текущий момент.

Любой материальный объект (процесс) в совокупности с наблюдателем образует систему, которая называется источником сообщений. Природа наблюдателя не имеет значения, это может быть человек или техническое устройство. Его функцией является преобразование сведений о состоянии объєкта наблюдения в форму, удобную для приема другим наблюдателем. Это иллюстрируется структурно-функциональной схемой процесса сбора и передачи информации, в котором принимают участие объєкты наблюдения и наблюдатели разных уровней иерархии (рис. 5.1).

и передачи информации

В процессе, который отображает рис. 5.1, сведения о состоянии физического объекта (процесса) передаются определенному получателю – наблюдателю А. Любой источник информации с наблюдателем является источником информации для следующего наблюдателя, который одновременно является и получателем, и преобразователем информации. В сущности, все элементы цепи передачи информации, кроме первичного источника (объекта, процесса) и конечного получателя, являются преобразователями информации.

Физические показатели состояния объекта (процесса) могут принимать значения из определенного дискретного набора. Источник сообщений с таким объектом является дискретным. Если же эти показатели могут принимать любые значения в определенном интервале действительных чисел, то такой источник сообщений называєтся непрерывным.

Если в каждый момент времени дискретный источник “выбирает” одно из k возможных сообщений a₁,…, a_k, то говорят, что множество A={a₁,…, a_k} является дискретным множеством сообщений. С каждым сообщением a_i , принадлежащим множеству A, связывают вероятность p_i его выбора источником. Таким образом, множеству A ставится в соответствие вероятностная мера в виде множества P = {p₁,…, p_k} вероятностей p_i, i=1,…, k. На это множество налагается ограничение

, (5.1)

т.е. события “источник выбрал сообщение a_i”, i=1,…, k образуют полную группу событий.

Множества A и P образуют полную вероятностную модель – “ансамбль” со-общений дискретного источника. Это означает, что в каждый момент времени ис-точник выбирает определенное сообщение a_i A с вероятностью P(a_i) = p_i, p_i P.

5.3.2 Количественная мера информации

Как показано выше, любой дискретный источник сообщений состоит из наблюдателя и другого источника сообщений (низшего по иерархии). На количественном уровне информацию можно определить как новые знания о состоянии наблюдаемого объекта, а ее количество – как количество нового знания про объект наблюдения. Так как новые знания повышают общий уровень знаний про объект, то количество информации имеет аддитивный характер. С точки зрения наблюдателя неопределенность состояния объекта имеет определенный уровень, пока источник не выбрал новое сообщение. После выбора сообщения источником образуется некоторое количество информации, которое уменьшает эту неопределенность.

Рассмотрение дискретного источника и множества А его сообщений приводит к таким выводам:

1) в сообщении о достоверном событии количество информации равно нулю. Чем больше вероятность сообщения, тем меньше информации оно несет;

2) в двух независимых сообщениях количество информации равно сумме количества информации в каждом из них;

3) количество информаци не зависит от качественного содержания сообщения, т.е. от степени его важности. Это требование обусловлено необходимостью абстрагироваться от содержания сообщения ради достижения общего характера понятия “количество информации”.

Очевидно, общую характеристику количества информации, не связанную с ее содержательным смыслом, дает модель источника – ансамбль сообщений. Если случай достоверный, т.е. его вероятность p(a_i) = p_i = 0 или p_i =1 (случай, который описывается сообщением a_i точно не произойдет или произойдет), то количество информации в сообщении о таком случае I(a_i) = 0, так как уровень неопределенности знаний о состоянии объекта наблюдения после выбора источником такого сообщения не изменяется. Если же источник выбрал не предопределенное заранее сообщение, то уровень неопределенности снизится. Таким образом, количество информации в сообщениях должно быть функцией их вероятности, т.е.

, a_i A, p_i P. (5.2)

Для удовлетворения второго требования необходимо учесть, что вероятность выбора источником двух независимых сообщений a₁ и a₂

, (5.3)

однако суммарное количество информации в них

. (5.4)

Отсюда следует, что функция должна быть такой, чтобы выполнялось равенство

, (5.5)

где , . Кроме того, эта функция должна иметь значения и , если ее аргумент равен 0 или 1. Единственной функцией с такими свойствами является логарифмическая функция

, (5.6)

где k – коэффициент согласования размерности, а основание m логарифма вибирается из соображений удобства. При таком определении количества информации вы-полняются все три требования.

Выбор основания логарифма не имеет принципиального значения, от него зависит только коэффициент k:

,

где .

Учтем, что , и при будем иметь . Чтобы было , выберем k = –1. Тогда

. (5.7)

Обычно принимают m = 2, тогда единицей количества информации будет “бит” (Binary digit). Это количество информации в сообщении о таком случае, который с одинаковой веро-ятностью может произойти и не произойти, т.е. когда моделью источ-ника является ансамбль A = {a₁, a₂), P = {0,5; 0,5}.

Таким образом, количество информации в сообщении тем больше, чем оно менее вероятно, т.е. более неожиданно (рис. 5.2).

5.3.3 Энтропия и её свойства

Напомним, что получение информации от источника снимает неопределённость знаний о состоянии наблюдаемого объекта. Если за время подготовки источником нового сообщения объект не изменяет своего состояния, то будет выдано такое же сообщение, как предыдущее. В таком случае можно уточнить вероятности . Если источник выдает сообщение , то элементный состав множества A нуждается в уточнении. Определяя ансамбль источника сообщений, надо включить в множество A все возможные сообщения и только возможные, количество которых равно числу возможных состояний объекта наблюдения. Множество A = {a₁,…a_k} сообщений называют алфавитом сообщений. Множество символов, с помощью которых наблюдатель представляет каждое сообщение, называют алфавитом источника. Эти алфавиты называют также первичным и вторичным соответственно. Не имеет никакого значения, в каком алфавите источника предоставляются сообщения. Модель источника учитывает лишь их состав и распределение вероятностей.

Пример. Рассмотрим источник сообщений с ансамблем, приведенным в табл. 5.1.

Таблица 5.1 – Статистическая характеристика источника сообщений А

	0,4	0,3	0,15	0,1	0,03	0,02
, бит	1,322	1,737	2,737	3,322	5,059	5,644

Каждое сообщение несёт количество информации , которое характеризует меру неожиданности этого сообщения. Определённое количество информации несёт и любая последовательность сообщений. Например, последовательность из четырёх сообщений несёт информацию

.

Наименее вероятным является сообщение . Чтобы оно появилось в потоке из n сообщений, должно быть . Если сравнить несколько потоков сообщений, достаточно больших, т.е. при , то окажется, что несмотря на существенно разное количество информации, которое они несут, удельное количество информации на одно сообщение, т.е. на один символ алфавита сообщений, будет почти одинаковым для всех потоков. Для нашего примера это будет величина, близкая к 2,057, в чем нетрудно убедиться, построив потоки, например, из 50 и 100 сообщений с учетом частоты повторения сообщений, пропорциональной вероятностям . Этот факт означает, что среднее количество информации, приходящейся на одно сообщение, не зависит от длинны их последовательностей. Чем больше длина, тем ближе сходятся значения удельного количества информации, в соответствии со статистическим законом больших чисел.

Удельное количество информации характеризирует источник сообщений в целом. Другой источник, с другим ансамблем сообщений, будет иметь другое удельное количество информации. Эта общая характеристика источника сообщений называется его энтропией H(A). Она является среднестатистической мерой неопределённости сведений наблюдателя относительно состояния наблюдаемого объекта.

Точно энтропию можно определить как математическое ожидание удельного количества информации, т.е. среднего количества информации, приходящейся на одно сообщение. Энтропию источника со статистически независимыми сообщениями, математическая модель которого представляется ансамблем А={a₁,…,a_k}, P={p₁,…,p_k}, называют безусловной энтропией. По этому определению, рассмотренная энтропия является безусловной. Она определяется формулой Шеннона

. (5.8)

Для рассматриваемого примера (табл.5.1) имеем:

Из выражения (5.8) для энтропии следует, что чем она больше, тем больше количество информации содержится, в среднем, в каждом сообщении данного источника, а значит, тем важнее передавать сообщения этого источника по КС.

Обсудим свойства безусловной энтропии. Первое свойство энтропии источника, как следует из (5.8), состоит в том, что она аддитивна.Количество информации в последовательности сообщений определяется количеством N сообщений и энтропией источника, т.е.

. (5.9)

Это означает, что если N-мерные последовательности А,…, А рассматривать как сообщения другого источника, то его энтропия будет в N раз больше, чем у источника сообщений А. По формуле (5.9) для нашего примера имеем: . Различие значений 8,229 и 5,703 объясняется небольшим значением N, тогда как вероятности определяются при условии .

Рассмотрим вырожденный источник с одним сообщением: , . Для этого источника , как это следует из (5.8). Если , то также имеем . Таким образом, энтропия всегда имеет положительное по знаку значение, либо равна нулю. Это второе свойство энтропии.

Если алфавит А={a₁,…, a_k) содержит k разных сообщений, то . Это третье свойство энтропии. Равенство имеет место лишь в случае равновероятных, статистически независимых сообщений a₁,…, a_k. Для них p₁=…=P_k=1/k. Число k называется объемом алфавита сообщений. Например, источник с k=8 равновероятными и независимыми сообщениями имеет энтропию

бит/сообщ.

Для неравновероятных сообщений мы получили бы бит/сообщ.

Исторически первой была получена формула Хартли для равновероятных сообщений:

. (5.10)

Её легко получить из формулы Шеннона (5.8), положив P_i =1/k , i= . Формула Хартли показывает, что безусловная энтропия равновероятных сообщений максимальна.

5.4. Информационные системы

Современные системы сбора, передачи и обработки информации содержат электронные схемы и другие информационные устройства в материальном виде. Это так называемые технические средства. Кроме технических, ИС имеют и системные средства – программное обеспечение процедур передачи и обработки информации. ИС – это совокупность технических и системных средств, позволяющая осуществлять весь комплекс операций по сбору, передаче, обработке и отображению информации. Тогда как в основе функционирования энергетических систем (двигателей, генераторов, систем электроснабжения, транспортных устройств, металлургических печей и др.) лежат процессы передачи и преобразования энергии.

ИС могут содержать в качестве подсистем энергетические системы как объекты управления. В тоже время энергетические системы могут содержать ИС в качестве подсистем. Критерием качества информационных систем (устройств) является их способность передавать, накапливать, обрабатывать необходимое количество информации в единицу времени при допустимых искажениях и затратах, тогда как критерием качества энергетических систем является к.п.д. В информационных системах энергетические факторы имеют второстепенное значение, а сама энергия является энергетической характеристикой сигналов, используемых в качестве транспортного средства для передачи информации в пространстве. Разумеется, для некоторых ИС, например, систем космической связи, радио - и телевизионных систем, фактор энергоемкости имеет существенное значение (но не главное).

По функциональному признаку, т.е. по назначению, информационные системы делятся на такие виды: системы электросвязи, системы хранения информации, СПД, системы преобразования информации, информационно-вычислительные системы, информационно-поисковые системы, автоматизированные системы научных исследований, АСУ и ряд других. Любая из этих систем имеет иерархическую функциональную структуру. Например, АСУ технологическим процессом (АСУТП) на промышленном предприятии подчинена по иерархии АСУ производством (АСУПр), а последняя подчинена АСУ предприятия (АСУП). В свою очередь, АСУТП содержит в качестве подсистем информационно-измерительные системы (ИИС), СПД, системы хранения информации. ИИС содержат в качестве подсистем системы получения информации и СПД.

В информационных системах любого функционального назначения осуществляется передача данных от источников информации до ее получателей. Поэтому СПД содержатся в любых информационных системах более высоких уровней.

СПД относятся к классу информационных систем, называемых системами передачи информации (СПИ). В АСУ любого назначения данные, предоставляющие информацию технико-экономического характера, передаются по КС в виде дискретных сообщений. Поэтому СПД являются по существу системами передачи дискретной информации. В системах электросвязи (телефонии, радиовещании) сообщения носят непрерывный характер (носителями информации являются непрерывные сигналы). Однако цифровые системы телекоммуникаций содержат СПД в качестве подсистем. В ИИС осуществляются процессы измерения каких-либо физических величин (технологических, электрических, механических параметров) и передачи результатов измерения потребителям (например, управляющим устройствам рабочих машин). В современных ИИС результаты измерений физических параметров непрерывного характера подвергаются аналого-цифровому преобразованию, получаемые данные передаются в пространстве с помощью СПД, переданные сообщения подвергаются цифро-аналоговому преобразованию и в виде непрерывных сигналов поступают к потребителю.

5.5. Системы передачи данных

В качестве примера информационной системы рассмотрим одноканальную СПД, осуществляющую передачу информации в одном направлении. Структурная схема показана на рис.5.3.

Рисунок 5.3 – Структурная схема системы передачи данных

Основным структурным элементом СПД является информационный канал. На его вход поступают дискретные сообщения X с выхода источника сообщений. Последний, при необходимости, содержит выходной преобразователь, с помощью которого формируется дискретная последовательность сигналов

X = (x₁, …, x_i, …, x_m). (5.11)

Исходное сообщение X называют кодовым словом, кодовой последовательностью, кодовой комбинацией. Его элементы x_i, i = 1, …, m являются элементами некоторого S-элементного множества, которое называют S-ичным алфавитом. Наиболее широко в СПД применяется двоичный алфавит S = {0,1}. В таком случае компоненты x_i любых кодовых слов могут принимать значения 0 или 1. Таким образом, на вход информационного канала поступают сообщения, закодированные некоторым S-ичным кодом. Последовательность (5.7) является информационным аналогом исходного сообщения.

Дискретные сигналы в физическом представлении и их компоненты (элементарные символы) будем обозначать так же, как их информационные аналоги, т.е. X и x_i, i =1, …, m. По своей физической сущности элементарные символы x_i, i= представляют собой электрические импульсы разных потенциальных уровней. Число этих уровней равно мощности алфавита S.

Сигнал (сообщение) X, несущий (несущее) в закодированном виде определенную информацию, передается в пространстве с помощью информационного канала потребителю сообщений в виде дискретного сигнала

Y=(y₁, …, y_m). (5.12)

Последовательность (5.12) представляет собой кодовое слово в том же коде, что и сообщение X. При необходимости потребитель сообщений имеет в своем составе входной преобразователь для измерения формы представления информации (например, для преобразования дискретной последовательности Y в непрерывный сигнал). Это может быть необходимым в ИИС.

Информационным каналом, или дискретным каналом связи, называется совокупность технических средств, с помощью которой обеспечивается передача сообщений от источника до потребителя (получателя) по одной линии связи. Информационный канал содержит кодирующее и декодирующее устройства (кодер и декодер) соответственно на его входе и выходе.

Тракт передачи сигналов с выхода кодера на вход декодера называют непрерывным каналом связи. Его структурная схема показана на рис.5.4.

Рисунок 5.4 – Структурная схема непрерывного канала связи

Непрерывный канал представляет собой последовательное соединение модулятора, линии связи и демодулятора. Устройство, представляющее собой конструктивное объединение модулятора и демодулятора, называется модемом. Аналогично, конструктивное объединение кодера и декодера называется кодеком. Линия связи – это физические средства, например, оптоволоконный или коаксиальный кабель, по которому распространяются электрические сигналы. Модуляция сигналов необходима для эффективного использования линии связи и уменьшения искажений сигналов под влиянием помех, действующих в линии связи.

Кодер предназначен для преобразования исходного сообщения X в кодовую комбинацию

X_к=(X_к1, …, X_кi, …, X_кn), (5.13)

которая называется входной последовательностью канала. Последовательность X_к отличается от последовательности X тем, что она представляет исходное сообщение X в другом, помехозащищенном коде. Это дает возможность повысить вероятность обнаружения ошибок в переданных сообщениях, исправлять обнаруженные ошибки (при применении специальных корректирующих кодов).

В непрерывном канале последовательность X_к модулируется, предается модулированным сигналом по линии связи, демодулируется с помощью демодулятора и поступает на выход канала в виде кодовой последовательности

Y_к=(y_к1, …, y_кi, …, y_кn) (5.14)

в том же коде, что и последовательность X_к. Последовательность Y_к называется выходной последовательностью канала.

В рассмотренных структурных схемах СПД, информационного и непрерывного каналов не показаны ряд дополнительных элементов. Это буферные устройства на выходе кодера и входе декодера для временного хранения передаваемого X_к и принятого Y_к сигналов и решающие устройства для обнаружения искажений и ошибок в сигнале Y_к и управления операциями стирания сообщений или повторения их передачи.

Искажениями называют существенные различия физической формы элементарных сигналов X_кi и y_кi, I = и, например, сильное различие потенциального уровня сигналов. Первое решающее устройство обнаруживает искажения, исправляет их, а если исправить не удается, то принимает решение о повторной передаче сообщения X_к. Второе решающее устройство обнаруживает ошибки, т.е. несовпадения последовательностей X_к и Y_к, принимает решения о стирании сообщения Y_к из памяти буфера и организации переспроса. Если ошибки не обнаруживаются, то передача считается осуществленной правильно и сигнал Y_к передается декодеру на декодирование. При этом не исключается, что последовательность Y_к содержит необнаруженные ошибки.

Обобщим рассмотренный процесс передачи исходного сообщения X по информационному каналу следующим образом. Источник выдает поток сообщений X в незащищенном коде. Эти сообщения накапливаются в буферном накопителе (в составе источника) и выбираются кодером, который осуществляет преобразование F: X→X_к исходных сообщений X в помехозащищенные кодовые последовательности X_к. Каждая очередная последовательность X_к хранится в буферном регистре кодера до окончания процесса ее передачи в информационном канале. С помощью передатчика последовательность X_к передается в канал связи, который осуществляет преобразование F: X_к→Y_к. Решающие и накопительные устройства между каналом связи и декодером осуществляют тождественное преобразование F: Y_к→Y_к с задержкой во времени, если ошибка не обнаруживается, и прерывают процесс в противном случае. Декодер осуществляет преобразование F: Y_к→Y_к, возможно, с исправлением ошибок. Сообщение Y передается потребителю для извлечения информации. Из-за влияния помех в линии связи сигнал X_к в общем случае искажается и в результате появляются ошибки в виде неравенств

Y_к≠X_к, Y≠X.

Под способом передачи сигналов понимают совокупность операции преобразования исходящего сообщения X в сигнал X_Λ=(x_Λ, …, x_Λi, …, x_Λn), передаваемый в линию связи. Последовательность этих операций можно представить так:

X_Λ=Λ_прд (X)=Λ_м Λ_к (X), (5.15)

где Λ_прд – оператор способа передачи сигнала; Λ_м и Λ_к – операторы модуляции и кодирования.

При построении СПД решается задача получения последовательности Y, которая как можно меньше отличается от исходной последовательности X. При этом требуется обеспечить высокие технико-экономические показатели системы, такие как скорость передачи сообщений, достоверность их передачи, приемлемую стоимость, низкую энергоемкость. Эта задача решается путем выбора способа передачи сообщений вида (5.15), от которого зависят решения по выбору отдельных узлов и блоков системы.

В многоканальных СПИ обеспечивается одновременная и взаимно независимая передача сообщений от нескольких источников нескольким потребителям по одной линии связи. Каждый канал содержит только ему принадлежащие элементы трактов преобразования сообщения в сигнал и сигнала в сообщение, и только линия связи общая. Передатчик и приемник линии связи в многоканальной СПИ с частотным разделением сигналов оборудуются специальными уплотняющими устройствами. С помощью уплотняющих передающих и приемных устройств разносят спектры сигналов, передаваемых разными каналами, в заданном диапазоне частот. В целом описание процесса передачи сообщений в такой системе не отличается от такового для одноканальной СПД.

Подводя итог обсуждению принципов функционального построения СПД и ее работы, можем отметить, что эти системы являются одним из видов СПИ. С помощью СПД осуществляется передача дискретных сообщений, что характерно для АСУ разного назначения. Однако существуют системы передачи непрерывных сообщений, используемые в радиовещании, телевидении, ИИС, системах телеуправления (телемеханики). В таких системах осуществляется передача непрерывных сигналов по каналам связи без осуществления процедур кодирования – декодирования. Непрерывные сигналы в большей мере подвержены искажениям, чем дискретные. Поэтому в тех случаях, когда точность воспроизведения непрерывных сигналов на приемной стороне СПИ имеет большое значение, переходят к цифровым (дискретным) СПИ. Это характерно, в частности, для телефонии, телевидения, систем телеуправления и телеизмерений. Передача непрерывных сообщений в таких случаях предусматривает осуществление процедур аналогоцифрового и цифроаналового преобразования, кодирования и декодирования. В рассмотренной СПД такая возможность обеспечивается введением в состав источника и потребителя соответствующих преобразователей.

5.5. Эффективность информационных систем

Оценку информационных систем в процессе их создания либо эксплуатации необходимо производить по определенным показателям. Оценками качества информационных систем являются эффективность, ресурсоемкость и надежность. Эффективность ИС является категорией сравнения. Более эффективной считается та из сравниваемых СПИ, которая характеризуется наибольшим значением критерия эффективности. В информационных подсистемах АСУ в качестве критерия эффективности принимают обычно скорость V_с передачи сообщений, а задача оптимизации процесса передачи сообщений имеет вид

, (5.16)

где Р_в и Р_{в min} – вероятность правильной передачи сообщения и ее минимально допустимое значение. Вероятность Р_в называют верностью передачи сообщений.

В некоторых случаях, когда особое значение имеет достоверность принимаемых сообщений, критерием эффективности является верность, а ограничение накладывается на скорость V_с передачи сообщений. В этих случаях задача оптимизации имеет вид

, (5.17)

где V_{с min} – минимальное допустимое значение V_с.

Другим показателем качества СПИ является ресурсоемкость. Она естественно зависит от энергозатрат на передачу сообщений, аппаратурной надежности всех элементов системы и их стоимости.

Надежность СПИ является третьим показателем качества. Надежность СПИ понимается в двух аспектах: как аппаратурная надежность и информационная. Аппаратурная надежность определяется способностью СПИ к безотказной работе в течение заданного промежутка времени при соблюдении определенных условий эксплуатации. Для информационных систем важной характеристикой является информационная надежность, т.е. способность системы передавать сообщения с достаточной достоверностью. Поэтому ограничение вида Р_в ≥ Р_в.min в задаче оптимизации (2.16) является, по существу, ограничением по информационной надежности. Информация надежность процесса передачи сообщений определяется помехоустойчивостью СПИ. Под помехоустойчивостью понимают способность ИС противостоять вредному воздействию помех и обеспечивать требуемую верность передачи. В этом смысле понятия помехоустойчивости и информационной надежности сходны.

Следует заметить, что меры, принимаемые для повышения помехоустойчивости и скорости передачи сообщений, противоречивы. Повышение V_с почти всегда сопровождается снижением помехоустойчивости и наоборот, попытки повышения помехоустойчивости обычно приводят к снижению V_с.

Методы оценки помехоустойчивости и эффективности информационных систем и способы их повышения являются предметом теории информации и кодирования.

5.6 Контрольные вопросы

Почему можно утверждать, что информация является производительной силой?

Приведите пояснение понятия “информационная технология”.

---

<== предыдущая страница	|	следующая страница ==>
И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АСИММЕТРИЯ МОЗГА	|	Договор розничной купли-продажи

---

Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 395; Нарушение авторских прав

---

Поделиться с ДРУЗЬЯМИ:

Мы поможем в написании ваших работ!