Программирование и информатика / ТОИ / Информация Информационная система Информатика Кибернетика

I) Введение. Предмет информатики. Информация, мера информации. Информационная система.

В окружающем мире каждый предмет несет в себе определенную долю полезных сведений, которые представлены в виде сигналов физической природы (форма, структура, цвет, звук, электромагнитные колебания и волны прочих диапазонов). Все это в совокупности описывает окружающую действительность, которую наблюдает некоторый субъект. В этом случае можно говорить об актуализации сведений, то есть имеется некоторый потребитель, который может воспринимать, перерабатывать и воспроизводить поступающие от окружающих предметов сигналы, являющиеся объектом для наблюдателя. Актуализированные сведения называются информацией.

Информация неразрывно связана с ее потребителем, поэтому, как только субъект перестает существовать, информация теряет свою актуальность и остается только в виде физических сигналов, представляя некоторые сведения. В отличие от материальных предметов окружающего мира, которые имеют свойство появляться и исчезать, тем самым увеличивая или уменьшая свою количественную меру, информация является некоторой энергетической субстанцией, которой свойственно возникать, пополняться, видоизменяться и приобретать другую форму проявления в физических сигналах. Другими словами, информация склонна к расширению и увеличению своих объемов, но никак не к уменьшению. В том числе это происходит по причине того, что потребитель выполняет структурирование и преобразование полученной первичной информации, которая в новой форме может быть не только сохранена, но и воспроизведена для других потребителей. В последнем случае речь идет о производной информации. Действительно, человек для хранения полученных данных использует систему знаков, которые в определенных сочетаниях формируют описание образа того материального предмета, о котором получена информация. Используется языковая система, со своими правилами словообразования, алфавитом, грамматикой. Поэтому производная информация способна к дальнейшей интерпретации посредством воспринимающего ее потребителя. Здесь следует сказать, что в качестве субъекта может выступать как живой организм, так и техническое устройство (сооружение) искусственной (сделанной человеком) или естественной природы. Например, надписи, сделанные много веков назад на глиняных табличках, наскальная живопись, рукописи и книги, произведения искусства, записи в тетрадях, электронные документы и сообщения, все это производная информация, которая зафиксирована в новой форме на материальных носителях информации. В этом прослеживается эволюция человеческих знаний и опыта из различных сфер жизнедеятельности в части передачи информации от предыдущих поколений потомкам. Даже когда одна цивилизация прекращает существовать, накопленные и уже неактуальные сведения предыдущих поколений могут быть актуализированы потомками или представителями других цивилизаций, при условии владения ими техниками и навыками восприятия оставленной предками информации.

В итоге, под информацией следует понимать атрибуты или характеристики окружающего мира, представленные в форме физических сигналов и воспринимаемые некоторым потребителем с целью хранения, переработки, воспроизведения и передачи. Участники информационного обмена образуют информационную систему, объектом (предметом приема и передачи) которой является первичная или производная информация и ее источники, а субъектом – группа потребителей. При этом следует отметить, что каждый отдельно взятый потребитель воспринимает информацию в меру своей оснащенности (технической, методологической, рецепторной). Например, человек находясь в условной географической точке воспринимает определенный объем поступающей к нему информации, который отличен от того информационного объема, который воспринимает в этом же месте человек с ослабленным зрением или слухом. То же самое касается технического вооружения, например, использование радиоприемника или мобильного телефона кардинально меняет уровень восприятия потребителем поступающих сведений, что ведет к их частичной актуализации в той или иной степени. Таким образом, можно говорить об информационном поле, которым пронизано пространство, в каждой точке которого объем актуализированных сведений зависит только от оснащенности потребителя к восприятию. Само же информационное поле в каждой его точке представляет собой максимально возможное количество сведений, которые могут быть актуализированы, в том числе с учетом временного пространства.

Таким образом, информационная система – это совокупность источников информации, ее потребителей, а также регламент (правила, методы и алгоритмы) ее восприятия и обработки. В основе процесса приема и передачи производной информации лежит понятие знака и образа, который он собой знаменует в составе информационного сообщения. По этой причине выделяют три составляющие информации. Во-первых, это синтаксис, то есть правила построения последовательности знаков, которые известны как передающей, так и принимающей сообщение стороне. То есть, каждое завершенное сочетание знаков должно отличаться от другого сочетания, быть обособленным или дискретным. При этом содержание (смысл) знака или последовательности знаков является второй составляющей информации, и называется семантикой. Она отражает образ или толкование синтаксической конструкции знаков. То, какое знание будет получающая сторона информационного обмена воспринимать, а также то, какое знание передающая сторона вкладывает в информационное сообщение. Следует отметить, что весь объем накопленных знаний человечества в разных сферах жизнедеятельности передается из поколения в поколение через различные производные формы информационного взаимодействия. Так, опыт ведения хозяйства первобытных людей передавался через наскальную живопись, предметы утвари, быта. То есть передача знаний происходит через первоисточник (образец предмета, несущего информацию) или другой носитель информации. В последнем случае речь идет об использовании для передачи знаний производной информации, представленной в знаковой форме. Обладание теми или иными знаниями давало первобытным племенам конкурентные преимущества по отношению к их соседям, с которыми они разделяли общее поле добычи продовольствия (охоты на животных и птиц, сбора грибов, трав и ягод). Соответственно, появился предмет бартера, а также экономических отношений между соплеменниками и соседними племенами. В том числе это затронуло и область знаний и опыта, приобретенного и накопленного более успешными в той или иной сфере первобытными людьми. Появилась третья составляющая информации, которая называется прагматической. Она отражает полезность или ценность обладания информацией, насколько подобное знание помогает быть конкурентоспособным. При этом в ходе эволюционного развития человечества и его сфер жизнедеятельности, появилось множество точек применения новых, не ставших общеизвестными, знаний. Это подтолкнуло страны к более активной торговле теми товарами и услугами, которые стали предметом лидерства этих государств в отдельно взятых сферах деятельности, в том числе и по причине внешних факторов (географическое расположение, благоприятные климатические условия, природные достопримечательности и богатства). При этом и сами знания становятся предметом экономических отношений, рассматриваемые как инструмент к качественному скачку в развитии отдельных отраслей производства.

С приобретением все новых знаний, человечество сталкивается с необходимостью систематизации и хранения накопленного опыта в расширяющемся изобилии сфер деятельности, в которых может себя проявить человеческий разум. Созданные для накопления и передачи знаний библиотеки, а также документальные архивы, не способны вместить в себя весь багаж знаний, которым богато человечество. Для работы с отдельным массивом информации человек может потратить огромное количество времени, чтобы найти необходимые для него факты и описания. Рутинная работа по поиску и выбору интересующей читателя информации решается при помощи составления и ведения в библиотеках каталогов. Это яркий пример информационной системы, в которой присутствует не только источник информации и потребитель, но и целая инфраструктура (стеллажи с книгами, каталог изданий, библиотекарь и прочие сотрудники), обеспечивающая (упрощающая) работу читателя с информационными массивами. Однако объемы человеческих знаний так велики, что наряду с книжными библиотеками появляются более вместительные – электронные. На помощь приходит техника и автоматизированные системы обработки информации.

Появляется новое направление человеческих знаний – информатика, наука о методах и способах сбора, накопления, хранения, обработки и передачи информации, а также о технических устройствах, предназначенных для работы с информацией, и технологиях, на базе которых они функционируют. Предшественницей информатики является более широкая по области применения наука – кибернетика. Основная задача, которая стоит перед кибернетикой – это исследование систем управления в различных сферах деятельности человека. Основоположником кибернетики считается американский математик Норберт Винер, однако, задолго до него очертил границы кибернетики и выделил ее как науку, французский ученый и философ Андре-Мари Ампер. В его представлении кибернетика является наукой о текущем управлении государством (народом), которая помогает правительству решать встающие перед ним конкретные задачи, с учетом разнообразных обстоятельств и в свете общей задачи принести стране мир и процветание.

Ампер провел серьезную работу по систематизации отраслей научного познания, и выделил в них два царства: космологические науки – включающие все, что касается материального мира, и ноологические науки – включающие все, что касается человеческой мысли. В свою очередь царства делятся на два подцарства, в которых выделены ответвления. Так, в космологических науках присутствуют подцарства: космологические науки в собственном смысле – рассматривающие неорганическую основу мира, и физиологические науки – рассматривающие органическое проявление мира в живых существах. Ноологические науки разделяются на подцарства: ноологические науки в собственном смысле – изучающие мысль саму в себе и средства, используемые людьми для ее выражения и для изменения мыслей себе подобных, и общественные (социальные) науки – изучающие человеческие общества (объединения людей).

Стоит отметить, что ответвления разделяются на науки первого, второго и третьего порядков, поэтому кибернетика в иерархии Ампера занимает место в ответвлении политических наук наряду с такими отраслями человеческого познания, как этнодиция (наука о взаимных интересах народов и стран, а также об изъявлении своих интересов в виде формальных договоров и соблюдение публичного права народов), дипломатия (наука о толковании обычаев и договоров, предполагающем знание всех обстоятельств, породивших обычаи и договоры, духа, царившего при их возникновении, интересов, которые они оберегают или ставят под угрозу), теория власти, теория законов, юриспруденция, стратегия, тактика, никология (учение о победе), ценольбология (наука об общественном счастье), хрематология (теория производства и потребления благ) и статистика.

Кибернетика, являясь отдельной наукой и изучая вопросы управления систем, проходит по ответвлению политических наук связующим шагом равновесия и баланса. Что выразилось в появившемся позднее научном направлении гомеостатика – учении о равновесии в системах, возникшем спустя столетие из представления кибернетики Винером. К тому же, своеобразным промежуточным звеном между политической кибернетикой Ампера и общей кибернетикой Винера стала развившаяся с начала XX века теория организации, давшая начало такому научному направлению, как синергетика – наука о самоорганизующихся системах.

Ампер, рассматривающий всю сумму человеческих знаний, сформулировал лишь общую идею кибернетики, тогда как Винер решал конкретные задачи, построил для них математический аппарат, основанный на теории вероятностей, и предложил физическую интерпретацию управления как борьбы с неопределенностью и недостатком информации. Кибернетика Ампера – наука о том, как управлять обществом, людьми. Все касающееся орудий труда, машин и механизмов, он относит к технологии. Техника эпохи Ампера, управлялась преимущественно вручную, и главной заботой инженера была не автоматика, а энергетика. Столь же специфическими казались и мало изученные на тот момент процессы управления в живых организмах. Кибернетика Винера является продолжением и обобщением идей Ампера, однако она вместе с тем является продолжением и обобщением автоматики Максвелла, техники связи Попова, вычислительной техники Паскаля, Лейбница, Бэббиджа, физиологии Павлова, статистической физики Больцмана. Винер исходил в первую очередь из потребностей техники, из проблем автоматизации, которые он связывал с вопросами, стоящими в биологической и медицинской областях. В дальнейшем к перечню проблем добавились вопросы управления в обществе. В работах Винера уделяется немало внимания кибернетическому анализу социальных явлений.

Вот как Винер описывает свою совместную работу с мексиканским физиологом Розенблютом: "Прежде всего, нас объединял глубокий интерес к вопросам научной методологии, а кроме того, мы оба были убеждены, что деление науки на различные дисциплины есть не более чем административная условность, нужная лишь для удобства распределения средств и сил. Мы не сомневаемся, что каждый творчески работающий ученый волен ломать любые перегородки, если это нужно для успеха его работы, и нам обоим было совершенно ясно, что наука должна создаваться объединенными усилиями многих людей".

Кибернетика как сфера научного познания выделяет три основных направления:

1. общая, или теоретическая, кибернетика, которая имеет дело с общими математическими моделями управления и представляет собой по существу математическую или физико-математическую (если включать в нее термодинамическую борьбу с энтропией) дисциплину;

2. техническую, или инструментальную, кибернетику, которая заботится о техническом осуществлении и техническом моделировании управления;

3. ряд прикладных ветвей, занимающихся управлением в частных областях и выступающих под названиями кибернетики биологической, медицинской, экономической, военной, психологической, педагогической и других.

Общая кибернетика, несмотря на ряд попыток систематизации, остается еще во многом фрагментарной. К ней относят, например, такие разделы, как теория информации, теория следящих систем (сервомеханизмов), теория конечных автоматов и другие, но их не всегда легко связать между собой.

Техническая кибернетика продолжает традиции классической автоматики: ее главное оружие – электронные вычислительные (они же логические) машины. Современные цифровые устройства соединяют в себе свойства арифметических и логических машин, как ясно отмечено Винером: "Я видел, что цифровая вычислительная машина – машина более логическая, нежели арифметическая, и что она может быть приспособлена к управлению производственными процессами". Это направление кибернетики заслуживает выделения среди других применений общей кибернетики потому, что сама является универсально применимой: с ее помощью автоматизируется управление в различных областях. Технические термины, такие, как "машина", "автомат", "регулятор", часто употребляются и в общей кибернетике, но там они приобретают более широкое и отвлеченное значение.

Прикладные отрасли, постоянно умножающиеся в числе, придают кибернетическим исследованиям их неоднократно отмеченный комплексный, междисциплинарный характер. Большинство этих частных теорий управления существовало и прежде, по крайней мере, на стадии зарождения, но теперь они получили в свое распоряжение единый язык и общий аппарат.

Общий подход повышает эффективность управления, облегчает выбор оптимальных альтернатив. В этом практическом плане кибернетика представляет собой технику наиуспешнейшего достижения целей, как искусство получать максимальные результаты минимальной ценой. Однако, автоматизация процесса управления, передача решений сверхбыстрому электронному мозгу сама по себе не гарантирует искомой оптимальности, поскольку управляющие машины, как "усилители умственных способностей", будут одинаково усиливать и человеческий разум, и человеческую глупость. Винер ясно ощущал эту инструментальную двойственность и необходимость более высоких идеалов и более высокой ответственности для тех, кто хочет воспользоваться плодами кибернетики. Он боялся, что новая наука принесет людям новые беды, обострит драматические противоречия современности и умножит таящиеся в них угрозы: "Вычислительная машина ценна ровно настолько, насколько ценен использующий ее человек". Кибернетика имеет основной целью помочь человеку повысить эффективность своей деятельности по управлению сложными, часто быстротечными и трудно управляемыми процессами.

Среди многих трудных проблем, где кибернетика должна искать помощи других наук, ярко выделяется проблема прогнозирования. Предсказание будущего поведения системы и ее окружения есть необходимое условие хорошего управления ею. Уже в ранних работах Винера и Розенблюта предсказывающее (экстраполирующее) поведение было выделено как высший тип целенаправленной деятельности. Винер много занимался теорией статистического предсказания и ее применения к технической кибернетике. Однако социальная кибернетика нуждается в более сложном экстраполяционном аппарате, так как только статистическая трактовка оказывается во многих случаях ненадежной и неправомерной. Исследователи общественных процессов стремятся сочетать количественные оценки с качественными, отражающими общие тенденции развития. Социальное прогнозирование имеет разные аспекты: экономический, демографический, политический и другие. Ввиду необходимости учитывать будущие достижения науки и техники оно связано с научно-техническим прогнозированием. Возросшая потребность в прогнозах постепенно формирует новую комплексную науку, получившую название футурология (меллонтология). Прогнозирование науки и техники приводит к проблемам науковедения, в том числе к проблеме классификации наук, возвращая кибернетику во времена ее трактовки Ампером.

Следуя веяниям времени, Винер считал возможным создание машины "умнее своего создателя". Проблема роботов – это, в сущности, лишь часть общей проблемы растущего могущества, предъявляющего свои требования к тому, кто им владеет. Однако альтернатива "искусственный разум – естественный разум", по-видимому, допускает и третье, более интересное решение, в некотором смысле сочетающее в себе первые два. Человек будущего вряд ли останется таким же "натуральным" существом, таким же теплокровным позвоночным, каким он стал в результате естественного отбора. Почти наверное, он будет искусственно развивать свой мозг и свое тело, будет по воле лепить и изменять свою физическую оболочку. Ему по силам быть впереди любого возможного робота. Это будет биологическая революция, и если смелые гипотезы оправдываются, она будет означать преобразование всего человеческого существования. Быть может, далекий смысл "смелой" винеровской идеи о передаче человека по телефонной линии (телепортировании) как раз и заключается в достижении человеком перевоплощаемости.

Информация, как инструмент в принятии управленческих решений, имеет количественный и качественный показатели. Количественная мера (синтаксис) определяет тот объем поступающих сведений, которые могут быть полезны, и восприняты потребителем с целью уменьшить свою неосведомленность в отдельно взятом вопросе. Если поступающая информация непонятна или требует определенных усилий со стороны человека для ее усваивания (декодирования), то можно говорить о такой информации как об информационном шуме. При этом говоря о качественной характеристике (семантика), мы понимаем простоту и ясность поступающих к потребителю сведений, то есть усваивание информации с минимальными трудозатратами со стороны воспринимающего ее человека. Так при передаче информации важно знание не только алфавита (набора знаков), но также семантики сочетаний его элементов. Здесь речь идет о тезаурусе (словаре терминов) передающей и принимающей информацию сторон. Чем в большей степени они соответствуют друг другу, тем полезнее будет для потребителя полученная информация, тем более он будет осведомлен. Если словари разнятся, то получаемая информация не будет иметь особого смысла для воспринимающего субъекта, и наоборот полное и понятное изложение информации при передаче полностью снимет неосведомленность в том или ином вопросе. Когда речь идет о количестве информации, отправной точкой берут именно неосведомленность потенциального потребителя. Насколько будет снижен уровень неосведомленности, или другими словами, насколько после получения информации человек будет осведомлен, и есть то количество информации, которое потребитель усвоил. Для измерения количества информации используется соотношение, предложенное Клодом Шенноном, которое выглядит так: , где – энтропия (неопределенность потребителя) до получения информации, – энтропия после получения сообщения. В идеальной ситуации, когда речь идет о конкретной ожидаемой информации , при передаче отсутствуют помехи, а тезаурус получателя и отправителя имеют общую область пересечения в части передаваемого сообщения , то , а . Определение единицы количества информации достаточно произвольно. Наиболее распространенной единицей является бит – количество информации, получаемое при выборе одного из двух равновероятных элементов. Такая интерпретация единицы измерения количества информации тесно связана с формулой расчета энтропии. Неопределенность является свойством дискретного источника информации, который формирует информационные сообщения, составляя их из имеющихся в его распоряжении различных знаков , , …, , …, . В совокупности все символы, которые могут быть включены в состав сообщения, образуют алфавит. Для каждого знака существует характеристика вероятности его появления в том или ином информационном сообщении , , …, , …, . Совокупность элементов алфавита и их вероятностей удобно записывать в виде матрицы , называемой конечной схемой.

В большинстве реальных случаев появление в последовательности информационного сообщения знака зависит от того, какой элемент ему предшествовал. Это важно для семантической меры информации, что в свою очередь усложняет вид конечной схемы и формулу вычисления энтропии. В технических устройствах принято измерять количество информации по синтаксической мере, то есть без учета зависимостей между знаками алфавита, присутствующих в сообщении. При независимых элементах с вероятностями, заданными конечной схемой неопределенность вычисляется по формуле

.

Основание логарифма, которое будет взято при расчетах, свидетельствует о выбранной единице измерения. Если это основание 2, то единицей будет бит. Более редкие единицы измерения дит, когда основание соответствует 10, и нат – основание логарифма соответствует константе числа . Для технических устройств, которые преимущественно, даже при выполнении арифметических действий, используют логические операции, существует два состояния – 0 и 1 (ложь и истина). Эти два дискретных (четко разделимых) значения, которые соответствуют двум состояниям сигнала (есть сигнал или нет сигнала) в технике, позволяют представлять в различных сочетаниях достаточно широкий диапазон значений, минимальные и максимальные границы которых зависят от количества представленных в комбинации знаков (разрядов числа). Так, в привычной нам десятичной системе счисления используются знаки от 0 до 9 (в общем количестве 10 разных обозначений), что позволяет одним знаком (цифрой) передать информацию о количестве, соответственно, в диапазоне от 0 до 9. Если есть необходимость включить в информационное сообщение числовой показатель из большего диапазона значений, то используется несколько знаков. В итоге диапазон задаваемых значений рассчитывается по формуле , где – верхняя граница диапазона, – количество знаков алфавита для обозначения количественной меры одного разряда, – количество разрядов в записи числа.

Иначе говоря, представление некоторого сообщения в числовой форме называется кодированием. Хотя, из истории известна масса примеров, где для кодирования информационного сообщения использовались знаки другого алфавита (не цифры). Однако следует отметить, что в таких случаях речь шла не о компактной и удобной для передачи или хранения форме записи сообщения, а о сокрытии передаваемой информации от третьих лиц. Такое кодирование называется шифрованием. В отдельных случаях, сам факт передачи информации должен быть незаметен, кроме как осведомленному и ожидающему получения сообщения лицу. Такая форма кодирования называется стеганографией.

В технических системах с двоичным представлением сигнала, в котором каждый из двух знаков равновероятен и независим, для определения количественной меры информации принято использовать формулу Хартли , которая является упрощенным выражением формулы Клода Шеннона. Действительно, приняв во внимание равновероятность появления в составе кода 0 и 1, которая составляет , мы легко можем упростить громоздкое выражение формулы Клода Шеннона. . Выполнив приведение выражения к основанию логарифма 2, получим соотношение , из которого следует, что количество информации в коде из разрядов соответствует битам.