Информационные устройства и системы
3. Информационные системы
3.1. Место и роль информационных систем
Информационная система (ИС) представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, предназначенных для получения измерительной и другой, необходимой для нормального функционирования МС информации, ее передачи, хранения и преобразования (в том числе осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации) в целях представления этой информации потребителю (системе управления или человеку-оператору) в виде, удобном для принятия решения.
Свойства МС зависят от характера ее информационных, энергетических и вещественных связей. Энергетические связи предназначены для переноса энергии между подсистемами МС и между МС и внешней средой, а информационные – для переноса информации. Поскольку вещество может являться носителем энергии и информации (например, пища живых существ выполняет обе эти функции) при переносе вещества также может осуществляться перенос, как энергии, так и информации.
Информация – единичное сообщение либо совокупности сообщений, которые снимают неопределенность, существующую до их поступления. Если сообщения не снимают неопределенности, они может быть отнесены к информационным шумам. Если сообщения увеличивают неопределенность, то они несут в себе дезинформацию, численно равную разности энтропий до и после их поступления [1].
Синхронизация и координация работы всех подсистем МС осуществляется путем обмена информацией. Это не только наиболее экономичный, но, вероятно, единственный реальный способ обеспечения оперативной координации, так как вещественные и энергетические процессы протекают несравненно медленнее информационных.
ИС являются важнейшей составной частью МС и занимают в них особое место: именно они обеспечивают координацию и синхронизацию работы всех других систем. Благодаря ИС объект приобретает новые системные свойства (целостности, организованности, иерархичности структуры), которые не являются простой суммой свойств составляющих систем.
Любая МС должна иметь возможность контролировать состояние своих подсистем, а также значимые для ее нормального функционирования параметры внешней среды. Такая информация позволяет, например, мобильному роботу следить за своим состоянием, правильно ориентироваться в окружающем пространстве, выбирать оптимальный маршрут движения и рабочие объекты, своевременно избегать опасных ситуаций (перегрева, опрокидывания, причинения вреда человеку и т. п.). При этом, чем выше «интеллектуальный уровень» мехатронной системы, тем в большей степени работа ее системы управления основана на текущей информации, поступающей от датчиков и обрабатываемой в реальном масштабе времени.
ИС различных мехатронных устройств имеют одну общую цель – обеспечение упорядоченного обмена полной, достоверной (а при необходимости конфиденциальной) информацией между различными системами внутри устройства и с внешней средой, что необходимо для надежного функционирования мехатронного устройства как единого целого. Степень выполнения этой функции характеризует качество работы ИС.
Ценность информации получаемой системой или содержащейся в ней можно выразить через вероятность достижения цели: если до получения информации эта вероятность равнялась Ро, а после получения стала равной Р1, то при Р1>Ро информация имеет положительную ценность, а при Р1<Ро – отрицательную (дезинформация), т. к. она уменьшает вероятность достижения цели. Наивысшую ценность имеет та информация, которая делает вероятность достижения цели почти стопроцентной.
Животные организмы (как и сложные МС) имеют многоуровневую систему анализа поступающей информации и выработки сигналов управления. Информация в виде электрических импульсов передается от рецепторов (датчиков), расположенных по всему телу животного, в центральную нервную систему, а из нее сигналы управления поступают к исполнительным механизмам (мышцам, железам и др.) различных органов.
Кроме пяти органов чувств, обеспечивающих человека информацией об окружающем пространстве, в его организме находится огромное количество датчиков, сигнализирующих о состоянии внутренних органов и систем организма (например, о давлении и химическом составе крови; скорости и текущем угле поворота суставов конечностей и т. д.) [2].
В процессе эволюции ИС биологических объектов достигли высокого уровня совершенства. Многие параметры этих систем остаются недостижимыми для современных технических устройств. Это, например, огромный динамический диапазон входных сигналов для органов чувств (например, диапазон яркостей воспринимаемого глазом света - от прямых солнечных лучей до единичных фотонов); миниатюрность датчиков, их способность воспринимать слабые сигналы при высоких уровнях шума; способность системы обработки информации распознавать нечеткие образы; высочайшая надежность биологических ИС, колоссальный объем хранимой в памяти информации, ассоциативные методы очень быстрого извлечения нужной информации и пр.
ИС биологических объектов выполняют с информацией все операции, которые производятся в известных нам технических ИС: передачу, преобразование (в том числе усиление, модуляцию, кодирование, отбор), запись в оперативную и долговременную память и т. п. Большая часть этой информации обрабатывается на низшем уровне (это обеспечивает автоматическое поддержание нормальной работы внутренних органов - требуемой частоты сердечных сокращений, давления крови, состава выделений желез внутренней секреции и т. п.) и поступает в высшие отделы нервной системы лишь тогда, когда отклонения параметров внутренней среды организма грозят выходом за установленные пределы. Это служит животному сигналом для изменения его поведения (например, увеличение густоты крови ощущается животным как жажда и заставляет его искать воду). Примером обработки информации на высшем уровне служит мыслительная деятельность человека.