Лекция 6. (Системный анализ) Информационное и генетико - прогностическое описания.

Темы: информационное и генетико - прогностическое описания.

1. Информационное описание

Информационное описание позволяет оценить организованность (или неорганизованность) системы, характеризует циркулирующие в системе информационные потоки, определяет упорядоченность системы и, следовательно, выражает способность системы предсказывать свое будущее поведение и оценить перспективы совершенствования.

Чтобы система существовала, т.е. взаимодействовала со средой, она должна обмениваться с ней информацией. Обменный процесс, отражающий взаимодействие подсистем и связанный с передачей вещества, энергии и информации в количествах отдельных квантов-порций, значимо различимых для взаимодействующих подсистем, определяется как метаболизм. Различают информационный, вещественный и энергетический метаболизм, которые вместе составляют полный метаболизм системы.

Функциональные процессы в сложной системе тесно связаны с информационными. Источником информации для функционирования системы являются подсистемы и внешняя Среда. Содержание информации составляют всевозможные сведения (сообщения) об объектах-передатчиках информации, представленные в виде конкретной системы символов, различаемых подсистемами-приемниками этой информации.

Сведения отражаются посредством носителя-сигнала, представляемого в форме вещества или энергии путем изменения (модуляции) параметров сигнала. С помощью сигналов между подсистемами осуществляется обмен информационными сообщениями. Один сигнал при использовании для модуляции нескольких его параметров способен передавать несколько сообщений. В зависимости от содержания передаваемые сигналы делятся на осведомительные, т.е. сообщающие какую-либо информацию, и исполнительные, т.е. содержащие какую-либо команду к действию. Различают дискретные и непрерывные сигналы. Примером дискретного сигнала является передача информации азбукой Морзе; примером непрерывного — изменение напряжения в сети. Поскольку сигналы служат для передачи информации в пространстве и времени, для их образования могут использоваться только объекты, состояния которых устойчивы по отношению к течению времени или к изменению положения в пространстве. С этой точки зрения сигналы делятся на два типа. К первому типу относятся сигналы, носителями которых являются объекты, характеризующиеся стабильным состоянием. Ко второму типу относятся сигналы, в качестве которых используются динамические состояния силовых полей. Такие сигналы называются динамическими. Примером сигнала первого типа является книга, магнитофонная запись и т.д.; второго типа — световые и радиосигналы (изменение состояния электромагнитного поля).

Всякое сообщение состоит из комбинации простых сигналов определенной физической природы. Полный набор простых сигналов называют алфавитом. Описание сообщения с помощью алфавита называется кодированием. При этом устанавливается однозначное соответствие между параметрами сигнала и информацией. Кодирование может выполняться человеком, однако существуют и естественные способы кодирования (например, кодирование наследственной информации).

Сигналы должны удовлетворять требованиям изоморфизма. Под изоморфизмом понимают такое соответствие физически различных явлений, при котором не искажается содержание передаваемого сообщения. Нарушение изоморфизма приводит к искажению информации. Искажение сигналов как вследствие нарушения изоморфизма, так и в результате действия внешних помех называют шумом. Эффективными способами борьбы с искажениями информации является создание ее избыточности (т.е. включение в структуру сигнала большего числа элементов, чем это минимально необходимо при отсутствии помех) и передача сигналов по большому количеству каналов.

Среда, по которой передаются сигналы, называется каналом связи. Пример. При устном разговоре сигналом является речь, а каналом связи — воздух; при радиопередаче музыки сигналом является звук, а каналом связи — электромагнитное поле и воздух.

Каналы связи характеризуются такими показателями как:

• верность передачи — мера соответствия принятого сообщения передаваемому;

• помехоустойчивость — способностью системы противостоять вредному воздействию помех;

• скоростью передачи - количеством информации J, передаваемой через линию связи между источником и приемником сообщений в единицу времени.

Информация — это отражение одного объекта другим. Количество информации — числовая мера информации, содержащейся в одном случайном объекте о другом случайном объекте.

Отметим некоторые свойства информации:

1. Информация имеет смысл при наличии приемника информации.

2. Информативно только то сообщение, которое ранее не было известно и в котором нуждается объект.

Отсюда следует, что информация уменьшает степень незнания, т.е. процесс извлечения информации связан с увеличением определенности сведений об объекте. Сообщение несет информацию об объекте, если из совокупности реально возможных событий указывается некоторое определенное. Чем больше различных возможностей имеет событие, тем большую информацию о нем несет сообщение. Таким образом, процесс извлечения информации можно рассматривать как изменение неопределенности в результате приема сигнала. Мера неопределенности случайной величины с конечным числом исходов п, определяемая как количество информации, приходящееся на один символ сообщения в среднем, называется энтропией. Величина энтропии зависит от априорной вероятности пребывания системы в любом из п возможных состояний.

Энтропия является вещественной неотрицательной величиной, ограниченной сверху; она служит априорной характеристикой и рассчитывается по так называемому статистическому ряду, характеризующему вероятности реализации различных состояний системы. При этом, чем больше п, тем в большей степени будущее системы зависит от случайности. При равных вероятностях всех возможных состояний система полностью дезорганизована, так как во всякий момент времени она может перейти в любое состояние. О таких системах говорят, что они обладают максимальной энтропией. Повышение упорядоченности означает увеличение зависимости между факторами, определяющими поведение системы, выделение предпочтительных состояний, что приводит к предсказуемости ее поведения. Применительно к внешним случайным факторам необходимым условием появления возможности предсказания поведения системы является наличие модели среды в системе (принцип «отображения Среды»).

Наибольшее значение информационное описание имеет для сложных систем, особенно для тех из них, морфология и функционирование которых подчинено вероятностным законам. Реализацию конкретной морфологической структуры или конкретной реакции на внешнее воздействие из определенного множества возможных структур и реакций принято рассматривать как реализацию некоторого сообщения - события, для которых можно ввести информационные представления. Поэтому информационное описание нельзя рассматривать как абсолютно самостоятельное. В нем следует различать морфологическую и функциональную части, которые легко было бы получить из полных морфологического и функционального описаний. Однако, несмотря на это, информационное описание является одним из важнейших для характеристики сложных систем. Многие входящие в него сведения можно получить экспериментальным путем, используя методы информатики, а затем пользоваться ими как самостоятельными сведениями. Кроме того, для хаотических, слабоструктурированных и неустойчивых систем информационное описание часто является единственным, позволяющим получить представление о свойствах подобных систем.

Выполнение той или иной функции в любой системе связано с взаимодействием подсистем, поэтому показатели качества зависят от параметров информационных потоков, которыми обмениваются подсистемы. Характеристика этих потоков входит в информационное описание системы.