1. Информация. Информационный обмен. Основные термины и определения.

Чисто информационные процессы: сбор, передача, переработка, хранение и представление информации. Информация есть отражение реального мира, информация объединяет все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования. Проявляется она всегда в материально-энергетической форме в виде сигналов.

Процесс «взаимодействия» между массой, энергией и информацией можно, условно, представить в виде структурной схемы

Событие. Первичным и неделимым элементом информации является элементарное событие по бинарному алгоритму. Величина – есть упорядоченное в одном измерении (по шкале значений) множество событий, причем каждое из них отвечает принятию величиной какого-либо одного значения. Функция Х(t) есть соотношение между величиной Х и переменной (t). Комплекс. Полный комплекс информации X(T, N) есть соответствие между величиной X и двумя переменными .

2. Фазы обращения информации.

Цикл обращения информации рассматриваем как цикл преобразования сигналов, несущих информацию.

Восприятие состоит в том, что формируется образ объекта, производится его опознание и оценка. В фазу восприятия может включаться операция подготовки информации, ее нормализации, квантования, кодирования, модуляции сигналов и построения моделей.

Трансляция (передача-прием) информации состоит в переносе ее на расстояние. Обработка информации заключается в решении задач, связанных с преобразованием информации. Промежуточным этапом обработки является хранение. Представление-демонстрация перед оператором условных изображений. Воздействие - сигналы, несущие информацию, производят регулирующие или защитные действия, вызывая изменения в самом объекте. Активное воздействие на информацию может оказывать либо сам источник, либо потребитель. Часть системы, оказывающую активное воздействие на ее работу, называют субъектом, а пассивную – объектом.

3. Виды информации.

Информацию можно различать по областям знаний (биологическая, техническая, экономическая и др.), по физической природе восприятия (зрительная, слуховая, вкусовая и др.), а также по структурно-метрическим свойствам. Классификация информационных потоков по физической природе: зрительная информация, аудиоинформация, тактильная информация , терморецепторы, одорорецепторы, химические рецепторы. В технических приложениях структурно-метрическая классификация:

Вид информации	Обозначение	Форма представления информации
		топологическая	абстрактная	лингвистическая
Событие	Ф0	Точка	Суждение	Знак
Величина	Ф1	Линия	Понятие	Буква
Функция	Ф2	Поверхность	Образ	Слово
Комплекс	Ф3	Объем	Система	Предложение
…	…	…	…	…
Поле	Фn	Пространство	Универсум	Фонд

В данной таблице виды информации можно разделить по размерности информационных множеств. Информацией нулевого порядка (нульмерной информацией) принято называть такую, которая соответствует образу («мощности») точки, первого порядка (одномерная информация) - линии, второго порядка (двумерная информация) - поверхности, третьего порядка (трехмерная информация) – объема. Если, собственно, фактологическая информация обладает количественными характеристиками, то такая информация называется параметрической. К чисто топологической можно отнести - геометрические образы, различные плоские изображения и объемные объекты. Абстрактную информацию применяют в исследованиях на высоком теоретическом уровне, когда нужны отвлечения, обобщения и символизация.

4. Структурные преобразования информации.

В разных процессах информация может иметь различное строение, то есть претерпевать различные структурные преобразования.

Виды структур:

Натуральная информация отражает реальное состояние объекта. Нормализованная информация отличается от натуральной тем, что каждое множество {X}… уже приведено к единому масштабу, диапазону, началу отсчетов и нормализованным характеристикам. Комплексированная информация образуется в результате приведения всей информации к полному комплексу, т.е. к трехмерной системе {Х, T, N}. Изменение числа измерений структуры и расположения элементов приводит к форме декомпонированной информации.

Генерализованная информация не содержит второстепенных частей, данные обобщены и укреплены.

Дискретная информация совпадает с исходной, натуральной информацией по физической размерности, но отличается от нее прерывным характером. Безразмерная информация отличается от натуральной универсальной, безразмерной, числовой формой.

Наконец, кодированная информация отличается используемым законом преобразования исходного алфавита в код.

5. Измерение информации. Геометрическая мера.

Геометрическая мера. Определение количества информации геометрическим методом сводится к измерению элементов формы (длины линии, площади или объема геометрической модели) данного информационного комплекса в количестве дискретных единиц.

Геометрической мерой определяется потенциальное количество информации.

Информация отражается полным комплексом XTN. Если дискретные отсчеты осуществляются по осям X, T и N соответственно через интервалы Δ_X, Δ_T и Δ_N, то непрерывные координаты раскладываются на элементы, количество которых составляет: ; ; .

Тогда количество информации, определяемое геометрическим методом, равно: M = m_X ·m_T ·m_N.

6. Комбинаторная мера информации.

К комбинаторной мере целесообразно прибегать тогда, когда требуется оценка возможности передачи информации при помощи различных информационных элементов.

Количество комбинаций в комбинаторной мере вычисляется как количество комбинаций элементов. Таким образом оценке подвергается свойство потенциального структурного многообразия информационных комплексов. Сочетания из n элементов по m различаются неодинаковым составом элементов. Их возможное число (при n ≥ m) равно:

.

Сочетания с повторениями также различаются составом элементов, но элементы могут в них повторяться до “m” раз. Их число равно:

.

Перестановки h элементов различаются только их порядком. Число возможных вариантов равно:

Перестановка с повторениями элементов, причем один из элементов повторяется α раз, другой β раз, и , наконец, последний γ раз, характеризуется возможным числом вариантов.

Размещения из h элементов по m различаются и по составу элементов и по их порядку. Возможное число размещений:

.

Возможное число размещений с повторениями до m раз из h элементов есть: .

7. Аддитивная мера информации. Мера Хартли.

Введем понятие глубины h и длины l числа.

Глубиной h числа называется количество различных элементов, содержащееся в принятом алфавите. Глубина числа соответствует основанию системы счисления или кодирования. Используем в качестве геометрической модели схему, представленную на рис. 1.7.

Рис. 1.7.

При глубине h и длине l емкость гряды зависит от длины числа l. Вследствие показательного закона зависимости Q от l. Хартли ввел аддитивную, двоичную логарифмическую меру, позволяющую вычислить количество информации в двоичных единицах «битах». То есть I=log₂Q=llog₂h (бит). I – количество информации по Хартли. Если количество разрядов (длина l числа) равно 1 (h=2), то 1log₂2=1бит. Она соответствует одному элементарному событию, которое может произойти или не произойти.

8. Системы счисления. Ряды Фибоначчи.

Для представления цифровых величин используются не только цифры натурального ряда, наиболее широко распространенные для традиционных величин.

Действительно, если в отличие от натурального ряда, в котором каждое последующее слагаемое образуется путем увеличения предыдущего элемента на единицу: 0, 1, 2, 3… и т.д., то в ряду Фибоначчи каждый последующий элемент есть сумма двух предыдущих: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34 и т.д. Отношение двух соседних элементов ряда при возрастании их номера до бесконечности имеет предел:

.

Выражение определяет значение «золотой» пропорции - τ≈1,618.

Цекендорф предложил систему счисления на основе чисел Фибоначчи:

N=a_nF_n + a_n-1F_n-1 + …+ a_iF_i +…+ a₁F₁, где a_iє{0, 1}- двоичная цифра i-разряда, F_n-числа Фибоначчи:

F_n = F_n-1 + F_n-2

F₁ = F₂ = 1

F₀ = 0

.

Дж. Бергманом. предложена новая система τ-счисления:

A = a_nτⁿ + a_n-1τ^n-1 +…+ a_iτⁱ +…+ a₁τ¹ = , iє{0, ±1, ±2…},

где . Основным элементом при построении чисел берется вещественное число τ, которое одновременно является корнем алгебраического уравнения х²-х-1=0 и обладает следующим замечательным свойством: τⁿ = τ^n-1 + τ^n-2, n=0, ±1, ±2… ..

9. Статическая мера информации.

При вероятностном подходе информация рассматривается как сообщения об исходе случайных событий, реализации случайных величин и функций, а количество информации ставится в зависимость от априорных вероятностей этих событий, величин, функций. Сообщение о часто встречающихся событиях, вероятность появления которых стремиться к 1, то есть к показателю полной достоверности, является малоинформативным. Столь же малоинформативным является сообщение о противоположном событии.

События можно рассматривать в виде полной группы событий .

Вообще событиями могут бытьn возможных дискретных состояний, при этом выполняется соотношение .

В материальных системах неопределенность каждой ситуации характеризуется энтропией. Энтропия количественно выражается как средняя функция множества вероятностей каждого из возможных исходов опыта:

. Количество информации только тогда равно энтропии, когда неопределенность ситуации снимается полностью. Если неопределенность снимается полностью, то информация равна энтропии: I=H.

В случае неполного разрешения имеет место частная информация, являющаяся разницей между начальной и конечной энтропией: I=H₁-H₂

10. Оценка качества измерений и контроля.

Измерением называется совместимость экспериментальных и дополнительных вычислительных операций, имеющих целью определение значения измеряемой величины, выраженного в принятых единицах .

Прямые измерения – есть измерения, проводимые непосредственно над самой величиной, подлежащей оцениванию.

Косвенные измерения – есть измерения, при которых измерительные, прямые операции осуществляются над величинами, имеющими известную (аналитическую) связь с оцениваемой величиной.

Контроль – это операция вынесения суждения о том, что величина относится к одной из нескольких непересекающихся областей, на которые разбита вся область определения контролируемой величины. Качество операций измерения или контроля часто целесообразно оценивать не только по количеству информации, но и по погрешности, с которой операция выполнена .

В производственный условиях осуществляют выборочный, статистический контроль. Принципиальным отличием операций контроля от операции измерений заключается в том, что при выборочном контроле помимо подмножеств годных и бракованных изделий, возникают два подмножества, основанные на «ошибках» двух видов: 1-го и 2-го рода .

Ошибка 1-го рода – «риск поставщика» связана с неправильной браковкой заведомо годных изделий.

Ошибка 2-го рода – «риск потребителя» связана с необоснованной приемкой заведомо бракованных изделий.

Формально процесс измерения можно описать как отображение множества возможных значений измеряемых величин на множество элементов шкалы измерительного устройства.

11. Семантическая мера информации.

Под семантикой понимается смысл, содержание информации.

В инженерных приложениях прагматические оценки сливаются с семантическими. При этом выделяются содержательность, целесообразность и существенность информации.

Следствием потребительского аспекта является дополнение информации понятием актуации – активирующего запроса информации со стороны заинтересованного приемника. Принято различать три уровня (типа) запросов:

- запрос с отсутствием предвосхищения ответа

- запросы с частичным содержанием ответа

- запросы с полным содержанием ответа и требующие только его подтверждения.

Тезауруса-запас знаний.

Функционирование системы на этапах извлечения, передачи и приема информации в виде структурной схемы

Источник Приемник

(объект) Канал (субъект)

Потеряно

Энтропия H Шум N Тезаурус Θ

На этой схеме источник (объект) обладает определенной энтропией Н, которая характеризует способность источника отдавать информацию. Отдача может быть неполной.

Информация I = H₁ – H₂ поступает в канал, где часть информации теряется или искажается шумом N. Оставшаяся информация I достигает приемника и воспринимается им в той степени, в которой это позволяет тезаурус.

12. Категории порядка. Основные определения. Способы упорядочивания выборок.

13. Законы распределений и их параметры для порядковых статистик.

14. Ранговая корреляция. «Меры беспорядка».

15. «Безэталонные» измерения и классификация.

16. Организация экспертных оценок.

17. Методы непосредственного оценивания и методы попарного сопоставления.

18. Количественные меры достоверности экспертного оценивания.

19. Передача информации. Механические каналы.

По назначению передаваемую информацию можно разделить на:

1) осведомительную: телеизмерения, связь, передача данных, обнаружение.(главное: сохранение точности)

2) управляющую: телеуправление, телерегулирование, коммутации.(главное: надежность)

Канал -. физическая среда, по которой перемещаются сигналы. Механические каналы

Применяются для передачи на короткие расстояния (до 500 м) сигналов в виде механических усилий. Разновидности:

Жесткие. Макс. протяженность - до нескольких десятков метров. Гидравлические, Передаточной среда - жидкость. Макс. протяженность - несколько метров. Пневматические каналы,среда – воздух ,макс. прот-ть - несколько сотен метров.

20. Передача информации. Акустические каналы.

По назначению передаваемую информацию можно разделить на:

1) осведомительную: телеизмерения, связь, передача данных, обнаружение.(главное: сохранение точности)

2) управляющую: телеуправление, телерегулирование, коммутации.(главное: надежность)

Канал -. физическая среда, по которой перемещаются сигналы.

Акустические каналы предназначены для передачи речевых и музыкальных программ. Средой для передачи могут служить любые звукопроводящие материалы и среды. По диапазону частот передаваемых сигналов акустические каналы делятся на две группы:

1. звукового диапазона (до 20 кГц)

2. ультразвукового диапазона (свыше 20 кГц).

на полной шкале выделяются четыре области: 1 – инфразвук; 2 - слышимый звук; 3 - низко-, средне- и высокочастотный ультразвук; 4 – «нано»- и «гиперзвук».

При активной локации звуковые процессы возбуждаются с помощью специальных передающих устройств - электроакустических преобразователей, выступающих также в качестве приемников. Важным свойством электроакустических преобразователей является их обратимость - то есть возможность применения, как в качестве излучателя, так и в качестве приемника.

Другим важнейшим свойством электроакустических преобразователей является их направленность – неравномерное излучение энергии в разных направлениях.

21. Передача информации. Оптические каналы.

По назначению передаваемую информацию можно разделить на:

1) осведомительную: телеизмерения, связь, передача данных, обнаружение.(главное: сохранение точности)

2) управляющую: телеуправление, телерегулирование, коммутации.(главное: надежность)

Канал -. физическая среда, по которой перемещаются сигналы.

Оптические каналы

По диапазонам используемых частот оптические каналы подразделяются на следующие группы:

а) видимая часть спектра ();

б) инфракрасная часть спектра ();

в) ультрафиолетовая часть ();

Иллюстрации технического воплощения устройств, использующих оптические каналы представлена простейшая схема оптического «телефона»:

При работе устройства электрические колебания звуковой частоты, возникающие после воздействия звукового сигнала в микрофоне М усиливаются усилителем У₁ и модулируют поток излучения, создаваемого источником света И. Излучение источника проходит через инфракрасный фильтр и распространяется в атмосфере. Приемником служит фотоэлемент.

22. Передача информации. Электрические каналы.

По назначению передаваемую информацию можно разделить на:

1) осведомительную: телеизмерения, связь, передача данных, обнаружение.(главное: сохранение точности)

2) управляющую: телеуправление, телерегулирование, коммутации.(главное: надежность)

Канал -. физическая среда, по которой перемещаются сигналы.

Электрические каналы

Наибольшее распространение в технике информационного обмена получили электрические каналы с применением проводных линий связи.Шкала частот, занимаемая сигналами в электрическом канале связи, условно делится на четыре диапазона:

1) 0…200 Гц – подтональные частоты;

2) 300…3400 Гц – тональные частоты;

3) 4000…8500 Гц – надтональные частоты;

4) свыше 10 кГц - ультравысокие частоты;

С физической и технической точек зрения, электрические линии связи представляют собой разновидность телеграфных линий с распределенными параметрами, которые можно представить в виде цепи последовательно соединенных четырехполюсников (см. рис. 2.8).

Рис. 2.9

Значение R₀ характеризует активное сопротивление линии, приходящееся на 1 км длины. Это сопротивление зависит от материала, сечения проводов, температуры окружающей среды и частоты передаваемых сигналов (при увеличении частоты R₀ растет из-за наличия поверхностного (скин-) эффекта. L_о - индуктивность на единицу длины - зависит от материала, радиуса проводов, расстояния между проводами, частоты сигналов и температуры среды. Проводимость изоляции обозначена G_о. Она зависит от вида изоляции. Емкость утечки С_о зависит от материала изоляции, радиуса проводов.

Эти параметры линии связи определяют ее важнейшую характеристику - волновое сопротивление:

Z_линии = , (2.1)

где  - частота сигнала.

Проводные линии связи делятся на кабельные и воздушные.

23. Передача информации. Радиоканалы

По назначению передаваемую информацию можно разделить на:

1) осведомительную: телеизмерения, связь, передача данных, обнаружение.(главное: сохранение точности)

2) управляющую: телеуправление, телерегулирование, коммутации.(главное: надежность)

Канал -. физическая среда, по которой перемещаются сигналы..

Радиотехнические каналы

принцип действия и устройство радиоканалов и телевизионных каналов. По диапазону частот различают радиоканалы:

1) длинных волн ( 1000 м);

2) средних волн (200<1000 м);

2. промежуточных волн (50200 м);

4) коротких волн (10<50 м);

5) ультракоротких волн (10 м).

На распространение радиоволн влияют отражающие и поглощающие свойства слоя ионосферы, расположенного в верхней части атмосферы.

Ионосфера состоит из заряженных частиц Концентрация ионов имеет два характерных максимума. Первый, называемый слоемЕ расположен на высоте h = 110…130 км. Второй слой с максимальной концентрацией F расположен на высоте около 300 км. Изменение концентрации ионов с высотой обусловливает непрерывное изменение угла преломления радиоволн, в результате чего траектории распространения волн искривляются .

Если направление распространения становится горизонтальным, то, не достигнув уровня максимальной ионизации, часть волновой энергии отразится в сторону земли. Часть волн отражается слоем Е, другая - слоем F.

Третья часть пробивает оба слоя и выходит за пределы Земной атмосферы. Преломляющая способность уменьшается с уменьшением длины электромагнитной волны. Волны, распространяющиеся вследствие множественных переотражений в атмосфере, носят название пространственных.

Кроме пространственных волн имеют место, т.н. поверхностные волны, распространяющиеся вблизи поверхности Земли, благодаря дифракции

Для передачи промышленных сигналов телемеханики и других целей используются радиорелейные каналы. Если прямая видимость ограничена только кривизной земной поверхности, то расстояния между станциями определяется по формуле: l (км)  7,2 .

24. Передача информации. Телерадиоканалы.

По назначению передаваемую информацию можно разделить на:

1) осведомительную: телеизмерения, связь, передача данных, обнаружение.(главное: сохранение точности)

2) управляющую: телеуправление, телерегулирование, коммутации.(главное: надежность)

Канал -. физическая среда, по которой перемещаются сигналы.

В радиотелевизионных каналах помимо аудиоинформации осуществляется и передача видеоинформации. В определении качества важнейшим звеном явл-я передающая трубка, формирующая электронный видеосигнал из «оптического» изображения.

Рассмотрим в качестве примера схематическое устройство видикона (см. рис. 2.13).Внутри стеклянной «вакуумированной» колбы расположены: 1- катод; 2- управляющий электрод; 3-5 –система анодов; 6 – «мишень» из фоторезистивного материала. Снаружи расположены: 9 – отклоняющая система; 10 - фокусирующая система; 11 – корректирующая система. Фокусирующая система «создает» электронный луч – 7, генерируемый катодом и управляющим электродом – 2. С помощью оптической системы – 8 изображение фокусируется на мишень 6. Электронный луч – 7, построчно «развертывающий» элементы мишени, вызывает протекание тока, через нагрузочный резистор , на котором создается напряжение видеосигнала.

25. Восприятие информации оператором. Формирование концептуальной модели. На эффективность зрительного восприятия оператором определенного объекта влияют, в основном следующие факторы :

1. Угловые размеры объекта;

2. Уровень адаптирующей яркости;

3. Контраст между объектом и фоном;

4. Время наблюдения объекта;

5. Цветоощущение.

Под угловым размером объекта понимают угол между лучами, направленными от глаза наблюдателя к крайним точкам объекта

Адаптирующей яркостью называется яркость, на которую настроен (адаптирован) глаз оператора.

Наличие слепящих источников, так же как и недостаточная яркость вызывают быстрое зрительное, а, следовательно, и общее утомление оператора, а значит и возрастание времени формирования концептуальной модели.

В очень большой мере видимость объекта зависит от разницы в яркости между объектом и фоном. Отношение разности яркости объекта и фона к яркости фона называется яркостным контрастом. Различают два вида контраста: прямой и обратный. яркостного контраста К есть:

.

Однако сама по себе контрастность не определяет качества восприятия изображения - видимости. Последняя величина зависит от порогового значения контраста К_пор.

Видимость - есть отношение наблюдаемого контраста к пороговому:

V = . Оптимальное значение лежит в пределахV = 15…30.

Поскольку глаз человека воспринимает световые раздражители с некоторым запозданием, то имеют место особенности в зрительном восприятии прерывных сигналов.

В видимой части спектра от 400 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный) возникает необходимость оценивать излучение по способности вызывать психофизиологические ощущения.

В связи с чем, возникают проблемы согласования поступающего потока информации с «пропускной способностью» оператора.