книги из ГПНТБ / Крулькевич, М. И. Основы систем производственно-экономической информации учеб. пособие

Глава И. ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ

§1. Информация в системе управления

Вуправлении промышленным объектом информация представляет собой разнообразные данные, характеризую­ щие состояние управляемого объекта, сообщения, передавае­ мые по каналам связи, промежуточные данные расчетов, вы­ ходные данные и управляющие воздействия. Информация является объектом сбора, преобразования, передачи, хране­ ния и обработки. Она подразделяется на нормативную, опе­ ративно-производственную, выходную и внешнюю.

Источником нормативной информации служат различно­ го рода сборники норм выработок, расценок, расхода мате­ риалов, затрат времени, параметры расчетных технологичес­ ких режимов и регламентные показатели при непрерывном производстве.

Обязательным элементом в автоматизированном управ­ лении является организация нормативной базы и оперативное внесение в нее необходимых изменений. Принцип использо­ вания базы примерно такой же, как и при обычном управле­ нии, с той лишь разницей, что нормативные данные размеща­ ются в памяти ЭВМ.

Источником оперативно-производственной информации является непосредственно производственный процесс. Эта ин­ формация в зависимости от источников может быть в двух формах — непрерывной и дискретной.

В непрерывной форме информация поступает в виде си­ гналов от датчиков непрерывного счета. Источниками ин­ формации в дискретной, в том числе алфавитно-цифровой

40

форме могут быть различные устройства ввода, датчики ди­ скретной информации или ЭВМ.

Выходная информация (промежуточная) — это резуль­ таты логико-математической обработки оперативно-произ­ водственной информации с использованием нормативной ба­ зы, выдаваемые для использования работниками аппарата уп­ равления производством. К такой информации относятся графики, задания, наряды, указания для управленческого персонала и управляющие воздействия, автоматически пода­ ваемые на исполнительные устройства.

Внешняя информация представляет собой задания и рас­

Управление промышленным объектом можно рассматри­ вать как некоторый опыт с несколькими возможными исхо­ дами. Неопределенность в исходе опыта заключается в том, что до его окончания неизвестен точно конечный результат.

Информация, относящаяся к эксперименту или к про­ цессу управления, уменьшает имеющуюся неопределенность.

Обычно, если разнообразие вариантов исходов велико и вероятность появления каждого из них значительна, что в 'действительности имеет место при управлении, для измерения количества информации применяется понятие энтропии, ко­ торая выражается мерой беспорядочности исследуемой ситуа­ ции. В этом случае информация, кроме всего прочего, харак­ теризует состояние системы и ее организованность. Накопле­ ние информации о состоянии системы уменьшает энтропию. Другими сло.вами, энтропия системы есть мера недостатка информации о системе.

Интерпретация процесса управления с точки зрения тео­ рии информации может быть представлена системой, элемен­ тарная схема которой приведена на рис. 3.

Управляемый объект подвергается внешним воздействи­ ям и воздействиям со стороны управляемого органа, преоб­ разуя их в выходную реакцию R. Последовательность выхбдных реакций во времени определяет поведение управляемого объекта.

Задача органа управления состоит в том, чтобы добить­ ся такой линии поведения управляемого объекта, при кото­

41

рой тот реализует свою функцию с максимальным значением принятого критерия эффективности.

Возмущающие воздействия создают тенденцию к дезор­ ганизации системы, то есть к увеличению энтропии ее пове­ дения H(R).

Множество допустимых значений реакций Rn является частью множества всех его возможных значений. Поэтому максимальная энтропия в поведении объекта Н (R) шах.» имею­ щая* место при равновероятности всех возможных значений R, будет больше Н (Rn ). Дезорганизация выражается в том что она выводит величину H(R) в область

H(Rn ) < H(R) < H(R) max*

Сила влияния дезорганизующих факторов зависит от их разнообразия. Действительно, если орган управления, следя­ щий за связью между F и R, отключить, можно исследовать эту связь как сложное событие FR, энтропия которого равна

H(FR) = H(F) + Hf (R).

Так как R — заключительный этап процесса, то, есте­ ственно,

H (FR)=H(R).

Деятельность органа управления направлена на то, что­ бы воспрепятствовать тенденции увеличения H(R), повы­ шать уровень организации системы и добиваться, чтобы при управлении U каждый раз реализовывалось соотношение

HU(R )< H (R ").

Уменьшение энтропии поведения управляемого объекта происходит за счет информации, содержащейся в управляю­ щих воздействиях. Без учета Р количество такой информа­ ции равно

I(U, R) = H(R) - HU(R).

Эта информация представляет собой «продукт» деятель­ ности органа управления.

В силу закона необходимого разнообразия ограничение разнообразия в поведении управляемого объекта достигает­ ся только за счет увеличения разнообразия органа управле­ ния (управляющих воздействий).

42

Следствие закона необходимого разнообразия, касаю­ щееся информации на входе управляющего органа, сводится к утверждению того, что существует минимум информации

строения рациональной системы информации при автомати­ зации управления.

К сожалению, в настоящее время не представляется возможным измерять разнообразие технологических и управ­ ленческих задач, а также пропускную способность органов управления. Это обстоятельство является ограничивающим при проектировании оптимальной структуры управления.

Еще ждут своего решения и задачи о минимальных ин­ формационных затратах и алгоритме переработки информа­ ции минимальной сложности.

Минимальное необходимое количество информации I min. и алгоритм минимальной сложности A min. определяют некото­ рую «базисную» систему, которая в абстрактном представ­ лении обеспечивает достижение цели с наименьшими инфор­ мационными и алгоритмическими затратами.

В реальных условиях информационная и алгоритмичес­

Указанные, коэффициенты используются на принци­ пиальном уровне синтеза системы управления.

На уровне технической реализации автоматизированного управления используются коэффициент сигнальной избыточ­ ности и коэффициент структурной избыточности.

Коэффициент сигнальной избыточности равен

V

-а,

V m ln .

где-Vmtn. минимальный объем сигналов;

43

Минимальный объем сигналов Vmin. предусматривается таким, чтобы отображения используемых в системе инфор­ мационных процессов осуществлялись с заданной точностью в предположении, что в процессе функционирования систе­ мы эти сигналы не будут искажены.

Коэффициент структурной избыточности равен

где Sunn.- — мера сложности минимальной структуры;

S ' — мера сложности фактически используемой струк­ туры;

Т

•j— =—------коэффициент временной загрузки структуры;

1 min.

T„,i„. — промежуток времени, на протяжении .которого в структуре действуют сигналы минимального объема;

Т — интервал функционирования структуры при обра­ ботке фактически используемых сигналов с объ­ емом V.

Структура минимальной сложности S min. должна быть такой, чтобы она могла реализовать алгоритмы функциони­ рования системы с заданной точностью в предположении, что в процессе функционирования структура сохраняет свои рабочие характеристики неизменными.

Хотя Vmin и Smin, как i и а, определить в условиях управле- • ния предприятием затруднительно, однако, используя срав­ нительные методы оценки различных вариантов фактических значений I и А, V и S, можно, как будет далее показано, со­ вершенствовать информационные потоки, циркулирующие при автоматизированном управлении.

44

§ 2. Структура информации и коды

Каждое сообщение из совокупности производственной информации состоит из слов, связанных между собой опре­ деленным смыслом. Например, при запросе из склада какихлибо деталей или материалов в сообщении указывается наи­

Технологические параметры процессов кодируются ана­ логичным образом. Например, контрольные параметры ра­ боты добычного участка шахты представляются в виде

Такое сообщение должно сопровождаться еще словом, указывающим какой участок контролируется, а иногда и на какой шахте. Такие слова обычно в закодированных сообще­ ниях следуют первыми. Тогда сообщение в общем виде запи­ сывается как

S = .(N, А, В, С),

где N — характеристика самого сообщения (смысл).

Так как сообщения состоят из символов, то справедли­ ва запись

(N, А, В, С) = (п,, п2, • ■ nm, aj, а2, . . ак , Ьх Ь2, . . . Ьг ,

с,. с3, . . . С! ).

Количество символов в слове и количество слов в со­ общении определяются содержанием сообщения. В реальных условиях каждый тип сообщения имеет заранее разработан­ ную структуру, называемую маской.

Все слова сообщения делятся по смыслу на две кате­ гории — слова, выражающие признак объекта (наименова­ ние материала, деталей, процесса и т. д.), и слова, выражаю­ щие количество, вес, величину и пр. Обычно отношение при-

45

значной части сообщения к объему всего сообщения состав­ ляет не менее 0,5. Сокращение признанной части достигает­ ся путем автоматизации и рациональным сокращением ее. Например, если информация поступает от датчиков, контро­ лирующих технологические процессы, которые опрашиваются централизованно, то признанная часть может вообще не пе­ редаваться, а образовываться непосредственно в ЭВМ. В данном случае по заданному порядку опроса точки контро­ ля и признакам, предварительно записанным в память ма­ шины, автоматически приформировываются количественные части сообщений.

При вводе информации с телетайпов или пультов руч­ ного ввода признанная часть сообщения вводится с заранее приготовленных носителей, таких как перфокарты, перфо­ лента или жетоны.

Признанная часть может быть сокращена также путем выбора рациональных кодов.

Признанные слова кодируют с использованием специаль­ ных классификаторов, в которых классифицирующие призна­ ки являются обобщенными понятиями, соответствующими показателям, применяемым в расчетах нормативов, учета, планирования. Например, классификатор материалов состав­ ляется по группам, обеспечивающим разработку сводных за­ явок на материалы, выписку лимитных карт, а также бух­ галтерский и финансовый учет.

В главных межотраслевых и межведомственных клас­ сификаторах страны для группировок признаков использует­ ся десятичная система обозначений. В зарубежной практике ь классификаторах используются также буквенные обозна­ чения. Наиболее общие признаки классификатора составля­ ют его старшие разряды; объединяются признаки в классы,' подклассы, группы, подгруппы, виды и отдельные типораз­ меры.

Использование избыточности в коде, обусловленной при­ нятым классификатором, позволяет упрощать вычислитель­ ные алгоритмы. Но в то же время избыточность в кодах уве­ личивает загрузку технических средств АСУ и обслуживаю­ щего персонала.

При автоматической обработке информации выбор кода наиболее часто связан с достижением максимального быст­

46

родействия математических блоков при заданной помехо­ устойчивости.

Первый тип кода, использующий наивыгоднейшие ста­ тистические свойства сообщения, называется статистичес­ ким; второй тип образует группу помехоустойчивых кодов. Кроме указанных типов используется так называемый код сжатия информации, осуществляемый без учета статистичес­ ких свойств источника и связанный с преобразованием це­ лых массивов информации на начальном и конечном этапах обращения с ней.

Таким образом, • выбранный для определенной системы управления код должен быть пригоден и наиболее рациона­ лен одновременно для передачи данных по соответствующим каналам, для переработки с помощью ЭВМ,- для обнаруже­ ния и исправления возникающих в информационных процес­ сах ошибок.

Минимальное число потребных, например, двоичных элементов зависит от числа вариантов изображаемых зна­

ков и является ближайшим большим к п = logVlog2 + 1 целым

числом.

Согласно приведенной зависимости для изображения де­ сяти цифр от 0 до 9 требуется минимум четыре, а для изоб­ ражения буквенного алфавита — минимум пять элементов.

Код называется полным, если к нему нельзя добавить без нарушения различимости ни одной кодовой комбинации.

Полный равномерный код, в котором принятые кодовые комбинации (слова и числа), имеют одинаковое число симво­ лов, содержит число комбинаций, равное

V = т п ,

где ш — основание системы счисления или число различных кодовых символов;

п — число разрядов в кодовой комбинации.

Для сохранения верности передаваемых сведений в си­ стемах управления применяют различные виды как аппарат­ ного, так и программного контроля. Первый из них основан на применении специально разработанных для этого схем и устройств, а второй использует защитные и самоисправляющие коды.

47

Одним из эффективных методов защиты информации от искажении является метод проверки сообщения с помощью параллельной экстраполяции его на основе уже принятых для вычислений прошлых значений соответствующего пара­ метра.

Всистемах автоматической обработки разных видов массовой информации чаще всего используется последова­ тельность цифр, образуемых внутри их бесконечного ряда слов.

Впервичных документах, проходящих предварительную

обработку для превращения содержащихся в них сведений в принятый код, защита информации от возникновения оши­ бок в процессах хранения, передачи и переработки осуще­ ствляется непосредственно при кодировании.

В процессах передачи и переработки информации могут возникать ошибки; вероятность появления и число таких ошибок определяется выражением

ш!

П(ш—!)! -Р1 ( 1 - Р ) "

где m — число двоичных разрядов в слове;-

Р — вероятность появления ошибки в единичном раз­ ряде.

Значительный вклад в разработку основ контроля и кор­ рекции информации внес американский ученый Хэмминг. Им введено понятие «расстояние между кодовыми комбинация­ ми», которое определяется различным числом двоичных зна­ ков в сравниваемых кодовых комбинациях.

В оптимальном коде, избыточность которого равна нулю, «расстояние» равно единице, н числа следуют одно за дру­ гим. Искажения разрядов в таких словах вообще не обнару­ живается. Чем больше «расстояние», тем успешнее может осуществляться контроль за возникновением ошибок. Уве­ личение «расстояния», таким образом, связано с увеличени­ ем избыточности информации. Увеличение избыточности при этом используется не только для обнаружения ошибок, но и для их автоматического исправления.

48

Как следует из работ-Хэмминга, любая комбинация из числа i ошибок может быть исправлена при минимальном «расстоянии»

В настоящее время детально разработаны методы конт­ роля и исправления ошибок, обусловленных неисправностью технических средств АСУ. Наибольшее распространение по­ лучили контроль слов и символов по модулю, контроль сим­ волов, кодированных постоянным числом нулей и единиц, а также один из простейших видов контроля сумм сообщений.

Организация контрольной суммы сообщения по словам

Кс Ss = S + N + А + В + С.

Недостатком такого способа является то, что он приго­ ден только для контроля передачи и хранения сообщений и непригоден для контроля операций над словами сообщений.

В контроле по модулю в качестве контрольного кода ис­ пользуется остаток от деления числа А на некоторое число g, называемое модулем.

Остаток, по которому производится оценка, равен

Если в роли числа А выступает слово, то контроль на­ зывается числовым; если же в качестве числа А принята сум­ ма цифр слова по тому же модулю, то контроль называется цифровым. В двоичной системе,счисления используется конт­ роль по четности или нечетности единиц в слове.

Хотя такой контроль организуется с малыми затратами, однако, с одной _стороны, он сложен, а с другой — имеет весьма низкую эффективность. Более эффективным при пе­ редаче информации является числовой контроль по модулю. Его эффективность определяется тем, что обнаруживается большой процент возможных ошибок по сравнению с цифро­ вым контролем.