Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория системного анализа и принятия решений в БЖД. Учебное пособие
.pdf
личественного модельного анализа можно представлять как специ-
xxIL
фическую разновидность канала связи. Здесь в качестве источника
сообщений выступает объект зондирования, который в случае пассивного зондирования сам является источником электромагнитного
излучения (ИК- и СВЧ-радиометрия), а в случае активного зондирования – отражателем зондирующего импульса (лазерная локация,
радиолокация).
В любом случае объект зондирования
«модулирует» свои полезные свойства в сигнале. Далее этот сигнал проходит в окружающей среде, подвергается помеховым воздействиям и принимается
приемной системой, где происходят демодуляция и дешифрирование сигнала.
В рамках задач дистанционного зондирования вторая теорема
Шеннона может интерпретироваться как принципиальная возможность устойчивого и надежного дешифрирования полезных свойств
зондируемого
объекта даже при наличии шумов. Однако ее применение возможно лишь при условии использования вместе с современными методами теории сигналов и теории обнаружения и оценивания сигналов. Вопросам статистической обработки сигналов
дистанционного зондирования посвящен специальный курс.
Пример 5.1
Рассмотрим использование принципа максимальной информации для
обработки изображений, полученных в процессе дистанционного зондирования. На исходных изображениях, полученных методами дистанционного
зондирования, многие из изучаемых экологических объектов почти не выделяются из других объектов подстилающей поверхности. Алгоритмы максимизации информации обеспечивают, например, сегментацию изображения
предгорий Северного Кавказа, полученного с космического носителя
РЕСУРС-О с помощью многоспектрального сканирующего устройства МСУ-СК
среднего разрешения в спектральном интервале 0,7–0,8 мкм. Особенности
растительного покрова отражаются в статистической текстуре и спектральных характеристиках изображения, что и позволяет выделять природные зоны, покрытые различными типами растительности (лес, кустарник). Подобная сегментация осуществляется за счет использования статистических
свойств наблюдаемых
подстилающих поверхностей.
Пример 5.2
В задачах оптимизации процессов оптического дистанционного зондирования атмосферы из космоса О. М. Покровским был предложен метод поиска таких участков оптического спектра, на которых количество спектраль-
100
ной информации о контролируемых явлениях максимально. При обработке
x
xIL
спектральных данных сравнивается профиль яркости по высоте (x) и профиль
вычисленной концентрации (y) конкретных газов по высоте в определенном
спектральном участке. Сравнение осуществляется при помощи вычисления
количества информации по формуле Шеннона. Для разных спектральных интервалов полученное количество информации будет различным. Это означа
ет, что некоторые спектральные участки более информативны, чем другие.
Отсюда следует, что, вычисляя количество информации, можно искать такие
участки на спектре, которые являются наиболее информативными.
-
5.2. Вторая вариационная задача в биологии и экологии.
Концепция эволюции природных систем и техносферы
Основная тема
Как отмечалось ранее, принцип максимума информации описывает не только поведение особей или популяций, но и процессы
развития и адаптации экосистем, включая, возможно, и техносферу.
Нужно только учитывать, что достигаемый максимум информации
всегда носит условный характер. Он достигается лишь в той мере,
в которой допускаются ограничения, наложенные на
реакции живого организма, т. е. ограничения на ресурсы U(x, y) < const = a.
В этом варианте можно сформулировать следующую упрощенную
вариационную задачу с одним множителем Лагранжа В:
max;),(– ),(
BUy
y
yxBUyxHx HL
.max ),(–),(–)(
(5.6)
Требование условного максимума заменяем максимизацией
величины, которая называется целевой функцией. Эта функция, как
видно из (5.6), позволяет описывать количественно не только
функционирование каналов связи при наличии помех, но и поведение отдельных особей в популяции и поведение сообществ в экосистеме. Введенная физическая величина I(x, y) – взаимное шенноновское количество
информации, которое обеспечило решение целого комплекса технических проблем (в том числе задачу оптимизации канала связи в присутствии помех), – позволяет описывать
и ряд интересных закономерностей в техносфере, экологии и этологии.
Прежде всего, информационная концепция позволяет дать
объективное описание поведения организмов, популяций, экоси-
101
стем и эволюции биосферы, увязывая биологический язык стимулов и реакций системы с физической величиной – количеством информации по Шеннону.
Напомним, что стимулы количественно описываются переменной х, а реакции системы – величиной у. Приведенная выше
формула (5.6) позволяет усмотреть два способа, посредством которых организм или экосистема могут реализовать принцип максимизации
информации (который является фундаментальной закономерностью термодинамики для случая открытых термодинамических систем).
Первый способ максимизации информации предполагает увеличение априорной энтропии. С точки зрения биолога организм
стремится увеличить разнообразие реакций, поскольку это его арсенал в борьбе с ростом разнообразия внешних воздействий. Для
организмов это механизмы поискового поведения. В
экосистемах
в ответ на увеличение разнообразия внешних воздействий возрастает разнообразие видового состава экосистемы, увеличивается
разнообразие трофических цепей (а значит, и надежность потока
высококачественной энергии в данной открытой системе).
Второй способ максимизации информации происходит за счет
уменьшения апостериорной условной энтропии. Здесь организм
стремится уменьшить неоднозначность, неточность ответов на конкретные стимулы
(стремление к гомеостазу). Система посредством
потока высококачественной энергии (пища, электромагнитное излучение) создает сложные упорядоченные структуры типа отрицательных обратных связей, за счет которых добивается точности
и четкости реакций, которые стабилизируют систему.
Таким образом, организм или экосистема сначала обеспечивают себе разнообразие реакций, а затем выбирают ту реакцию, которая
гарантирует максимальное увеличения функции полезности.
Рассмотренные термодинамические закономерности, а также
принцип максимума информации подсказывают первое (пока эскизное) физическое объяснение явления эволюции биосферы.
Принцип максимума энтропии наводит на мысль о том, что причиной видообразования является стремление биосферы как системы
повысить априорную энтропию возможных реакций на воздействия
внешней среды. И здесь
генетический механизм мутаций обеспечи-
вает появление этого разнообразия. На уровне организмов, популя-
102
ций и сообществ запускаются поисковые типы поведенческих реакций, закрепляемые на генетическом уровне (благодаря механизмам естественного отбора). Еще один важный аспект биологической эволюции связан с механизмами обратной связи, которые
обеспечивают гомеостаз как на уровне организмов, так и на уровне
экосистем.
Таким образом, биосфера в процессе эволюции стремится
к максимизации
количества информации. Для этого биосфера Земли:
1) усложняет свою внутреннюю структуру генерации и пере-
работки информации (механизм – положительные обратные связи,
бифуркации, катастрофы);
2) развивает и усложняет свою структуру управления (гомеостаза), которая призвана сохранять, защищать от внешних воздействий уже созданные сложные внутренние структуры (механизм –
отрицательные обратные связи).
Если теперь обратить
ся частью биосферы, можно понять причины, по которым
внимание на то, что техносфера являет-
информационные технологии активно внедряются в процессы мониторинга техносферной безопасности, защиты окружающей сре-
. По-видимому, общие закономерности развития биосферы и ме-
ды
ханизмы ее гомеостаза (как было показано ранее) требуют активного использования информационных технологий для устойчивого
развития человеческой цивилизации.
Именно информационные технологии способны «стабилизировать» развитие технологической цивилизации. Это свидетельствует о роли информационных технологий в инженерной защите
окружающей среды. Одними из важнейших
для охраны окружающей среды классов информационных систем являются информационные системы экологического мониторинга и дистанционного
зондирования, эффективное развитие и применение которых невозможно без глубокого физического понимания роли этих систем
в дальнейшей эволюции биосферы.
103
Заключение
Рассмотренный в данном пособии материал позволяет сделать
следующие выводы:
1.
Основные законы теории систем и статистической термо-
динамики неравновесных открытых систем описывают ключевые
концепции существования и эволюции как биосферы, так и техносферы.
2.
Эти законы показывают важность информационных про-
цессов при изучении техносферной безопасности и экологии.
3.
Информационные процессы играют определяющую роль
в технологиях управления техносферными рисками.
4.
Знание закономерностей развития информационных про-
цессов не только обеспечивает понимание биологических процессов, но и служит теоретическим фундаментом при проектировании
информационных систем для управления техносферными рисками.
104
Рекомендуемая литература
Основная литература
Кориков А. М. Теория систем и системный анализ : учеб. пособие /
1.
А. М. Кориков. – М., 2014. – 288 с.
2.
Волкова В. Н. Теория систем и системный анализ : учеб. пособие /
В. Н. Волкова. – М. : Юрайт, 2014. – 616 с.
Дополнительная литература
1. Тарасенко Ф. П. Прикладной системный анализ / Ф. П. Тарасенко. –
Томск : Изд-во Томского университета, 2004. – 186 с.
2.
Винер Н. Кибернетика, или управление и связь в животном и ма-
шине / Н. Винер. – М. : Советское радио, 1983. – 324 с.
3.
Берталанфи Л. Общая теория систем: критический обзор / Л. Бер-
таланфи // Исследование по общей теории систем: сборник науч. статей. –
М. : Прогресс, 1969. – 324 с.
4.
Эшби У. Р. Введение в кибернетику / У. Р. Эшби. – М. : Прогресс,
1969. – 186 с.
Клир Д. Системология. Автоматизация решения системных задач /
5.
Д. Клир. – М. : Радио и связь, 1990. – 535 с.
6.
Месарович Т. Общая теория систем. Математические основы /
Т. Месарович, Я. Такахара. – М. : Мир, 1978. – 311 с.
7.
Моисеев Н. Н. Математические задачи системного анализа /
Н. Н. Моисеев. – М. : Наука, 1981. – 278 с.
Хакен Г. Синергетика / Г. Хакен. – М. : Мир, 1980. – 389 с.
8.
Пригожин И. От существующего к возникающему / Пригожин И. –
9.
М. : Мир, 1985. – 326 с.
10.
Волькенштейн М. В. Биофизика / М. В. Волькенштейн. – М. : Наука,
1981. – 399 с.
Бриллюэн Л. Наука и теория информации / Л. Бриллюэн. – М. :
11.
Физматгиз, 1960. – 342 с.
12.
Шеннон К. Математическая теория связи // Работы по теории
информации и кибернетике / К. Шеннон. – М. : Иностранная литература,
1963. – 498 с.
105
Оглавление
Предисловие ………………………………………………………………
Введение …………………………………………………………………..
Глава 1.
Глава 2.
(закрытых) сложных систем ……………………………………………..
Глава 3.
Первая вариационная задача …………………………………………….
Глава 4.
процессы в технике, физике и биологии ………………………………..
Системное описание техносферы ……………………………..
1.1. Основные понятия теории систем и системотехники ………
1.2. Принципы теории систем …………………………………….
1.3. Теоретико-множественное определение объектов теории
систем ……………………………………………………………….
1.4. Методы системного анализа. Описание моделирования
на языке теории множеств ………………………………………...
1.5. Методы системного анализа. Методы принятия решений …
1.6. Методы системного анализа. Методы и принципы
управления ………………………………………………………….
Термодинамическое описание равновесных изолированных
2.1. Макроскопическое описание термодинамических систем …
2.2. Внутренняя энергия термодинамических систем …………...
2.3. Первый закон термодинамики. Тепловая машина ………….
2.4. Второй закон термодинамики. Энтропия ……………………
2.5. Условие термодинамического равновесия …………………..
2.6. Статистическое описание термодинамической системы …...
2.7. Энтропия в случае неравновероятных состояний
термодинамических систем ……………………………………….
Принцип максимума энтропии в физике и экологии.
3.1. Поиск раcпределения состояний частиц, приводящих
к росту энтропии системы при различных физических
ограничениях ………………………………………………………
3.2. Первая вариационная задача в теории информации
и дистанционном зондировании. Первая теорема Шеннона ……
3.3. Первая вариационная задача в технике, биологии
и экологии ………………………………………………………….
Открытые термодинамические системы, информационные
4.1. Открытая термодинамическая система ……………………..
4.2. Неравновесные процессы в открытых термодинамических
системах 1-го типа …………………………………………………
4.3. Стационарные неравновесные процессы. Принцип
микроскопической обратимости. Теорема Онсагера ……………
106
3
5
6
6
9
16
28
30
33
35
35
40
41
44
47
49
56
58
58
61
63
67
67
72
75
4.4. Открытая термодинамическая система как модель
физического, промышленного эксперимента, физического
измерения, экологического, техносферного мониторинга ……...
4.5. Термодинамическая система как модель системы
промышленного мониторинга, дистанционного зондирования
или канала связи в присутствии помех …………………………..
4.6. Каналы связи при наличии помех. Шенноновское
количество информации. Взаимное количество информации ….
4.7. Взаимная информация в экологических и биологических
системах. Принцип постоянства внутренней
среды.
Гомеостаз …………………………………………………………..
Глава 5.
Принцип максимума информации в техносфере, физике,
технике связи и экологии. вторая вариационная задача ……………….
5.1. Вторая вариационная задача. Передача сообщений
в каналах с помехами ……………………………………………...
5.2. Вторая вариационная задача в биологии и экологии.
Концепция эволюции природных систем и техносферы ………..
Заключение ………………………………………………………………..
Рекомендуемая литература ……………………………………………….
107
80
86
91
97
97
101
104
105
Учебное издание
ТЕОРИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
И ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В БЖД
Учебное пособие
Горохов
Владимир Леонидович,
Цаплин Виталий Васильевич
Редактор А. А. Стешко
Корректор А. А. Стешко
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 28.06.2016. Формат 6084 1/16. Бум. офсетная.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, ул. Егорова, д. 5/8, лит. А.
Усл. печ. л. 6,3. Тираж 100 экз. Заказ 91. «С» 28.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
108
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]