Светлой памяти нашего друга, коллеги и соавтора по предыдущим изданиям учебного пособия,

МОРОЗОВА БОРИСА ИВАНОВИЧА

УДК 681.3.01.(075.8) БКК 32.973.202 Я 73

К 592

Козлов В.Н., Кисоржевский В.Ф. Теория информационных систем. Учебное пособие. СПб.: Издательство Политехнического ун-та 2008. 464 с.

Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих теорию информационных систем и процессов. Оно содержит материалы,

предусмотренные Государственным образовательным стандартом для специальности 230201 «Информационные системы и технологии».

Табл.8. Ил.86. Библиогр.: 67 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

©Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2008 .

©Козлов В.Н., Кисоржевский В.Ф., 2008.

ISBN 5-7422-0861-8

ВВЕДЕНИЕ

Учебник написан по материалам лекций, прочитанных авторами на кафедре «Системный анализ и управление» СПбГПУ для студентов, обучающихся по направлениям 553000 «Системный анализ и управление» и 071900 «Информационные системы в технике и технологиях», в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта. Авторы исходили из системных положений, рассматривающих любые целенаправленные действия человека как взаимодействие двух взаимно обусловленных составляющих. Одна из них представляет собой энергетические (материальные) взаимодействия с объектами реального мира, а другая составляющая (информационная) связана с отражением в сознании человека реальной обстановки, с оценкой её состояния, с выработкой решения о действиях, определением моментов и мест приложения сил и т.п.

Для решения задач первого направления человек давно и успешно стал применять в помощь себе различные устройства и механизмы. Второе направление долго оставалось без таких помощников: человек пользовался информацией, которую мог получать только в зоне действия собственных органов чувств и обрабатывать её с помощью собственного мозга.

Современные достижения науки и техники, приведшие к созданию быстродействующих средств передачи и обработки информации, существенно расширили зону, из которой человек может оперативно пользоваться информацией, добытой соединёнными усилиями всего человечества, и обеспечили возможность использования её в информационных процессах в реальном масштабе

времени. Эти достижения многократно расширили и усилили воз- ~ 3 ~

можности человека по реализации информационных функций в любой сфере деятельности, что обеспечивает более высокий уровень общественного развития. Появилась возможность оперативно формировать и исследовать математические модели сложных систем, процессов и явлений и с их помощью вырабатывать ответственные решения в экономике, политике, в военном деле на основе строгих математических расчётов. Для этого имеются множество персональных компьютеров и средств связи, разветвлённые информационные системы государственного уровня, ведомственные, корпоративные. Функционирует международная система обмена информацией открытого доступа «Интернет», предоставляющая широкий набор информационных услуг миллионам своих абонентов.

Параллельно с решением технических задач шло формирование теории информационных систем, ориентированной на обобщение частных достижений и определение наиболее перспективных направлений развития. На первых этапах внедрения электрической связи интенсивно осваивались отдельные элементы системы на базе детерминированных моделей информационных процессов и устройств. В системном плане существенный вклад в теорию был внесён работами А.К.Эрланга (1878 – 1929г.), которые стали первым вкладом в новый раздел прикладной математики под названием теории массового обслуживания. Название раздела и обоснование вероятностных моделей в дальнейшем выполнено А.Я.Хинчиным (1894 – 1959г.).

Дальнейшее развитие систем связи требовало решения проблем защиты их от помех и от несанкционированного доступа к информации, а также повышения эффективности систем. Ис-

следования в указанных направлениях привели к вероятностной

~ 4 ~

трактовке информационных процессов и к новым научным результатам. Клодом Шенноном и Норбертом Винером в годы второй мировой войны, независимо друг от друга, была сформирована количественная мера информации. К.Шеннон разработал основные теоремы и алгоритмы оптимального кодирования данных. Н.Винер заложил начала теории автоматического управления и методам оптимальной фильтрации сигналов, принимаемых на фоне шумов. Их результаты сформировали научное направление под названием статистической теории связи, за которой в дальнейшем закрепилось название теории информации.

В эти же годы шло формирование теории систем и теории множеств, которая находит широкое применение при формализации систем и процессов.

Послевоенное развитие вычислительной техники дало огромные возможности для формирования сложных информационных технологий, используемых ныне в различных сферах деятельности человека. Вместе с этим информационные системы приобрели характер глобальных систем, познание, развитие и эффективное использование которых требует дальнейшего углубления и расширения знаний в этой области.

Материал учебника разбит на четыре части. В первой из них излагаются понятия «информация», «информационные функции», проблемы реализации информационных функций, количественная мера информации, классификация и кодирование её. Во второй части рассматриваются проблемы технической реализации информационных функций и вербальные модели информационной системы (ИС) и её преобразующих (функциональных) подсистем. В третьей части сосредоточены формали-

зованные модели ИС. Методы математического анализа, синтеза

~ 5 ~

и оптимизации процессов, протекающих в ИС, находятся в четвёртой части.

При изложении материала акцент делается на абстрактную функцию информации, ориентированную на устранение неопределённости ситуации относительно событий, фактов, параметров процессов и т.д., что способствует широкому обобщению процессов, протекающих в ИС и внедрению в исследования математических методов. Рассматриваются методы переноса информации в пространстве (передача, приём, распределение информации), переноса информации во времени (задержка, хранение), переноса информации с одних носителей на другие, содержательной и формальной обработки информации. Уделено внимание синтезу оптимальных алгоритмов обработки сигналов, несущих информацию. Реальные информационные процессы и устройства исследуются на математических моделях, воспроизводящих физические принципы преобразования информации и её носителей, взаимодействия элементов системы и поведение системы в зависимости от решаемых задач, наличия технических, программных и информационных ресурсов, характера воздействия внешней среды. Теория ориентирована на разработку математических моделей основных структур информационных систем и её элементов, алгоритмов преобразования информации, методов анализа показателей качества системы, методов синтеза оптимальных алгоритмов преобразования сигналов, несущих информацию.

Информационные системы (ИС) весьма разнообразны. Они отличаются структурной сложностью, сложностью поведения, сложностью взаимодействия с внешней средой. В них взаимодействуют детерминированные и случайные процессы, используются

линейные и нелинейные преобразования сигналов. Невозможно в

~ 6 ~

одной математической модели отобразить все интересующие свойства системы, особенности внутреннего строения и поведения её. Для решения задач изучения и исследования ИС требуется большой набор разнообразных математических моделей её элементов, подсистем, процессов и нужны методы установления связей между отдельными моделями. Разработка их требует глубокого знания не только математики, но прежде всего физической сущности исследуемых процессов, поскольку математическое моделирование предполагает установление взаимно однозначного соответствия между объектами математической структуры и объектами (сигналами, элементами, параметрами, связями) реальной системы.

В учебном пособии представлены математические модели источников информации, сигналов, несущих информацию, процессов преобразования сигналов, основных подсистем ИС, а также установлены связи между различными моделями, что позволяет исследовать процессы функционирования ИС в целом. При этом главное внимание уделено не исследованию конкретных моделей, а изложению математических основ построения и анализа их, освоению методов системного анализа ИС, решению междисциплинарных задач. С учётом назначения данного пособия, сделан определенный акцент на «объяснительную» функцию теории, на раскрытие предметной области, но не путём простого описания, а с применением математических конструкций и соответствующей интерпретации их. Подобный подход позволяет обобщать, систематизировать и спрессовывать научные знания, что весьма важно для учебного процесса в условиях лавинообразного нарастания информации.

~ 7 ~

ний, где рассматриваются атрибуты материи – общие свойства движения, закономерности познания.

Философию, прежде всего, интересует взаимосвязь информации и материи. Различные течения философии имеют свои точки зрения на информацию. Материалистическая философия определяет информацию как свойство материи, результат отражения реальной действительности. Имеется в виду результат непосредственного отражения. В мозгу человека, или в технических устройствах происходит процесс преобразования исходной информации (накопление, обобщение, логические выводы), что ведёт к появлению новой информации. Это будет результат обобщающего отражения.

Одни течения философии утверждают, что понятие «информация» не распространяется на неживую природу, другие – что информация существует только тогда, когда она используется человеком. Чтобы не вдаваться в бесконечные философские споры, специалисты прикладных наук придерживаются компромиссной трактовки. Они считают, что понятием информация объединяются характеристики объектов живой и неживой природы, которые являются потенциальным источником сведений различного рода для людей, так и сами сведения, извлекаемые (получаемые) людьми. В более кратком виде в качестве рабочего инструмента будем использовать следующее определение:

Определение: Информацией называют сведения об окружающем мире, протекающих в нём процессах.

Материалистическая философия исходит из того, что

материя первична, а сознание вторично, производно, что мир

~ 9 ~

как способами изучения действительности. Кроме того, информацию необходимо фиксировать на материальных носителях, придавая сообщениям определённую форму, образ слышимый и видимый, чтобы иметь возможность идентифицировать их и использовать коллективно, а также переносить в пространстве, хранить в памяти, осуществлять быструю выборку из памяти и т.д.

Различные сферы информации, цели и виды преобразования её сформировали различные подходы к исследованию: синтаксический, семантический и прагматический.

При синтаксическом подходе осуществляется структурный анализ информации (количество сообщений, форма их представления, статистические характеристики появления и т.д.).

При семантическом подходе анализируется смысловое содержание информации и влияние её на человека и решаемые им задачи.

Прагматический подход связан с оцениванием полезности, ценности получаемой информации.

Каждый подход формирует свои понятия и методы исследования информации, в результате которых обнаруживаются, отображаются определённые свойства, грани действительности.

Объекты и процессы реального мира находятся в постоянном развитии. Их параметры изменяются по случайным законам. Информация об этих изменениях помогает человеку устранить неопределённость его представления о состоянии интересующих объектов и процессов на конкретный мо-

мент времени. Именно на устранение неопределённости

~ 11 ~

призвана помочь человеку в выборе варианта собственного поведения или варианта целенаправленного воздействия на объекты и процессы реального мира;

б) коммуникационной, которая проявляется при обмене информацией между людьми и направлена на организацию взаимодействия между ними;

в) познавательной, которая обусловлена потребностью в информации, необходимой для общего развития, приобретения специальности и, вообще, для удовлетворения потребности к новому безотносительно к его прагматическому значению;

г) психологической, проявляющейся при формировании определённого эмоционального настроя с помощью некоторых видов информации, способов её подачи человеку.

С развитием человеческого общества заметно увеличивается ряд информационных функций, меняются их приоритеты у человека. Существенно, что в чистом виде функции почти не проявляются. Практически всегда присутствуют элементы управленческой, коммуникационной и других функций в комплексе. Приоритет отдаётся функции, определяющей интегральную цель использования информации.

Приведённая классификация функций носит чисто прикладной характер. В таком конкретном виде их трудно использовать в математических моделях. Нужна определённая степень абстракции. Обобщённым свойством информационных функций является их нацеленность на устранение неопределённости нашего представления о состоянии интересующих нас объектов и процессов реального мира на дан-

~ 13 ~

2)средств труда, которыми человек воздействует на предмет труда, и

3)целесообразную деятельность человека, т.е. собственно труд.

«Целесообразная деятельность человека» представляет собой весьма сложный процесс даже при выполнении простейших видов труда. Труд состоит из двух взаимно зависимых и взаимно обусловленных составляющих. Одна из них (материальная) реализует целенаправленное преобразование вещества, материалов и энергии, то есть участвует в конкретном взаимодействии с объектами и процессами реального мира, а другая (информационная) составляющая связана с отражением в сознании человека реальной обстановки, с оценкой её состояния, с выработкой решения о действиях, определением моментов и мест приложения сил, продолжительности воздействия и т.д.

Наука, изучающая закономерности целесообразной деятельности человека, называется эргономикой (от греч. работа и закон). Она рассматривает схему трудовой деятельности в виде, представленном на рис.1.1.

5.Планирование мер по реализации принятого решения. Уточняются внутренние ресурсы (состояние мышц, суставов, положение тела в пространстве) и внешние ресурсы (состояние инструментов, используемых материалов), определяются исполнительные органы (типы эффекторов), моменты приложения сил, их величина и продолжительность воздействия.

6.Формирование управляющих сигналов и выдача их исполнительным органам, что реализуется нервной системой человека, приводящей в движение энергетическую составляющую человека, его мышцы.

7.Изменение состояния предмета труда в результате воздействия на него эффекторов человека, оснащённых соответствующими элементами.

На этом заканчивается только один рассмотренный цикл трудового процесса, который может повторяться многократно до тех пор, пока не будет достигнута цель.

В случае, когда предмет труда находится за пределами зоны восприятия информации от него органами чувств человека, все данные о состоянии предмета труда, внешней среды доносятся до рецепторов человека с помощью технических средств. Память человека и его мышление по объемам, скорости и точности переработки информации также могут отставать от предъявляемых требований. Им на помощь приходят технические средства. В итоге схема трудовой деятельности приобретает вид, показанный на рис. 1.2.

~17 ~

чувств. Поэтому вся информация о них собирается и частично обрабатывается информационными техническими средствами. Или же вырабатываются управляющие воздействия на средства механизации и автоматизации физического труда. Эти операции относятся к категории рутинных и составляют нижний уровень информационных процессов.

Информационные процессы, требующие творческого вклада в их реализацию, составляют верхний уровень иерархии и выполняются только человеком в его биоинформационной системе.

4. Производственные комплексы занимают огромные пространства. Их элементы испытывают разнообразные воздействия внешней среды, оказывающие влияние на ход трудового процесса. Эти воздействия учитываются информационной системой при выработке управляющих воздействий на исполнительные органы.

Схема реализации основных этапов осталась прежней.

1.4. Проблема реализации информационных функций

Указанная проблема возникла на определённом этапе развития человеческого общества. До этого момента человек длительное время использовал только реализационные ресурсы своего организма.

Из истории развития организмов известно, что для обеспечения безопасного перемещения и более продуктивных поисков пищи у представителей животного мира широкое

развитие получила подсистема восприятия, поиска и

~ 19 ~

рая, помимо кодирования структурного развёртывания всего организма и функций его подсистем, стала более полно записывать с помощью изменений ДНК все новые свойства органов, происходила их генетическая фиксация, наследуемая последующими поколениями. Таким путём начал складываться индивидуальный генотип организмов, поскольку фиксировались и передавались по наследству не только рефлексы, но и мыслительные компоненты.

Подсистемы передачи возбуждений строились на базе рефлекторных дуг, представляющих собой определённую цепочку функциональных ячеек, заполненных соответствующими нервными клетками. Рефлекторные дуги передавали возбуждение как от рецепторов, реагирующих на внешние раздражители, так и от рецепторов внутренних раздражений, включая болевые. Структура устойчивых рефлекторных дуг генетически записывалась и воспроизводилась в последующих поколениях, образуя перечень безусловных рефлексов. На определённом этапе развития в структуре головного мозга стали появляться рефлекторные дуги нового типа – реф- лекторно-алгоритмические дуги (РАД), которые формировались на базе избыточных нервных клеток. Наличие РАД позволило животным закреплять новые навыки и сложные рефлексы, которые не могли быть переданы им по наследству, путём обучения и воспитания (дрессировки).

Результатом протекавшей на Земле миллионы лет эволюции живых организмов считают создание организмов 4-го поколения, к коим причисляют только человека, система организма которого к настоящему времени достигла стабильно-

го совершенства. К 1-му поколению организмов относят рас- ~ 21 ~

носителях (бересте, камнях, шкурах животных, бумаге и т.д.) и хранить их или переносить-перевозить в любое другое место как материальный объект. С этих пор человек стал придумывать в помощь себе различные способы и средства реализации информационных функций (дымы костров, барабаны, заруби на деревьях, узелки на верёвках и т.д.). Но темпы развития их были весьма медленными. Лишь во второй половине 19-го века и в начале 20-го века стали появляться родоначальники современных средств передачи информации (радио – 1895 г. А.С. Попов), обработки информации (ЭВМ – 1944 г.) …и другие.

Развитие информационных технологий (определённых совокупностей информационных процессов), помогающих человеку отражать реальную действительность, усиливать его возможность по приспособлению предметов и процессов природы для удовлетворения своих потребностей, также шло очень медленно, гораздо медленнее развития технологий преобразования материалов, вещества и энергии.

Трудности реализации информационных функций возникали в истории развития человечества неоднократно и сдерживали развитие общества. Известны так называемые «информационные барьеры». Первый из них связывают с уровнем развития хозяйственной деятельности, когда интеллектуальных способностей одного человека (вождя племени) не хватало для решения всех информационных задач. Этот барьер был преодолён путём введения иерархии управленцев. Второй барьер связывают с уровнем развития производственных отношений, для которого иерархия управленцев

перестала обеспечивать эффективное функционирование

~ 23 ~

века, а в середине 20-го века уже стали тормозить развитие производства . Машины должны были взять на себя реализацию части информационных функций, выходящих по ряду показателей за пределы интеллектуальных и физических возможностей человека, или отвлекающих его от решения более важных (творческих) задач. Все рутинные информационные операции должны были взять на себя «машины».

Но как реализовать такие «машины»? Каков принцип их функционирования и какова должна быть элементная база?

Это информационное направление деятельности человека заметно отставало от направления энергетического, решающего проблемы преобразования материалов и вещества, и тормозило развитие последней.

Как преодолеть этот барьер? Многие учёные вольно или невольно стали следовать совету древних мудрецов, сформулированному знаменитым английским философом Френсисом Бэконом. «Оставьте,- говорил он,- трудиться напрасно, стараясь извлечь из одного разума всю мудрость, спрашивайте природу, она хранит все истины, и на вопросы ваши будет отвечать вам немедленно и удовлетворительно».

Следовательно, ответ на поставленный вопрос можно найти, познав принципы функционирования соответствующих органов животных и человека. Других источников истины нет.

Многочисленные исследования физиологов, психологов, нейрохирургов, эволюционистов и других естествоиспытателей продвигаются к познанию проблемы различными путями и средствами, но природа скупо расстаётся со своими

тайнами. А возможно, что мы сами ещё не созрели до уров- ~ 25 ~

1.5. Форма представления образа действительности

Не только процесс формирования образа действительности и «элементная база», используемая для реализации его, интересуют исследователей, но и архитектура образа, его облик, структура весьма важны для познания, для движения в направлении «искусственного интеллекта». Все люди с древнейших времён участвовали и участвуют в процессе отражения действительности, но точно определить структуру образа пока не могут. Мы сталкиваемся с многочисленными высказываниями типа: это не зеркальное отражение, и не фотография, и не словесный портрет и не конструкция из условных символов и т.п. Но не находим ответа утвердительного.

Образ формируется на базе чувственного отражения, но не ограничивается только этим. Большую роль играют абст- рактно-логическое мышление и слово, то есть язык как «специфическое орудие и естественное «материальное выражение мышления». Для многих людей в большей мере свойственно образное (визуальное) мышление, чем словесно-логическое, для других наоборот. Всё это говорит о сложной структуре образа, построенной по иерархическим признакам с использованием многих уровней. Структура переменная, динамически развивающаяся.

Различают оперативно-психические модели, являющие-

ся отражением конкретного состояния объекта на основе

~ 27 ~

личной степенью подобия. Абсолютного сходства с действительностью этот «результат обратного перевода» не имеет, но для реализации многих информационных функций может быть приемлем. Выходит, что при информационных преобразованиях важно сохранить в образе только определённый набор признаков, позволяющих воссоздать реальный объект или процесс с достаточной для практики точностью. Этот подход использовался в трудах К. Шеннона и его последователей и достаточно хорошо оправдал себя в системах передачи информации.

На многих промежуточных этапах преобразования информации весьма сложно пользоваться конструкциями естественного языка. Он формировался тысячелетиями в целях общения между людьми. На нём заметны влияния особенностей функционирования речевых органов, требований практики общения в условиях мешающих звуков, обеспечения безопасности информации от инородцев и др. Но с точки зрения эффективности некоторых видов преобразования информации он оказывается слишком сложным и громоздким. Поэтому широко используются методы кодирования и перекодирования объектов, понятий, отдельных слов и букв естественного языка, когда речь идёт об оптимизации информационных процессов, реализуемых техническими средствами.

~ 29 ~

Многие свойства объектов и процессов, особенно их внешние проявления, могут быть зафиксированными органами чувств человека благодаря излучению ими собственной или отражённой энергии. Ряд свойств можно обнаружить только с помощью специальных приборов, поскольку их проявления недоступны восприятию органами чувств.

Третья группа свойств выявляется методами обобщения и анализа определённого объёма ранее зафиксированных свойств, закономерностей их развития. Эти новые свойства не поставляет природа непосредственно, а являются творчеством человека.

Все виды информации (результат непосредственного отражения или результат обобщения) могут быть выражены на определённом языке (естественном или искусственном) в виде набора символов и зафиксированы на носителях любой физической природы. Эти символы несут информацию о реальных объектах

ипроцессах в закодированном виде.

Впроцессе эволюции, непосредственно взаимодействуя с предметами реального мира, человек присвоил им имена и выделил необходимые атрибуты на естественном языке. При появлении новых объектов, или при выявлении новых свойств в прежних объектах, им присваиваются имена и атрибуты по законам естественного языка. В памяти свей человек хранит образы объектов и соответствующие им кодовые обозначения. Воспринимая условный код объекта и его атрибуты, человек формирует в своём сознании образ объекта, даже не имея опыта непосредственного общения с ним. При этом сформированный образ часто является достаточно полным отражением реальности. Бывают

ибольшие расхождения. Результат зависит от полноты кода и

опыта человека. Тем не менее, условные обозначения объектов

~ 31 ~

ки сетчатки соединены нервными волокнами со зрительным нервом, являющимся черепно-мозговым нервом, по которому от глаза проводятся в мозг световые раздражения.

Чувствительные клетки сетчатой оболочки состоят из сложного белкового светочувствительного вещества красного цвета (родопсина) и делятся на два типа: палочек и колбочек. Эти два типа клеток имеют различные функции. Палочки чувствительны к свету, а колбочки – к свету и цвету. Колбочки ещё делятся на три типа по чувствительности к красному, синему и зелёному цветам.

Подсистему, состоящую из глаз, нервных проводников и зрительной области в коре больших полушарий головного мозга И.П. Павлов назвал зрительным анализатором.

Наличие двух глаз позволяет определять расстояние до предмета и видеть предметы не в плоскости, а в пространстве. Кроме того, парность анализаторов обеспечивает дублирование и взаимный контроль сигналов, что ведёт к повышению надёжности, чувствительности и помехоустойчивости.

Глаза имеют различную чувствительность к свету различной длины волны, что демонстрирует кривая видности на рис. 2.1. Вспомогательные части глаз (веки, слёзные органы, мышцы, двигающие глазное яблоко) расширяют функциональные возможности органов зрения.

Органом слуха являются уши. Звуковые колебания улавливаются ушной раковиной (наружное ухо) и через барабанную перепонку и слуховые косточки (среднее ухо) передаются в улитку лабиринта (внутреннее ухо), где вызывают колебания волокон основной перепонки. Эти колебания вызывают возбуждение в чувствительных нервных окончаниях кортиева органа, которое

передаётся в кору больших полушарий. ~ 33 ~

Рис. 2.1

Слуховой анализатор состоит из уха, проводников (слухового нерва и проводящих путей мозга) и височной области коры больших полушарий головного мозга.

Человек воспринимает звуковые колебания от 16 Гц до 22000 Гц. Максимальное ощущение громкости на частоте 1000 Гц.

Восприятие интенсивности звука субъективно связано с громкостью. Ниже порога слышимости звуки не воспринимаются. Слишком большая громкость вызывает болезненные ощущения.

Болевой порог – верхний уровень воспринимаемой громкости. ~ 34 ~

Органы обоняния расположены в слизистой оболочке носовой полости. С их помощью улавливаются запахи (молекулы летучих веществ). Раздражение клеток слизистой оболочки с помощью обонятельных нервов передаются из носовой полости в мозг.

Органы вкуса находятся главным образом на языке, а также на мягком нёбе, глотке и надгортаннике. Ощущения, возникающие при воздействии различных растворимых веществ на вкусовые органы делят на четыре основных вида: горькое, сладкое, кислое и солёное. Возбуждение вкусовых рецепторов передаются в соответствующую область мозга.

Органы осязания расположены в толще кожи. Они наряду со зрением участвуют в восприятии формы и характера поверхности предметов внешнего мира. Чувствительными элементами являются осязательные тельца. Они воспринимают прикосновения и давления и передают свои возбуждения в мозг. Осязательные тельца, нервные проводники возбуждений и область мозга образуют тактильный анализатор.

Порог чувствительности различен у разных областей кожи: от 2 мг/мм2 для кончика языка до 250 г/мм2 для пятки. Чувствительность кончиков пальцев рук – 3 г/мм2, тыльной стороны кисти

– 12 г/мм2, живота – 26 г/мм2.

Краткое рассмотрение органов чувств показывает, что схема восприятия информации человеком состоит из четырёх основных элементов: 1) рецепторов – улавливающих световую, механическую или химическую энергию среды и преобразующих её в соответствующие нервные возбуждения; 2) проводников нервных возбуждений от рецепторов до мозга; 3) соответствую-

щих областей коры больших полушарий головного мозга, выпол- ~ 35 ~

няющих основную работу по формированию образа реальной действительности, возбудившей анализаторы, оценке ситуации и выработке решений об адекватной реакции на ситуацию; 4) управляемой обратной связи, повышающей эффективность функционирования анализаторов (см. рис. 2.2).

Орг. движения

Рис.2.2

Органы движения помогают исследовать объект с различных сторон, поворачивая объект или перемещая человека вокруг него.

Реакцию человека на воздействия раздражителя (внешнего объекта), зафиксированные анализаторами, называют ощущением. Оно является исходной ступенью и наиболее элементарной формой субъективного отражения действительности.

На основе синтеза ощущений формируется восприятие, в котором в отличие от ощущения отражаются не отдельные свойства, а совокупность свойств объекта, то есть предмет в целом,

~ 36 ~

его структура. В процессе восприятия происходит обнаружение (выделение объекта из фона), различение (выделение деталей объектов и раздельное восприятие двух рядом расположенных объектов) и опознавание (выделение существенных признаков объекта и отнесение его к определённому классу).

На основе ощущений и восприятия строится более сложная форма чувственного отражения – представление, которое является вторичным, чувственным образом предмета, не действующим в данный момент на органы чувств, а синтезированным в сознании человека. Это есть образно-концептуальная модель объекта (концептуальный – от лат. слова представление) или психическая модель, то есть субъективное отражение в сознании человека свойств наблюдаемого объекта.

Представление формируется на основе многократного восприятия, в результате чего отбираются лишь наиболее устойчивые признаки объекта. Представление – собирательный образ. В нём в основном сохраняются “конструктивные” точки объекта, определяющие его форму. Эти точки наиболее информативны. Они обеспечивают наиболее экономичный способ сохранения информации о воспринимаемом объекте.

Вдальнейшем информация анализируется и преобразуется

ворганах памяти и мышления.

2.3.Основные характеристики анализаторов

Вработах по эргономике широко представлены результаты исследований деятельности операторов, в том числе психологические особенности приёма и переработки информации операто-

~37 ~

сильных раздражениях наблюдается заметное отклонение от этого закона.

Анализаторам свойственна способность изменять свою чувствительность в зависимости от их условий работы (адаптация).

Понятие порогов чувствительности распространяется как на энергетические, так и на пространственные, частотные и временные характеристики раздражителей (сигналов). В связи с этим рассматриваются характеристики яркостного контраста, учитывающие отношения яркости изображения и яркости фона.

Основной пространственной характеристикой анализатора (для зрения) является острота зрения. Она определяется величиной, обратной тому наименьшему расстоянию между двумя точками, при которых возможно минимальное ощущение их раздельности. Это минимальное расстояние называют порогом остроты зрения и выражают в угловых единицах.

2. Временные характеристики.

К временным характеристикам анализаторов относятся: латентный (скрытый) период реакции, время инерции ощущения, критическая частота прерываний раздражения (мельканий – для зрения), время адаптации.

Латентный период реакции определяется промежутком времени от момента подачи раздражения до момента возникновения ощущения. Величина его зависит от свойств анализатора, интенсивности раздражений, субъективных особенностей человека.

Время инерции ощущения определяется промежутком времени от момента исчезновения сигнала (раздражителя) до мо-

мента прекращения действия ощущения. ~ 39 ~

кодирования, переноса информации и биосинтеза. Во всех этих процессах доминируют два класса молекул: нуклеиновой кислоты, являющихся носителями законодательного начала, и белка, определяющих временную программу синтеза живой клетки.

Весь план строения организма хранится в одной молекуле нуклеиновой кислоты.

Молекулы нуклеиновой кислоты состоят из четырёх групп. Их обозначают символами А, У, Г, Ц, которые представляют собой буквы генетического алфавита. Объединения молекул рассматриваются как кодовые слова для формирования белка.

Белок состоит из различных аминокислот (около 20). Сочетание из трёх групп молекул нуклеиновой кислоты (таких комбинаций может быть 43=64) и аминокислоты образует универсальный генетический код, описывающий все молекулы живого вещества.

Белок и нуклеиновые кислоты состоят из цепных молекул. Они свёрнуты определённым образом в сложную спираль. Отдельные элементы цепи могут контактировать друг с другом, образуя активные центры из групп аминокислот, которые управляют протекающими химическими процессами. В результате этого создаётся копия исходных молекул. Оптимальные расстояния между активными центрами поддерживаются определённой укладкой спирали.

Собственная память человека сосредоточена в головном мозге, который функционально делят на левое и правое полушария. Левое полушарие воспринимает речевые сообщения, осуществляет синтез и анализ их, логическую обработку языковых знаков и чисел на основе заложенной грамматической информа-

ции, управляет правой рукой. Правое полушарие воспринимает

~ 41 ~

сматривать как самостоятельную высокоорганизованную систему [1], все процессы пока ещё до конца не раскрыты.

По данным, приведённым в [5], общий объём информации, накопленный человечеством в книгах, составляет около 1014 бит. Число нейронов мозга, способных запоминать информацию, не менее 1010, а число нейронных соединений – 1015÷1016, что свидетельствует об огромных резервах памяти человека.

2.5. Процессы функционирования мозга

Результатом восприятия информации является возбуждение биоэлектрохимических процессов в клетках вещества, из которого состоят органы чувств. Возбуждения улавливаются нейронами, из которых состоит нервная система и мозг человека.

Нейроны соединены между собой нервными волокнами, способными передавать возникающие электрические импульсы. Все процессы передачи раздражений от нашей кожи, ушей и глаз к мозгу, процессы мышления и управления действиями органов речи и движения – всё это реализовано в живом организме на основе управляемой передачи электрических импульсов между нейронами.

Нейрон – нервная клетка, состоящая из тела и отходящих от него отростков (длинные – дендриты, а короткие - аксоны). Межнейронные связи осуществляются с помощью синапсов (соединения отростков), число которых у некоторых клеток достигает 4 – 20 тысяч, хотя есть нейроны, имеющие лишь по одному синапсу.

В коре головного мозга насчитывается до 100 млрд. нейро-

нов различного размера, формы и строения. Они очень плотно

~ 43 ~

восприятия, управляют органами чувств, то есть анализируют раздражения, вырабатывают отношения к ним и, как результат, - управляющие сигналы к органам чувств, а также к эффекторам, если есть возможность как-то влиять на внешний объект, для более тонкого восприятия его свойств. Дальнейшая нагрузка по преобразованию информации падает на высшую нервную деятельность, учение о которой создано И.П. Павловым.

В своих работах И.П. Павлов исследовал совокупность сложных форм деятельности высших отделов центральной нервной системы (коры больших полушарий головного мозга и ближайшей подкорки), осуществляющих наиболее тонкое приспособление животных и человека к окружающей среде [11]. В основе этой деятельности лежат условные рефлексы, которые вырабатываются в процессе индивидуальной жизни на базе врождённых (безусловных) рефлексов. Условные рефлексы возникают в ответ на изменения, происходящие во внешней и внутренней среде организма и приобретающие на определённый период сигнальное значение.

Условный рефлекс образуется в том случае, когда действие любого агента внешней или внутренней среды несколько раз совпадает во времени или предшествует действию раздражителя, вызывающего какой-либо безусловный рефлекс. В результате получаем, что агент, не вызывающий ранее данного рефлекторного ответа, начинает его вызывать, то есть становится условным, или сигнальным раздражителем. Например, в опытах И.П. Павлова звонок, несколько раз предшествовавший акту еды, вследствие выработки уловного рефлекса стал вызывать пищевую реакцию – отделение слюны. У человека условные рефлек-

сы могут осуществляться не только на основе первой сигнальной

~ 45 ~

К умственным операциям относятся: анализ и синтез, сравнение и различение, абстракция и конкретизация, обобщение и систематизация. Мыслительные процессы протекают в форме суждений и умозаключений и осуществляются при помощи понятий, формирующихся в процессе исторического развития человечества, являющихся продуктом общественного опыта и усваиваемых каждым человеком в процессе его индивидуального развития (в условиях воспитания, обучения и трудовой деятельности).

Суждение – это мысль, в которой что-либо утверждается или отрицается. Оно состоит из: 1) субъекта – понятия о предмете; 2) предиката – того, что высказывается о предмете и 3) связки, устанавливающей определённое отношение между предметом и его признаком. Например, суждение: “сознание есть свойство высокоорганизованной материи” состоит из субъекта (“сознание”), предиката (“свойство высокоорганизованной материи”) и связки (“есть”).

Умозаключение является рассуждением, в котором из одного или нескольких суждений (посылок) выводится новое суждение (следствие).

Таким образом, мыслительный процесс осуществляется при помощи понятий, сформированных до этого процесса и включённых в состав естественного или искусственного языка, на котором мыслит человек. Свойства языков, их характеристики существенно влияют на мыслительный процесс как процесс преобразования информации, отражаются на объёмах занимаемой памяти, скорости выборки необходимого объекта из памяти и т.д.

~ 47 ~

срочного реагирования, то вырабатывается решение о действиях. Например, «преодолеть или обойти препятствие?». Разрабатывается план реализации решения. Эти работы мозга так же сводятся к анализу и синтезу, то есть к мысленному расчленению объектов на образующие элементы, изучению их свойств, а также мысленному соединению их и анализу созданных конструкций поведения. Отличие состоит в том, что кроме воспринятой информации чувственными анализаторами привлекается дополнительная информация о способах и ресурсах реализации принятого решения. При этом используется прошлый опыт и имеющиеся знания, а также вся информация о текущем состоянии всех эффекторов, планируемых для использования.

Основными средствами реализации решений являются органы речи и движения. Голосом человек отдаёт соответствующие распоряжения, а органами движения может подавать сигналы к действию, а также осуществить некоторые действия.

Установлено [10], что даже простейшему движению предшествует мыслительный процесс, который весьма сложен. Ещё на стадии чувственного восприятия ситуации идёт параллельно процесс анализа всех элементов органов движения (мышц, связок, суставов) к выполнению задачи. Определяется уровень необходимого возбуждения для каждой мышцы в сложной двигательной цепи, с учётом сиюминутного состояния их (упругости, длины, степени возбуждения и др.), с учётом состояния нервной системы, с учётом информации о бесчисленных степенях свободы подвижности.

Этот принцип чувствительной (сенсорной) коррекции был изложен в 1930г. известным советским физиологом Н.А. Берн-

~ 49 ~

стей и туловища. Эти данные суммируются, создавая в мозгу общую картину всего тела, в каком положении или фазе движения оно бы ни находилось.

Подобный поток информации поступает в мозг непрерывно, даже во сне.

Этот уровень обеспечивает согласованную работу всех органов тела при реализации движения и воспроизводство различных движений (штампы) при ходьбе, работе, играх, сохраняя высокую точность повторов по времени и рисунку. Последующие уровни берут на себя реализацию всё более обобщённых функций.

Глава 3. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ МЕРА ИНФОРМАЦИИ

3.1. Основа меры количества информации

Поисками признака, на основе которого можно было бы произвести измерение информации, занимались многие известные ученые. При этом анализировались цели извлечения (получения) информации, сферы ее использования, параметры информационных потоков. Рассматривались различные подходы к информации: синтаксический, семантический, прагматический. В конечном итоге, в основу количественной меры была положена степень изменения неопределенности нашего представления о состоянии интересующих нас объектов или процессов реального мира в результате получения (преобразования) определенного объема информации. Обоснование подобного подхода и выводы

~ 51 ~

не только множеств состояний, но и множеств произвольных символов, применяемых при исследовании информационных процессов.

Возможные вероятности P(xi) состояний объекта считаются известными, но не известно конкретное состояние его в данный момент, поскольку состояния систем изменяются во времени под воздействием определённых причинно-следственных связей и случайных воздействий среды. Именно в этом состоит неопределенность ситуации для исследователя объекта. Степень неопределённости характеризуется величиной априорной вероятности P(xi) данного состояния. Чтобы устранить возникшую неопределённость, исследователь производит некоторый эксперимент (опыт), сводящийся к добыванию сведений о состоянии объекта. Например, проводит прямые измерения параметров объекта, собирает сведения от других источников или, наконец, выявляет нужные сведения путём обработки массивов данных на ЭВМ. В результате выполнения всех операций по добыванию недостающих сведений будет получена некоторая оценка yj, содержащая в себе информацию о текущем состоянии xi объекта с условной вероятностью P(xi/ yj).

Оценка yj носит в себе следы действия помех, неточности измерительных приборов, ошибок округления и др. Поэтому она может не совпадать с истинным значением xi. Условная вероятность P(xi/ yj) называется апостериорной (послеопытной) вероятностью состояния xi при условии, что получена оценка yj. Она является характеристикой степени неопределённости ситуации от-

носительно состояния xi после опыта. Этапы действий исследо- ~ 53 ~

вателя показаны на рис. 3.1, где Х – множество априорных состояний xi є Х;

Y – множество апостериорных состояний yj є Y, являющихся вероятностными оценками истинных состояний объектов;

Z – множество значений мешающих факторов. X Z Y

xi, P(xi) P(xi/ yj) yj, Рис. 3.1

Сравнение вероятностей P(xi) и P(xi/ yj) между собой даёт результат, который является искомым признаком, на основе которого измеряется количество добытой информации, полезной для устранения неопределённости ситуации относительно среднего состояния xi.

Если анализируется неопределённость всего множества X состояний, то должны учитываться как частные вероятности P(xi) и P(xi/ yj), так и взаимосвязи между состояниями.

Случайный характер информационных процессов обусловил широкое применение в их исследовании методов теории вероятностей, но оказалось, что арсенала классических методов для этого недостаточно. Возникла необходимость в создании новых вероятностных категорий, которые рассматриваются в следующих подразделах.

~ 54 ~

3.2. Количество взаимной информации

Полученные оценки априорной и апостериорной неопределённостей относительно одного состояния xi объекта можно сравнивать различными методами (брать их разность, квадрат разности, абсолютное значение разности, отношение и т. д.). Но оказалось, что наиболее удобной мерой сравнения степеней неопределённостей является логарифм отношения апостериорной вероятности к априорной. Именно эта величина принята за количество полезной информации, полученной в результате опыта.

Допустим, что исследуется некоторый объект по схеме рис. 3.1. Определены априорная P(xi) и апостериорная P(xi/ yj) вероятности состояния xi объекта. Переход из состояния в состояние при вероятностном анализе рассматривается как случайное событие.

Количество информации, содержащееся в событии yj относительно появления события , обозначается символом I(xi/ yj) и определяется по формуле

P(xi/ yj)

Могут использоваться логарифмы двоичные, натуральные и десятичные. В зависимости от основания меняются единицы измерения количества информации: бит или двоичная единица, если используется двоичное основание; нит или натуральная единица, если используется натуральный логарифм; хартли (по

~ 55 ~

фамилии английского ученого Дэвида Хартли) или десятичная единица – при десятичных логарифмах.

Основные свойства количества информации I(xi; yj):

1. Свойство симметрии. Информация, содержащаяся в yj относительно хi ,равна информации, содержащейся в хi относительно yj. Это утверждение становится очевидным, если числитель и знаменатель в (3.2) умножить на вероятность P(yj) и произвести преобразование с учетом известного соотношения из теории вероятностей, определяющего вероятность совместного появления событий xi и yj,

2.Свойство аддитивности. Информация, содержащаяся

впаре событий yj, zk относительно xi, равна сумме двух слагаемых: информации, содержащейся в yj относительно xi, и информации, содержащейся в zk относительно xi при условии, что значение yj известно, т.е.

3.3.Количество собственной информации

~56 ~

Количество собственной информации определяется из (3.2) при условии P(xi/yj) = 1, означающем, что апостериорные оценки yj однозначно характеризуют истинное состояние xi. Тогда имеем:

I(xi;yj) = - log P(xi) = I(xi). (3.6)

Символ I(xi) обозначает количество собственной информации в событии xi и определяет величину количества информации, необходимой для однозначного определения состояния xi. Чем больше величина I(xi), тем больше степень неопределенности состояния xi. При P(xi) = 1 величина I(xi) = 0, что указывает на отсутствие неопределенности относительно состояния xi.

С учётом (3.3) и (3.6) можно преобразовать выражение (3.2) количества взаимной информации через количество собственной информации составляющих событий к полезному для анализа виду:

где I(xi/yj) – условная собственная информация, или

I(xi;yj) = I(xi) + I(yj) - I(xiyj), (3.8)

где I(xiyj) – количество собственной информации в совместном появлении событий xi иyj.

3.4. Среднее количество собственной информации – энтропия

Усреднение количества собственной информации (3.6) по всем состояниям множества X даёт меру неопределённости всего множества состояний. Эта мера обозначается символом H(X) и называется энтропией множества X:

N

~ 57 ~

игральных костей с шестью состояниями, и монет, имеющих всего два состояния.

Энтропия множества независимых систем равна сумме энтропий элементов множества.

Зависимость энтропии от уровня априорных вероятностей для системы с двумя состояниями, то есть зависимость

H(X) = - Plog P – (1-P)log(1-P), (3.12) где P = P(x1); (1-P) = P(x2),

показана на рис. 3.2. H(X) 1

3.5. Среднее количество взаимной информации

Количество взаимной информации между парой событий xi иyj определяется по формуле (3.2). Среднее количество взаимной информации между множествами X и Y получается путём усреднения (3.2) по всем i и j:

N M

где P(xi;yj) – вероятность совместного появления событий xi и yj. С учётом соотношений (3.3) и (3.6) формула (3.13) может

быть представлена в других, полезных для использования фор- ~ 59 ~

Она характеризует неопределенность исхода событий множества Y при известных значениях элементов множества Х.

Если учесть, что математическое ожидание есть результат усреднения по всем состояниям, то формулы (3.10), (3.13) и (3.16) можно представить в виде:

где М [·] – символ математического ожидания.

Теперь, прологарифмировав выражение (3.3) для вероятности совместных событий и применив операции определения математического ожидания по типу (3.17), получаем соотношения:

из которых получаем равенство:

Н(Х) – Н(Х/Y) = Н(Y) – Н(Y/Х). (3.19)

Левую часть (3.19) интерпретируют в системах передачи данных как среднее количество информации I(X;Y), доставленное в пункт приема. Оно равно среднему количеству переданной информации, равное H(X), минус среднее количество информации Н(Х/Y), потерянное вследствие действия шумов. То же самое в другой интерпретации: была большая исходная неопределён-

ность ситуации, равная величине Н(Х); после получения некото- ~ 61 ~

Отметим, что при равенстве мощностей помеха, распределённая по нормальному закону с дисперсией σ2, имеет максимальную приведённую энтропию, равную

Н*(Х) = log√2πеσ2 ,

что свидетельствует о ее максимальной мешающей способности.

Глава 4. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

4. 1. Характеристика проблемы

Разнообразие объектов и процессов реального мира, с которыми взаимодействует человек в течение жизни и фиксирует их в своём сознании, бесконечно велико. Каждому из них необходимо дать имя, указать области применения, отметить основные свойства, определить характер взаимоотношения между собой и с человеком. При этом система обозначений объектов и их признаков должна формироваться с учётом потребностей общества и обеспечивать обмен информацией между членами общества.

~ 63 ~

тия, а их общность для всех людей способствует объединению творческих сил.

Фиксируемые в сознании образы действительности используются многократно для решения самых разнообразных задач. Это обусловило рациональное отношение к информации, к организации ее хранения и преобразования. Уже с первых шагов эволюции стали появляться элементы классификации отображаемых объектов по степени опасности, по пригодности к использованию и т. д. Каждому элементу или группе их присваивается некоторый показатель ценности, в соответствии с которым определяется его место в памяти, формируются нервные пути для адекватной реакции на возбуждения. Об этом говорят примеры образования безусловных и условных рефлексов, отдельных центров мозга для различных органов чувств, наличие оперативной и долговременной памяти.

Рациональное отношение к информации предполагает соблюдение следующих основных положений:

1.Однозначную идентификацию объекта по его образу.

2.Формирование быстрой и адекватной реакции на полученную информацию.

3.Обеспечение сохранности информации от воздействия внешних и внутренних помех.

4.Экономное расходование ресурсов хранения, отображения, обработки и распределения информации.

Ответственная роль в реализации перечисленных положений отводится действиям, которые сейчас называют классификацией и кодированием информации.

Классификацией называют процесс упорядоченного рас-

пределения объектов заданного множества на подмножества. ~ 65 ~

порядка (расположение книг по алфавиту, разложение товаров по назначению).

Люди, в основном, оперируют понятиями устоявшихся систем классификации, апробированных обществом. Но в технических системах преобразования информации с целью повышения определенных показателей ее качества часто формируются вспомогательные системы классификации и кодирования, по сути – переклассификация и перекодирование. Нас интересует именно эта сторона вопроса, непосредственно связанная с оперативным преобразованием информации.

При классификации технико-экономической информации наиболее часто используют две системы классификации:

1) иерархическую, 2) фасетную.

В иерархической системе установлено отношение подчинения между классификационными группировками. В ней устанавливаются ступени и уровни классификации. Основанием для деления являются признаки объектов. Система отличается большой информационной емкостью, привычностью применения, хорошей приспособленностью к ручной обработке, но в ней слабая гибкость структуры, так как основания деления заранее фиксированы, установлен порядок их следования, не допускающий включения новых объектов. Эту систему удобно представить схемой (рис. 4.1).

~ 67 ~

Емкость системы зависит от числа фасет и количества признаков в фасете. Значения различных фасет не должны пересекаться. Группы образуются из условия полезности применения в задачах.

Основные преимущества фасетной системы – гибкость структуры ее построения, хорошая приспосабливаемость к машинной обработке информации. Недостаток – неполное использование ёмкости памяти.

4. 3. Системы кодирования

Системы кодирования отличаются большим разнообразием и зависят от сферы применения, назначения, свойств кодируемых параметров, требований к кодам. В простейших случаях к коду предъявляется лишь одно требование: однозначная идентификация объекта по коду. Реализация такой системы сводится к обычной нумерации объектов. Сам номер чаще всего представляется в виде набора цифр, букв или других символов. Такой код не несет в себе никакой информации о свойствах объекта, областей его применения, что является существенным недостатком.

В большинстве применений к кодам предъявляются следующие главные требования:

-обеспечивать однозначное определение объекта (идентификацию);

-содержать необходимые сведения об объекте;

-обеспечивать минимальную длину кодового обозначения.

~69 ~

В классификационной системе используются последовательная и параллельная системы кодирования.

Последовательная система ориентирована на иерархическую систему классификации. В ней группировки образуются путём добавления символов к коду вышестоящей группировки.

Достоинства: логичность построения, большая ёмкость. Недостатки: негибкая структура.

Параллельная система характеризуется независимым кодированием признаков. Чаще используется при фасетной системе классификации. Система хорошо приспособлена для машинной обработки.

Существуют системы классификации и кодирования ведомственные, государственные и международные. Например, международная стандартная хозяйственная классификация (ООН)

использует 4-х ступенчатую иерархическую систему классификации с последовательной системой кодирования цифровыми десятичными знаками (Х+Х+Х+Х).

Международная стандартная торговая классификация (ООН) использует 5-и ступенчатую иерархическую систему классификации с последовательной системой кодирования цифровыми десятичными знаками (Х+Х+Х+Х+Х).

Единая система классификации и кодирования предметов материально-технического снабжения армий – членов НАТО, использует 4-х ступенчатую иерархическую систему классификации с последовательной и параллельной системой кодирования тринадцатью цифрами и идентификацией объектов в пределах групп (ХХ+ХХ+:00+0000000) – после двух ступеней кодирования продукции следует двузначный код (00) страны и семизначный

национальный код предмета снабжения. ~ 71 ~

Выводы по I части

1.Информация является общественным продуктом, результатом работы органов чувств, нервной системны и мозга многих поколений людей по отражению реального мира в сознании человека. Любые новые сведения, исходящие от конкретного человека о процессах и объектах действительности, рождаются на базе известных результатов и методов поиска их и несут в себе долю общественного труда в форме представления образа действительности, в методах установления взаимосвязи с другими объектами. Новизну составляет лишь отдельный штрих, «увиденный» мозгом человека и обогативший общество этим знанием.

2.Материальной основой, элементной базой функциональных информационных центров человека является нейроннонейропильная структура коры головного мозга, связанная с работой всех сигнальных подсистем. (Нейропиль - соединения нейронов, окружённых густой сетью нервных отростков.) Она определяет способность человека к восприятию, представлению, формированию понятий, образов и, наконец, к творчеству.

Процесс функционирования осуществляется на биоэнергетической основе биохимических реакций организма. Многоуровневая иерархическая система управления информационными процессами предусматривает элементы автономии, саморегулирования, адаптации [1,2,3 ]. Управление основано на сигналах, несущих информацию о виде и параметрах раздражений органов человека, вызванных внешними воздействиями или внутренними физиологическими причинами.

~73 ~

живающие» входные сигналы, или рецепторы с управляемой чувствительностью.

Таким образом, из огромного множества информации, воздействующей на человека одновременно, он может выбрать отдельный объект или отдельный его параметр и наблюдать за ним в соответствии с его целями и задачами, имеющимися ресурсами времени и средств достижения цели.

7.Не все ощущения, воспринимаемые человеком от раздражителя (объекта) равноценны в плане формирования образ- но-концептуальной модели объекта. Есть определённые «конструктивные» точки объекта, обеспечивающие наиболее экономный способ формирования представления о нём. Например, специалисту достаточно беглого взгляда на машину, чтобы определить конструктивные особенности её. Потому что он знает, на что следует обращать внимание. Это важно знать при организации сбора сведений для оценки состояния сложных систем или явлений общественной жизни.

8.В память информация вносится в закодированном виде. Система кодов многоуровневая со сложной структурой: от элементов объекта или процесса до обобщённого его образа в целом. Кодируется объект и множество его атрибутов, в том числе временные и пространственные координаты, соседство с другими объектами, что позволяет безошибочно идентифицировать, или просто найти информацию в огромных хранилищах памяти (число нейронов мозга человека достигает величины 1010, а числа нейронных соединений - 1015- 1015, что образует грандиозную информационную сеть, способную запомнить всю информацию, накопленную человечеством в книгах и содержащую около 1014

бит). Для кодирования используются различия в составе клеток, ~ 75 ~

7.Какие количество информации получено в результате некоторого опыта в системе с двумя равновероятными состояниями, если апостериорная вероятность ответа равна ?

8.Какие количество информации потеряно из-за недостаточной достоверности опыта в задаче 7 ?

9.Какова апостериорная вероятность правильного измерения длины детали прибором с погрешностью ± 5 мм, если требуемая точность 1 мм?

10. Какое количество информации потеряно в канале за час работы со скоростью передачи в 1200 Бод, если вероятность ошибочного приема равновероятного бинарного символа равна

?

11.Какое количество информации в битах содержится в одном хартли? в одном ните?

12.Определить энтропию системы с непрерывным множеством состояний, распределенных по нормальному закону с нулевым средним и дисперсией.

13.Определить энтропию системы с непрерывным множеством состояний, распределённых по равномерному закону в диапазоне от до.

14.Сравнить энтропию по задачам 12 и 13 при условии

равенства

где f1(t) и f2(t) - сигналы, мгновенные значения которых распределены по законам условий задач 13 и 14 соответственно.

~ 77 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Потребности практики к скорости и точности переработки больших объёмов информации уже давно вышли за пределы интеллектуальных и физических возможностей человека. В помощь себе он стал создавать различные технические устройства, которым поручались задачи выполнения отдельных операций и их совокупностей (технологий). Со временем к техническим устройствам стали добавляться вспомогательные сведения в виде математических формул, таблиц, схем и программ вычислений, используемых для реализации сложных информационных функций в автоматическом режиме. Другими словами, стали создаваться устройства, позволяющие оперативно использовать положительный опыт предков, зафиксированный в программных изделиях, для решения актуальных информационных задач сегодняшнего дня. Так сформировались современные информационные системы (ИС). Их называют кибернетическими машинами. (В философской трактовке: "Машины" - это созданные руками человека продукты человеческого мозга». К. Маркс). Эти «машины» помогают людям оперативно обмениваться информацией друг с другом, организовывать хранилища полезных сведений, выполнять заказы населения по информационному обслуживанию. Они стали активно внедряться в науку, в управление производством, в сферы торговли и быта, в банковское дело и в другие сферы нашей жизни. Всё это существенно расширило возможности человека в познания действительности.

5.2. Функции информационных машин

Рассматриваемая "машина", созданная человеком себе в помощь, выполняет те функции, которые определил ей человек, _ реализует информационный процесс в целом или какую-нибудь его часть. Человек

формирует цели, поставляет исходные данные, задаёт режимы работы,

~ 81 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

идти путём создания арсенала устройств различного назначения и при получении заказа на обслуживание формировать из этих устройств нужные последовательности, то система будет очень громоздкой и дорогой, с малым быстродействием. Анализ и практика показали, что выгоднее использовать принцип детского конструктора, когда требуемое устройство формируется из мелких конструктивных элементов - "кирпичиков". Система содержит запас таких "кирпичиков" и подсистему формирования из них устройств реализации заданных информационных функций по мере необходимости. После выполнения заказа сформированное устройство "разбирается" и "кирпичики" переводятся в исходное состояние. Получается, что преобразующее устройство существует короткое время на период выполнения заказа. Так экономятся физические ресурсы, занимаемые ими объемы. Эта идея привела к дополнительному шагу. Успехи в развитии вычислительной математики и быстродействующей вычислительной техники создали возможности отказа от формирования устройства для реализации процесса в целом и обеспечили переход к потактной реализации процесса. Этот шаг в ещё большей степени уменьшил число исходных "кирпичиков", упростил процесс управления ими, что в конечном счёте привело к уменьшению габаритов машин, повышению их быстродействия, надёжности, экономичности. В итоге, ИС приобрела дополнительную функцию формирования виртуальных преобразующих устройств для каждого заказа.

Для дальнейшего исследования вопроса целесообразно ввести научные понятия теории систем, развиваемой с 30-х годов прошлого века как методологии познания сложных объектов действительности.

~ 83 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

темам относятся физические (неживые) системы природы и биологические (живые) системы. Искусственные системы делят на техникотехнологические системы и социальные (общественные) системы. Тех- нико-технологические системы включают в себя как объекты систем различного целевого назначения, так и управляющие этими объектами элементы. К социальным системам относятся различные системы человеческого общества, в том числе и системы организационного управления человеческими коллективами.

Абстрактные системы являются результатом отражения реальной действительности в мозгу человека - непосредственно или в результате обобщающего отражения. К первым относятся математические и логи- ко-эвристические модели, а ко вторым - концептуальные системы (теории, методологические построения) и знаковые системы (естественные и искусственные языки, схемы и др.). Построение абстрактных систем является необходимой ступенью, обеспечивающей эффективное взаимодействие человека с окружающим его миром.

Целью функционирования систем является преобразование вещества, энергии или информации. Преобразующие элементы различного типа часто тесно взаимодействуют в одной системе. Например, управляемые элементы могут быть ориентированы на преобразование вещества, а управляющие - на преобразование информации.

Структура. Понятие структура характеризует конструктивные особенности систем. Структура реальных систем может рассматриваться как скелет, каркас, на основе которого строится материальная конструкция этих систем. Структура играет основную роль в формировании новых свойств системы, в поддержании её целостности и устойчивости её свойств. Определение: Структура есть характеристика устойчивых связей и способов взаимодействия элементов системы, оп-

ределяющая её целостность, строение, основы её организации. У

~ 85 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Состояние систем. Состоянием системы называют совокупность параметров, которые в каждый рассматриваемый момент времени отражают наиболее существенные с определённой точки зрения стороны поведения системы, её функционирования. Определение является весьма общим. В нём подчеркивается, что выбор характеристик состояния зависит от целей исследования. В простейших случаях состояние может оцениваться одним параметром, способным принимать два значения (включено или выключено, 0 или 1). В более сложных исследованиях приходится учитывать множество параметров, способных принимать большое число значений. Система, состояние которой изменяется во времени под воздействием опредёленных причинно-следственных связей, называется динамической системой, в отличие от статической системы, состояние которой во времени не изменяется. Желаемое состояние системы достигается или поддерживается соответствующими управляющими воздействиями.

Управление. В кибернетике управление рассматривается как процесс целенаправленного изменения состояния системы. Иногда управлением называют процесс переработки воспринятой информации в сигналы, направляющие деятельность машин и организмов. А процессы восприятия информации, её хранения, передачи и воспроизведения относят к области связи. Существует и более широкая трактовка понятия управление, включающая все элементы управленческой деятельности, объединенные единством цели, общностью решаемых задач: «Управлением называется информационный процесс подготовки и сопровождения целенаправленного воздействия на объекты и процессы реального мира».

Такая трактовка охватывает все вопросы, которые приходится решать управляющему органу, от сбора информации, системного ана-

лиза, выработки решений, планирования мероприятий по реализации

~ 87 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

торого является абстрактное мышление. Мысленное отвлечение от ряда несущественных свойств, связей предметов и выделение основных, общих его свойств, связей и отношений считается одним из моментов процесса познания. При этом мозг интенсивно производит анализ (мысленное расчленение объекта на образующие элементы и познание их свойств) и синтез (мысленное соединение элементов и изучение их связей). Существенную помощь человеку в осуществлении мыслительной деятельности оказывают вспомогательные средства: рисунки, схемы, чертежи, фотографии, скульптуры и т.д. Все они в какой-то мере отображают определённые свойства реальных объектов и являются их моделями (от фр. - образцами, подобиями). Учёные не настаивают, чтобы их модели как две капли воды походили на действительность. Важно, чтобы они помогли глубже постичь реальность, предсказать некоторую группу явлений. Более подробно особенности моделей и проблемы моделирования излагаются в разделе 11.

5.4. Информация как объект преобразований

Объектом преобразования в ИС является информация. Свойства объекта преобразования во многом определяют особенности систем, их основных компонент и отношений между ними. Кроме того, особенности элементов и отношений между ними ориентируются на совместное достижение цели преобразования информации с учётом предъявленных требований к результатам преобразования, сводящимся в основном к ограничениям потерь (временных, точностных, ресурсных). Согласованное взаимодействие элементов системы в интересах достижения цели функционирования определяет новизну свойств системы по сравнению со свойствами ее компонент. Свойства информации,

определяющие особенности строения и функционирования ИС, сле-

~ 89 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

тема". Можно встретить этот термин в применении к техническим средствам, к информационным источникам, к методам обработки информации. Строгой научной классификации информационных систем нет. Используются классификации по различным признакам:

-по виду циркулирующей в системе информации (телефонная, телеграфная, телевизионная, телеметрическая, данные для ЭВМ);

-по признакам используемых технических средств (радио, кабель, оптическое волокно, спутники, компьютеры и пр.);

-по уровню охвата пользователей (индивидуальные, групповые, корпоративные, региональные, национальные, международные);

-по назначению (коммуникативные, управленческие, поддержки принятия решений, научно-исследовательские, офисные, справочные, редакторские и т.п.);

-по способу организации обменных и вычислительных процессов (локальные сети, среды управляемого доступа, вычислительные сети);

-по характеру функционирования (системы реального времени; системы стратегического планирования);

-по уровню организации и использования массивов данных (базы данных, банки данных, базы знаний, интеллектуальные системы т.д.).

Все разновидности систем, созданные для реализации информационных функций, будем называть информационными системами.

5.6.Обобщённая вербальная модель ИС

Для отдельного человека ИС не строят, потому что в процесс решения информационных задач вовлекаются массы людей и технических средств, являющихся источниками и получателями информации. Не выгодно строить специализированные системы под

каждую задачу, под одну информационную функцию, хотя для некото-

~ 91 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

и отображения информации (ЦВОИ), центры специализированных информационных технологий, передающие центры (ПРД), приёмные центры (ПРМ) участвуют в информационном обслуживании всех абонентов системы в соответствии с их приоритетами. Все приборы информационного обслуживания разнесены в пространстве и объединяются в единую систему с помощью каналов и узлов связи, образующих сеть связи. На узлах связи располагаются передающие и приёмные центры, а также центры распределения информации. Другие центры могут быть вынесены за пределы узлов связи, но могут располагаться и на территории узлов.

Каналы связи соединяют между собой все узлы. Все ПИО индивидуального использования соединяются с близлежащими узлами

.Рис. 5.1.

Процесс функционирования ИС сводится к преобразованию информации, поступающей от источников информации, и выдаче результатов преобразования получателям. Источниками и получателями информации в разные моменты времени могут быть различные группы абонентов и различные устройства задействованных центров коллективного использования. Между взаимодействующей в данный момент парой <источник ─ получатель> может быть включено различное число ПИО (в зависимости от расстояния между абонентами и вида

~ 93 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

вычислительных и логических операций для любых приложений; она состоит из ЭВМ и их комплексов (в том числе вычислительных сетей).

3.Хранения информации, которая осуществляет организацию, ведение и хранение информации, расположенной на машинных носителях и предназначенной для комплексного многоцелевого использования; она включает в себя базы данных (знаний) и системы управления ими.

4.Записи и воспроизведения информации, которая фиксирует информацию на материальных носителях (регистрация, документирование) и воспроизводит (отображает) ее в удобном для человека (получателя) виде.

5.Сопряжения, которая выполняет функции согласования работы подсистем (синхронизация, фазирование, обеспечение питанием, инициализация взаимодействия между элементами системы и т.п.); она включает в себя все виды интерфейсов, стыков между аппаратурой и дополнительное оборудование.

5.7. Влияние внешней среды на ИС

Информационная система относится к классу открытых систем, которые активно взаимодействуют с окружающей средой, то есть со всей совокупностью элементов окружающего ИС мира, не входящих в нее, но оказывающих на неё то или иное воздействие. Внешняя среда характеризуется тремя видами воздействия на ИС:

1.Энергетическим воздействием, приводящим к изменению физических свойств элементов ИС (разрушение, изменение плотности, температуры и др.).

2.Информационным воздействием, приводящим к искажению

или утечке информации.

~ 95 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

для решения творческих задач.

Вторая функция человека в ИС проявляется тогда, когда он используется в качестве элемента ИС (например, в роли оператора). В этой роли его действия могут определяться наравне с техническими элементами. Однако, в силу своих способностей, он придаёт системе дополнительные свойства:

а) универсализм (может расширить число решаемых задач и решать их по-новому);

б) адаптивность (может приспосабливаться к изменяющимся условиям в более широком диапазоне);

в) изменчивость (состояние человека меняется при утомлении, болезнях, а от этого меняется качество решаемых задач).

5.9. Показатели качества ИС

Качество есть свойство или совокупность свойств объекта, обусловливающих его пригодность для использования по назначению. Качество определяется внутренними свойствами объекта, его строением и особенностями взаимодействия его составных компонент. Оно проявляется при использовании объекта по назначению и зависит от достигаемого эффекта, но не отождествляется с ним. Достигаемый эффект, в свою очередь, зависит от сферы применения объекта, от внешних условий, от целей и приоритетов пользователя. Качество объекта зависит также от затрат на его создание и применение, от стабильности его свойств по отношению к меняющимся факторам воздействия времени и среды, от уровня удовлетворения общественных потребностей. Приведённое определение качества содержит в себе два начала: объективное и субъективное. Объективное начало состоит в

том, что свойства объекта, степень проявления их могут быть объек-

~ 97 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

удовлетворять современные требования к нему. Сведение множества показателей качества объекта в один интегральный показатель представляет собой весьма сложную задачу. Множество показателей качества ИС целесообразно разбить на два подмножества. В одном из них сосредоточить показатели, которые характеризуют степень пригодности ИС для реализации предусмотренных информационных функций. В другом подмножестве - оставить показатели, которые характеризуют параметры жизненного цикла системы. Первое подмножество, в свою очередь, состоит из различных групп элементов, среди которых основными для ИС являются следующие:

1.Группа временных показателей, характеризующих временные затраты на реализацию процессов преобразования информации. Особенно важны эти показатели в системах оперативного управления. Это обусловлено необходимостью своевременного влияния управляющего органа на управляемый. При этом понятие своевременности оценивается относительно скорости изменения ситуации, требующей вмешательства органа управления.

2.Группа точностных показателей, учитывающих потери достоверности информации в процессе преобразования её в системе. Они определяют качество информационной продукции.

3.Группа показателей связности, учитывающих возможности обмена информацией между абонентами в условиях выхода из строя элементов системы как в результате воздействия среды, так и в результате естественных отказов.

4.Группа показателей защищённости информации, указывающих на степень закрытия несанкционированного доступа к информации, степень закрытия возможностей для введения в неё ложной информации, степень обеспечения скрытности процессов обмена

~99 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

меняются случайным образом в соответствии с характером поступления заказов на обслуживание. Они меняются также при изменении режимов работы, фаз обслуживания, условий функционирования.

Можно выделить четыре основные группы функций: а) группу функций информационного обслуживания абонентов; б) группу функций, обусловленных задачами организации обслуживания; в) группу функций, ориентированных на формирование виртуальных обслуживающих приборов; г) группу функций, формирующих процессы поддержания жизненного цикла системы.

Не исключаются функции вспомогательные, типа снабжения абонентов сведениями о погоде, времени суток, состоянии их счёта, а также информацией развлекательного плана.

Все предусматриваемые функции желательно выполнять в автоматизированном режиме.

Перечисленные группы функций определяют элементы лишь верхнего уровня иерархии функций. Взаимные связи между функциональными подсистемами приведены на рис. 6.1.

Технологии информац. обслуживания

Вх.

…

…Автоматизация процессов обслуживания

Вых.

Рис. 6.1.

Подсистема технологий информационного обслуживания осуществляет предусмотренные в заказе на обслуживание все процеду-

~ 101 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

выдачи рекомендаций по устранению изъянов в применяемых информационных технологиях и т.п.

Подсистема автоматизации отвечает за реализацию всех процессов функционирования системы в автоматизированном режиме.

ИС относится к категории систем массового обслуживания, одновременно решающих множество прикладных информационных задач. Абоненты – источники информации формируют сообщения, образующие входной информационный поток ЈВХ. Его характеристики определяются объёмом, содержанием и последовательностью решения прикладных задач. В ИС сообщения преобразуются в выходной информационный поток ЈВЫХ, поступающий к абонентам – получателям информации. Функции ИС сводятся к реализации некоторого отображения

ΨИС : ЈВХ → ЈВЫХ .

Все преобразования информации в ИС можно свести к четырём обобщённым процессам;

-перенос информации в пространстве;

-перенос информации во времени;

-перенос информации с носителя на носитель;

-обработка информации (содержательная или формальная). Цель любых преобразований состоит в достижении заданного

уровня качества реализуемых функций при минимальных затратах машинных ресурсов.

6.2. Подсистема информационного обслуживания абонентов

Абоненты обращаются к ИС за машинной помощью в деле реализации информационных технологий, обусловленных особенностями

решаемых ими прикладных задач в различных сферах деятельности че-

~ 103 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Поскольку машина способна выполнять необходимые простейшие или стандартные действия лишь по командам человека, то он должен предусмотреть процедуры ввода их в машину (голосом, нажатием кнопок на пульте или путём ввода их в память машины в виде программ).

Разработка алгоритма и программы является сложным творческим процессом, требующим специальных знаний, навыков и затрат времени. Для оперативного выполнения заказов на обслуживание ИС должна иметь запас программных изделий. С целью экономии памяти машины и упрощения работы с ней запас состоит из часто повторяющихся в различных программах модулей – стандартных подпрограмм. Они составлены для вычисления математических формул, решения систем уравнений различного вида, а также для взаимодействия с различными техническими средствами систем. Машинный запас должен содержать также многую другую справочную информацию, готовую к использованию по требованиям абонентов или операторов.

С целью автоматизации процессов реализации информационных технологий весь запас программ и других средств разбит по видам обеспечения. Различают следующие виды:

1. Математическое обеспечение ИС – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых для информационного обслуживания абонентов.

По своему назначению и организации разработки МО ИС делится на две части:

−общее МО;

−специальное МО.

Общее МО предназначено для организации вычислительного процесса и решения часто встречающихся задач обработки

информации. Это универсальная часть МО. Основу ее составляют опе-

~ 105 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

2.Программное обеспечение ИС – это реализованное на уровне готовых машинных программ математическое обеспечение ИС. По структуре оно сходно с МО ИС.

3.Информационное обеспечение ИС – совокупность реализованных решений по объёмам, размещению и формам организации информации, циркулирующей в ИС при ее функционировании.

Информационное обеспечение ИС включает:

−нормативно-справочную информацию ИС;

−классификаторы технико-экономической информации;

−унифицированные документы, используемые в ИС. Основным содержанием информационного обеспечения является

метаинформация, или информация об информации, то есть:

−сведения о составе информации;

−сведения о структуре информации и закономерностях ее преобразования;

−характеристики качества информации;

−способы отбора, доставки, распределения информации, подготовки рабочих массивов данных и т.д.

В современных ИС информация, используемая в них, образует базы данных.

Базы данных ИС – совокупность используемых при функционировании ИС данных, организованная по определенным правилам, предусматривающая общие принципы описания, хранения и манипулирования данными. Базы данных совместно с системой управления базой образуют банк данных.

С применением банков данных изменилась структура системы обработки данных, что выражается в следующем:

~107 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

6.3. Подсистема организации обслуживания

Взаимодействие с абонентами является необходимой функцией любой человеко-машинной системы. Заказы абонентов определяют технологию обслуживания, необходимые исходные данные. Их необходимо проанализировать, оценить возможности выполнения, готовность к работе предполагаемых к использованию средств. На основе анализа подготавливаются и выдаются управляющие сигналы в другие подсистемы для определения дисциплины обслуживания и формирования схемы распределения приборов обслуживания.

Дисциплина обслуживания характеризует особенности взаимодействия потока заказов с системой. Она учитывает:

-способы обслуживания заказов (с потерями, с ожиданием, комбинированное обслуживание);

-порядок обслуживания заказов (в порядке очередности поступления, в случайном порядке и др.);

-наличие преимуществ (приоритетов) в обслуживании;

-наличие ограничений при обслуживании (по длительности ожидания, длительности обслуживания, по возможностям прерываний цикла обслуживания).

Схема распределения ресурсов обслуживания определяет порядок доступа заказов к обслуживающим приборам, что актуально при коллективном использовании ресурсов, когда возникают конфликты за право обладания ими. Проблема обусловлена случайным потоком заказов на обслуживание и случайной продолжительностью обслуживания.

Всвязи с чем процесс работы системы протекает нерегулярно: временами машинные ресурсы простаивают, временами образуются очереди на обслуживание. Необходимо заботиться как об уменьшении очере-

дей, так и об исключении простоев приборов обслуживания.

~ 109 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

задач; компоненты фиксируются на определенных носителях и используются как реальные объекты действительности.

Все компоненты (технические и информационные) определённым образом рассортированы (по физической природе, по областям применения, по особенностям использования) и охвачены системой управления, позволяющей в любой момент выделить нужный компонент из памяти (или резерва) и использовать его по целевому назначению.

Система управления компонентами функционирует в соответствии с замыслами человека – создателя ИС и осуществляет любые действия только по его командам. Команды могут подаваться с пульта управления – ручной вариант, или могут быть оформлены в виде программы и записаны в память системы – автоматический режим.

Технические устройства с неизменной функциональной структурой (мониторы, дисплеи, ксероксы, передатчики, приёмники, телевизоры, табло, лазерные установки, кабельное хозяйство и др.) имеются на всех узлах системы и составляют основу ее топологической структуры, в рамках которой находятся виртуальные преобразующие элементы (ВПЭ). Они используются в основном в устройствах формирования, преобразования и обработки сигналов, несущих информацию.

Технические и информационные средства распределены по узлам, центрам обработки, пунктам системы. Ими оборудуются автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов.

Все основные пункты управления системы оборудуются средствами, представленными на структурной схеме, рис. 6.3.,

~ 111 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

- организовывать разграничение доступа к системе и данным, хранящимся в ней.

Реализация перечисленных функций может быть осуществлена системой, состоящей из следующих технических элементов:

1.ЭВМ или вычислительного комплекса (ВК), состоящего из нескольких ЭВМ с набором запоминающих устройств (ЗУ), устройства ввода-вывода информации, а также с системой информационных и программных средств, ориентированных на решение управленческих задач.

ВК – средство обработки информации. Оно может использоваться для любых задач. Специфику прикладной сферы отражают информационные и программные средства.

2.Автоматических рабочих мест (АРМ) должностных лиц организаций управления. С них они осуществляют общение с ВК, друг с другом, а также с должностными лицами других пунктов управления. Поэтому АРМы должны иметь устройства ввода-вывода информации, устройства отображения индивидуального пользования, устройства документирования информации, оконечные аппараты связи.

3.Автоматизированных устройств коллективного пользования

(табло, графопостроители, множительные аппараты и др.). Они используются группой должностных лиц, совместно решающих управленческие задачи.

4. Аппаратуры передачи данных (АПД), используемой разрозненно или образующей локальные сети передачи данных, в которых весь процесс обмена и распределения информации автоматизирован.

Чтобы заставить машину выполнить определенную информационную функцию, человек расчленяет весь технологический процесс на последовательность элементарных действий. Каждое действие машины

задаётся соответствующей командой. Чтобы выполнить всю совокуп-

~ 113 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Программа, написанная на языке высокого уровня, оперирует в основном программными модулями, заложенными в память ИС. Она преобразуется в программу на языке машинных команд в самой машине по специальной программе, называемой транслятором.

Программа, отображающая ход технологического процесса в данном заказе, тесно взаимодействует с комплексом управляющих и обрабатывающих программ, составляющих ядро операционной системы (аналогичных ОС ЭВМ, но распределенных по узлам ИС). Эти программы предназначены для улучшения функционирования и расширения возможностей машины по управлению технологическими и информационными ресурсами, по взаимодействию с операторами. Главное же состоит в том, что ОС следует рассматривать как набор средств (языковых и программных) с помощью которых пользователи могут создавать для себя операционные системы с желаемыми свойствами, что обеспечивает непрерывное совершенствование системы, повышает уровень автоматизации всех процессов.

6.5. Принцип модульного построения многофункциональных систем

Реализация сложных многофункциональных процессов разбивается на два этапа:

1.Разбиение процессов на более простые и ранжирование их.

2.Модульная реализация процессов.

Внедрение этих методов позволило унифицировать процессы и их компоненты, стандартизировать устройства, упростить конструкции устройств, облегчить труд разработчиков.

Модульный принцип сложных систем применяется давно. Мо-

дуль выполняет определенную функцию. Разработчик модуля должен

~ 115 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

или с помощью специальных сигналов по определённым алгоритмам. Алгоритмы имеют свои условные обозначения.

2.Канальный уровень – обеспечивает обнаружение ошибок, запрос повторных передач. Все эти процедуры подробно расписаны в соответствующих протоколах и реализуются канальными модулями. Для организации управленческих функций к информационным символам сообщений добавляется некоторое число управляющих символов.

3.Сетевой уровень – решает задачи маршрутизации и управления потоками данных в сети, осуществляет коммутацию потоков. Для этого модули сетевого уровня обмениваются информацией о состоянии сети со всеми узлами. Часть этой информации поступает через дополнительные управляющие биты сообщения. Другая часть – через специальные управляющие пакеты, используемые для образования маршрутных таблиц.

4.Транспортный уровень – обеспечивает решение нескольких

задач:

- разбивку сообщений на пакеты (на передающей стороне) и сборку сообщений из пакетов (на приемной стороне);

- мультиплексирование (объединение) низкоскоростных каналов или расщепление высокоскоростного канала на несколько сеансов;

- обнаружение и устранение ошибок сетевого уровня; - межсетевые соединения посредством специальных узлов, назы-

ваемых шлюзами (сопряжение сетей).

5.Сеансовый уровень – осуществляет взаимодействие между двумя конечными точками при установлении сеанса. Кроме того, на сеансовый уровень возлагаются функции справочной службы (предоставляет информацию пользователям о видах услуг по установлению связи) и проверки прав допуска при инициировании сеансов.

6.Уровень представления – осуществляет шифрование данных,

~117 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Эволюция развития ИС показала, что в 70-е годы прошлого века, в силу быстрого развития вычислительной техники и техники связи, произошло перераспределение ролей между вычислительными и коммуникационными функциями в системе [ 8 ]. До указанного срока центральное место отводилось вычислительным функциям. Коммуникационная подсистема была очень простой. Затем произошло стремительное увеличение числа сетей передачи данных, в которых центральная роль отводится коммуникационным функциям. На такое перераспределение ролей оказали влияние следующие причины:

-широкое распространение высокоэффективных персональных компьютеров с солидным программным обеспечением;

-развитие приложений, требующих доступа к удалённым базам данных (информационные и финансовые службы, дистанционная медицинская диагностика, дистанционное компьютерное обучение );

-развитие приложений, требующих дистанционного обновления базы данных (резервирование билетов на транспорт и зрелищные мероприятия, подсчёт голосов при избирательных компаниях и т.д.);

-развитие электронной почты и интенсивное взаимодействие владельцев ПК.

ИС превратились в системы с большим числом распределённых в пространстве разнообразных приборов информационного обслуживания, соединённых между собой сетью передачи данных (ПД). Услугами ИС пользуются многочисленные абоненты, создавая случайный поток заявок на обслуживание.

Традиционно эту подсистему называют системой связи. Она реализует процессы передачи и приёма информации, распределения ее между абонентами (людьми и техническими средствами), защиты от помех.

~119 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

новных элементов сети, пунктами управления с ресурсами для анализа контрольной информации, планирования действий, переводящих систему в желаемое состояние исполнительными органами на узлах.

Системы связи делят по видам передаваемых сообщений (телефонные, телеграфные, передачи данных), по родам используемых сред распространения сигналов (радиосвязь, проводная связь, оптоэлектронная связь, гидроакустическая связь).

Электросвязь является одной из наиболее динамичных отраслей мировой экономики. Она интенсивно перевооружается на основе достижений вычислительной техники, микроэлектроники, технологии изготовления высокопрозрачных материалов. Просматриваются тенденции перевода всех видов информации в цифровую форму. Доставка информации в цифровой форме имеет ряд преимуществ: высокую помехоустойчивость и, как следствие, более высокое качество передачи; возможность использования стандартных надёжных и дешёвых интегральных схем, облегчающих решение задач автоматизации обмена и расширения состава реализуемых информационных технологий. На базе цифровых технологий разрабатываются сети связи интегрального обслуживания [1,16 ]. К аналогу подобных сетей приближаются современные компьютерные сети [7 ]. Они широко используются в корпоративных автоматизированных системах управления в качестве локальных сетей, обеспечивают пользователей широким набором информационных услуг.

7.2. Сети связи

Различают первичные и вторичные сети.

Первичные сети состоят из совокупности физических линий и уз-

лов с устройствами коммутации и выделения каналов на них. Они

~ 121 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Структуры сетей могут быть различные. Различают:

1.Топологические структуры.

2.Функциональные структуры.

Топологические структуры определённым образом унифицируются. Чаще всего используются структуры: узловые, радиальные, радиально-узловые. Узлы делятся на категории, сети разбиваются на зоны. Такое разделение обеспечивает взаимодействие международных, национальных, региональных, городских, районных сетей между собой. Узлы высоких категорий соединены каждый с каждым, а узлы более низких категорий соединены по радиально-узловому методу. Так образуется иерархия сетей.

Для повышения живучести и надёжности сетей иногда используются решётчатые структуры. В узлах решётки организуются опорные узлы – узлы высшего ранга. К ним (к одному или двум) подключаются узлы-концентраторы, к которым подходят абонентские линии.

Функциональные структуры зависят от назначения сетей, видов задач, от числа и мест расположения абонентов и центров обслуживания, от уровня требований к обслуживанию, характера внешних воздействий на сеть, а также от наличия ресурсов для создания сетей, поскольку сетевое оборудование стоит дорого и требует для создания больших трудозатрат.

Структура сети выбирается из основного принципа удовлетворения требуемого уровня качества обслуживания минимальными затратами сил и средств. Повышение качества обслуживания может быть достигнуто увеличением числа путей, по которым возможна доставка информации абонентам, или методом формирования структуры сети, обеспечивающей сокращение расходов на линейные сооружения

иповышение коэффициента использования линий связи.

~123 ~

Линии связи, соединяющие абонентов с узлом связи, называют абонентскими линиями, а линии связи между узлами называют соединительными линиями. Абонентские линии имеют весьма низкий коэффициент использования. Строительство сети с одним узлом для многих абонентов ведёт к большому перерасходу кабеля и к малой живучести связи из-за отсутствия обходных путей. На практике сеть связи строится по радиальному или радиально-узловому принципу, когда кроме центрального узла в местах сосредоточения абонентских пунктов создаются узлы более низкого класса, к которым подключаются линии от близко расположенных абонентских пунктов с целью концентрации информации и повышения эффективности соединительных линий. При этом радиальное построение требует двух классов узлов. Например, центральный узел _ первого класса, а в местах сосредоточения абонентов _ узлы второго класса. Такая сеть имеет вид, представленный на Рис. 7.1.

Рис.7.1.

Здесь точками обозначены абонентские пункты, одноконтурными окружностями _ узлы второго класса, двухконтурными _ узел первого класса. На больших территориях сеть связи строится по радиальноузловому принципу с использованием более двух классов узлов ( см.

Рис.7.2.).

~ 124 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Рис.7.2

Вцелях повышения живучести сложной системы узлы высокого уровня соединяются по методу “каждый с каждым».

Децентрализация средств распределения информации по узлам различных классов позволяет сократить расходы на линейные сооружения. При этом образуются сети узлов областного уровня, городского, сельского. Получается иерархическая структура сети.

Узлы оборудуются соответствующими устройствами коммутации. С 1887 г. стали внедряться автоматические телефонные станции. Узлы коммутации различаются по способу управления, назначению, принципам построения информационного тракта, по применяемым коммутационным приборам и т.п. В них широко используются устройства и технологии вычислительной техники.

Влокальных сетях широко используются среды множественного доступа с кольцевыми и сотовыми структурами. Примерами систем со средами множественного доступа являются спутниковые каналы, радиосети, многоточечная телефонная линия, многоотводная шина [Рис. 7.3].

Рис.7.3.

~ 125 ~

Сотовые структуры получили распространение в мобильных системах связи, в компьютерных сетях. Типовая радиосота имеет базовую станцию, через которую все станции данной радиосоты могут связываться со станциями соседних радиосот, то есть она выполняет коммутационные и ретрансляционные функции [Рис. 7.4.]. Базовые станции могут быть оборудованы оптическими приёмо-передающими устройствами (полупроводниковыми лазерными установками). Радиосоты являются основной структурной единицей беспроводных сетей, которые обладают такими достоинствами, как гибкость архитектуры, быстрота проектирования и реализации, более низкая стоимость по сравнению с кабельными сетями. Научно-технические достижения в области связи и вычислительной техники позволяют обеспечивать в них скорость передачи данных до 11 Мбит/с с высоким уровнем информационной безопасности.

БС

~ 126 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

В вычислительных сетях используются кольцевые структуры. Региональное кольцо. Национальное кольцо.

АС

Сообщения перемещаются в одном направлении по кольцу. Используются станции трёх типов: А – для общения сети с внешним миром; В – замыкающая для кольца; С – для обмена данными между кольцами. Стрелки указывают направление потоков. В сети строго упорядочены процедуры вхождения пакетов в кольцо (реализован метод перемещающегося обслуживающего прибора от абонента к абоненту). Кольца могут быть объединены в иерархическую систему: абоненты объединяются местными кольцами, региональное кольцо объединяет несколько местных колец, а их может объединить национальное кольцо.

7.3. Переносчики и среды переноса информации

Машинные системы предъявляют к переносчикам информации высокие требования по ряду показателей. Основными из них являются: 1) простота “загрузки и выгрузки” информации на носитель и с носителя; 2) высокая скорость распространения в пространстве; 3) малые затраты энергии на перенос единицы количества информации на определенное расстояние; 4) возможность обеспечить информационную безопасность; 5) малое влияние на окружающую среду; 6) возможность использования естественных и искусственных сред переноса.

Приемлемыми по перечисленным показателям являются звуко-

вые и электромагнитные колебания. Их используют для этих целей все

~ 127 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

1000 км, в нём молекулы газов рассеиваются в космическое пространство.

На характер распространения радиоволн сильное влияние оказывают земная поверхность, тропосфера и ионосфера. Вследствие этого радиоволны могут распространяться между передающим и приёмным устройствами, расположенными на Земле (на большом расстоянии), по двум путям: вдоль земной поверхности ( в тропосфере) за счёт так называемой поверхностной (земной) волны и за счёт пространственной (небесной) волны, получаемой при отражении радиоволн ионосферой.

Частицы вещества, электрические заряды, взаимодействуя с радиоволнами, ослабляют их, искривляют траекторию, рассеивают. В итоге, сам переносчик и переносимая им информация могут сильно пострадать. Степень искажений зависит от используемого частотного диапазона, степени солнечной активности, времени года. К искажениям, произведённым средой, добавляются помехи атмосферные, индустриальные, сигналы соседних работающих радиостанций.

Поэтому для стационарных комплексов предусматриваются искусственные среды распространения сигналов в виде металлических проводов, кабельных линий, волоконно-оптических линий и других материалов. Эти линии имеют хорошую электрическую изоляцию, хорошо экранированы от внешних электромагнитных наводок, от атмосферных влияний, им обеспечивается необходимая механическая прочность, защита от проникновения посторонних. Но они дорого стоят.

7.4.Каналы связи

Вспециальной литературе рассматриваются две модели канала

передачи информации: детерминированная и вероятностная.

~ 129 ~

электрических сигналов действуют в большей степени в линии связи. В любых других элементах системы они также действуют, но с целью удобства анализа пересчитываются на вход приёмника. Помехи обычно занимают широкий спектр частот и имеют случайную амплитуду гармоник.

Основная забота специалистов связи состояла в том, чтобы обеспечить безыскажённую передачу гармонических составляющих сигнала. Поэтому все частотные фильтры должны были иметь равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне речи, без учёта частотных свойств помех. Эта установка, как выяснилось позже, была главным недостатком детерминированной модели канала связи.

На приёмной стороне сигнал фильтруется от помех в 4 и подаётся на демодулятор ДМ, состоящий из генератора 2 и смесителя 3, аналогичных соответствующим устройствам передающей стороны. В смесителе 3 образуются комбинационные частоты, среди которых присутствуют колебания звукового диапазона. Они выделяются в фильтре 4, усиливаются и поступают на телефон 6, который преобразует электрические колебания в звуковые.

Вероятностный характер информации, вероятностный характер помех требовали перехода от детерминированной модели канала к статистической. Её разработал американский учёный К.Шеннон во время второй мировой войны. Основные элементы статистической модели системы связи показаны на рис. 7.8.

~ 132 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Источником (И) и получателем (П) могут быть человек или техническое средство.

Канал, как и прежде, представляет собой физическую среду распространения сигнала и технические средства, используемые для передачи и приёма.

Кодер источника и кодер канала вместе образуют устройство, которое преобразует сообщения на выходе источника в сигнал,пригодный для передачи по заданному каналу. А пара устройств: декодер канала и декодер источника выделяют полезное сообщение из сигнала,полученного на выходе канала.

Кодер источника разбивает все возможные сообщения на классы и придаёт поступившему на его вход сообщению определённый признак принадлежности его к какому-то классу.

Подобные действия несколько огрубляют реальную действительность, но упрощают и унифицируют систему передачи информации. Поэтому важно предусматривать критерий приемлемости такого огрубления.

Системе связи достаточно донести до декодера источника указания о классе сообщения и он сформирует представителя указанного класса.

Кодер канала заново кодирует признак класса сообщения, придавая параметрам несущего колебания определённые значения (осуществляется модуляция).

Декодер канала выделяет из принятого сигнала указания о классе сообщения.

Это указание заставляет декодер источника выработать сообщение, которое из условия критерия приемлемости является представителем данного класса.

~ 133 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

группировать символы в пакеты, кадры (в стандартные блоки) с общим адресом и общей защитой от помех и несанкционированных действий. В этом состоит смысл перехода к цифровым сетям интегрального обслуживания.

В них для повышения эффективности работы системы вся входная информация перекодируется в кодерах источника, в результате чего по линии связи передаются лишь признаки исходных сообщений (их коды), по которым приёмное устройство формирует аналог исходного сообщения. Аналог и само сообщение могут различаться на приемлемую величину.

Используется метод перекодирования букв, слов и других символов с помощью бинарных кодов, позволяющих применять для кодирования и декодирования простейшие технические устройства _ шифраторы, число входов которого равно алфавиту передаваемых сообщений (символов), а число выходных шин равно максимальному числу разрядов кодовой комбинации используемого кода. В момент появления импульса на любом входе шифратора возникает соответствующая кодовая комбинация импульсов на его выходных шинах (параллельное кодирование).

Определенное число этих символов, несущих полезную информацию, смешивается установленным образом с некоторым числом дополнительных символов (“1” “0”). Между всеми символами устанавливаются логические связи, известные на приёмной стороне. Так обеспечивается информационная безопасность блока символов, составляющих основу пакета. К ним добавляются символы адресной группы, а также признаки предусматриваемых видов обработки пакетов. В итоге, получается последовательность из двух преобразователей: кодера источника и формирователя пакета. В зависимости от требований про-

цесс формирования пакета может включать только процедуры

~ 137 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Глава 8. МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

8.1. Общая характеристика подсистем

Без устройств памяти информационная машина работать успешно не может. Из помощника она превращается в обузу для человека. Для эффективного функционирования автоматизированной ИС необходима информация о состоянии управляемых объектов, внешней среды, о принятых управляющих воздействиях, о планах действий при различных изменениях состояния системы, решаемых ею задач. Главное условие при этом состоит в том, чтобы обеспечить оптимальные объёмы информации, поступающие в различные органы управления, оптимальное распределение потоков информации во времени и пространстве.

Потребителями информации являются не только абоненты, но и многие технические элементы системы, участвующие в реализации информационных технологий. Им нужен не просто склад информационных единиц хранения, а система, организующая быстрое и безошибочное взаимодействие пользователей с информацией. Такая система должна иметь средства сбора, контроля, преобразования, хранения, обновления, распределения и доведения информации до потребителей. Поэтому системы хранения информации представляют собой сложные человеко-машинные комплексы, являющиеся подсистемами информационного обеспечения ИС.

Основными специфическими для рассматриваемых подсистем задачами являются: формирование и изменение массивов данных, преобразование входных массивов в требуемые выходные и к виду,

~ 139 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

-необходимостью хранения исходной информации, промежуточных и окончательных результатов в процессе исполнения программ и других процедур преобразования информации;

-использование одних и тех же данных различными процедурами, выполняемыми как параллельно, так и последовательно;

-многократным и длительным использованием некоторых данных различными процедурами;

-несовпадением моментов поступления с моментами ее потребления [14].

Массив представляет собой совокупность данных, объединённых единым смысловым содержанием, которые обычно отражаются в его названии.

Основными элементами массивов, определяющими их содержание, являются записи – наименьшие элементы массива, которыми оперируют пользователи массива при обработке информации.

Наименьшими элементами записей, имеющими единое смысловое значение, являются информационные поля.

При организации массивов данных следует учитывать существующие различия в представлении информации человеком и ЭВМ, которые выражаются в том, что человек оперирует логическими и семантическими связями между элементами массива, а в ЭВМ подобных связей не существует.

Массивы классифицируются по различным признакам. По смысловому содержанию различают массивы программ и массивы данных. Массивы программ составляют математическое и программное обеспечение ИС, а массивы данных – информационное. По отношению к самой подсистеме хранения информации массивы подразделяются на входные, выходные и внутренние. Входные и выходные массивы опре-

деляются внешними связями ИС, в них учитываются исходные данные

~ 141 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

8.3. Процедуры преобразования массивов

Под процедурой преобразования массивов понимается некоторый алгоритм преобразования элементов одного массива в элементы другого массива. Алгоритмы преобразования выявляются методом анализа содержания массивов – исходного и результирующего. При этом не исключается возможность применения инвариантных относительно окончательного результата преобразований (например, изменение порядка выполнения отдельных операторов и равноценную замену одной группы операторов на другую) [14].

Процедуры преобразования массивов подразделяют на пассивные и активные.

Пассивные процедуры не изменяют содержания основных элементов массивов – записей. К таким процедурам относятся, например, выборка частей или отдельных записей из массивов по некоторым признакам; сортировка массива или разделение его на ряд более мелких; слияние массивов (соединение нескольких однотипных массивов в один общий); переупорядочивание записей массива.

Активные процедуры изменяют содержание не только записей преобразуемых массивов, но и отдельных их элементов – информационных полей.

Пассивные процедуры преобразования массивов обычно входят в стандартное математическое обеспечение ЭВМ. Они используются для подготовки исходной информации для активных процедур, либо для редактирования и засылки результатов применения активных процедур в соответствующие массивы системы.

Активные процедуры трудно поддаются стандартизации. Задача формирования алгоритма преобразования, подбор средств для его реа-

~ 143 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Основные понятия реляционной модели:

Сущность – класс однотипных объектов, информация о которых должна быть учтена в модели.

Экземпляр сущности – конкретный представитель сущности. Атрибут сущности – это именованная характеристика, опреде-

ляющая свойства данного представителя сущности.

Ключ сущности – набор атрибутов, однозначно идентифицирующий конкретный экземпляр сущности.

Связь – это некоторая ассоциация между двумя сущностями. Домен – подмножество значений некоторого типа данных, отра-

жающее семантику, определённую предметной областью.

Схема базы данных – набор именованных схем отношений. Схема отношений – множество пар <имя атрибута : имя доме-

на>. Число атрибутов в отношении называют степенью (-арностью) отношения.

Кортеж, соответствующий данной схеме отношений – множество пар <имя атрибута : значение атрибута>, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношений.

Отношение – это множество кортежей, соответствующее одной схеме отношений.

Первичный ключ – атрибут (набор атрибутов), который может быть использован для однозначной идентификации кортежа.

Внешний ключ – атрибут подчинённого отношения, с помощью которого реализуются логические связи между отношениями.

Набор отношений образует реляционную базу данных. Поскольку понятие теории множеств вводятся в ЭВМ с помощью

набора таблиц, то специалисты-прикладники стали подменять понятия реляционной теории соответствующими табличными понятиями (см.

табл. 8.1.)

~ 147 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

ботку данных по кодовым признакам, сопровождающим входные данные и запросы. Этапы преобразования данных:

-Ввод данных.

-Сортировка и фильтрация данных.

-Проверка соответствия нормам хранения.

-Корректировка данных.

-Формирование входных массивов.

-Запись на носители.

-Выборка из базы данных.

-Формирование выходных массивов.

-Вывод массивов.

Глава 9. МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ ПЕРЕНОСА ИНФОРМАЦИИ С ОДНИХ НОСИТЕЛЕЙ НА ДРУГИЕ

9.1. Общая характеристика подсистемы

Информация хранится, обрабатывается и циркулирует в пространстве только на материальных носителях. Носитель информации – физическое тело, у которого качественные или количественные параметры изменяются по закону закладываемых в него сообщений.

Изменённые формы носителя, его цветовая гамма или параметры элементов внутреннего строения являются признаками зафиксированной информации.

~ 149 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

В качестве универсальных носителей используются электрические сигналы и некоторые материалы, обладающие электромагнитными и электростатическими свойствами, позволяющие просто снимать с них информацию в виде электрических сигналов. Электрические сигналы являются переносчиками информации, а материалы выполняют функции хранения её.

Преобразование неэлектрических величин в электрические осуществляется с помощью устройств, которые называют датчиками или преобразователями.

Неэлектрические процессы могут иметь механическую природу параметров (линейные и угловые перемещения, скорость, ускорение, размеры, вес и объём тел), физическую природу (температура, теплоёмкость, теплосопротивление, магнитные свойства материала, цвет, освещённость, интенсивность излучения), химическую природу (концентрация вещества, его количество), биологическую природу (параметры физиологических процессов, используемые при диагностике больных).

Тип и конструкция датчика зависят от преобразуемого параметра неэлектрической природы, но сущность преобразований остаётся неизменной. Она состоит в том, чтобы неэлектрическую величину, изменяющуюся по закону C(t), преобразовать в некоторый аналог параметров электрической цепи (сопротивление, ёмкость или индуктивность), который определяет ток, напряжение, частоту генерируемых колебаний. Обобщенная схема преобразований неэлектрических процессов в электрические предоставлена на Рис. 9.1.

Рис. 9.1. …│

~ 151 ~

В ней внешняя сила В любой неэлектрической природы воздействует на определённый элемент Vп электрической цепи, в результате чего меняются её параметры и, как следствие, падение напряжения U(t) на нагрузке ZH.

Необходимо выбрать такой элемент Vп цепи, чтобы обеспечить эквивалентность функций C(t) и U(t).

При данных преобразованиях используются многочисленные закономерности механических, физических и химических процессов.

Обратные преобразования электрических параметров в неэлектрические основаны на воздействии электрической энергии (непосредственно или с помощью промежуточного устройства) на носитель с целью изменения его свойств по законам изменения информации. Обобщённая схема устройства представлена на Рис. 9.2.

Вспомогательные элементы

Рис. 9.2.

Сигнал, несущий информацию, обычно не обладает достаточной энергией, чтобы непосредственно изменять свойства носителя. Поэтому используется орган записи, обладающий требуемым запасом энергии, чтобы оказывать необходимые воздействия на носитель. А сигнал только управляет процессом записи. Дополнительная обработка

~ 152 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

(проявление, закрепление, сушка, разогрев и др.) позволяет добиться пригодной для восприятия человеком или машиной формы. Вспомогательные элементы необходимы для организации продвижения носителя относительно органа записи, создания необходимого контакта между ними и прочее.

Представленная схема характерна для фиксации изменений одного параметра сигнала. На практике часто встречаются ситуации, когда одновременно необходимо учитывать пространственные, энергетические и временные параметры объектов наблюдения. Например, яркость определённой точки пространства, изменение координат этой точки и яркости с течением времени и т.д. В этом случае сигнал представляется в виде векторной функции f (λ, x, y, z, t) пространственных координат, длины волны (или другого параметра) излучателя и времени.

Для анализа структуры яркости объекта или его изображения применяется метод последовательного просмотра малым мгновенным угловым полем всего поля обзора и формирование временного потока излучения, величина которого пропорциональна яркости излучения в каждой точке пространства предметов или освещённости в каждой точке пространства изображений. В результате последовательного просмотра величина потока излучения как функция времени привязывается к координатам каждой просматриваемой точки.Примеры такого вида преобразований находим мы в телевидении, в радиолокации, в оп- тико-электронных системах.

Все методы и средства перезаписи по принципам работы делят на две группы: механические и немеханические. В механических устройствах информационный отпечаток получают или нанесением слоя красящего вещества на носитель, или снятием его с носителя. Для этого используются струйные, печатные, перьевые, резцовые, перфорацион-

ные инструменты. Немеханические устройства основаны на двух

~ 153 ~

принципах: 1) устройства, в которых меняется электрическое или магнитное поле носителя, которое затем (при необходимости) притягивает к себе частицы красящего вещества (электростатические, термографические и т.д.); 2) устройства, в которых получение отпечатка связано с изменением состава вещества носителя (фотографические, электрохимические, термопластические, диазо-графические,электрографические).

9.2. Преобразователи звуковых сигналов в электрические и обратно

Схема преобразования звуковых сигналов в электрические показана на Рис. 9.3. Энергия звуковых колебаний C(t) воздействует на микрофон M. Вибрации мембраны микрофона приводят к изменению параметров электрической цепи. Падение напряжения на нагрузке ZH меняется по закону изменения давления C(t) на мембрану микрофона.

Рис. 9.3.

Применяются микрофоны различных систем: динамические, пьезоэлектрические, ленточные, конденсаторные и угольные.

В динамических микрофонах мембрана скреплена с катушкой, расположенной в кольцевом зазоре постоянного магнита. При колебаниях мембраны витки катушки пересекают лини магнитного поля, в

~ 154 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

результате чего индуктируется электродвижущая сила, пропорциональная силе звуковых колебаний.

Впьезоэлектрических микрофонах звуковое давление вызывает механические деформации кристалла кварца, под влиянием которых на кристалле развивается разность потенциалов, пропорциональная силе звукового давления.

Вленточных микрофонах между полюсными наконечниками сильного постоянного магнита подвешивается лёгкая ленточка из алюминия. Под действием звуковых колебаний ленточка пересекает линии магнитного поля, и в ней индуктируется э.д.с., пропорциональная силе звукового давления.

Вконденсаторных микрофонах мембрана соединена с подвижной обкладкой конденсатора. Колебания мембраны вызывают изменения ёмкости конденсатора, вследствие чего в цепи появляется переменная э.д.с.

Вугольных микрофонах мембрана изменяет силу сжатия зёрен угольного порошка, вследствие чего меняется внутреннее сопротивление микрофона и, как следствие, падение напряжения на нагрузке.

Преобразование электрических сигналов в звуковые осуществляется при помощи электромагнитных, электродинамических, пьезоэлектрических или электростатических систем.

Вэлектромагнитных и электродинамических системах используется явление взаимодействия переменного магнитного поля, создаваемого катушкой, по которой проходит ток звуковой частоты, с полем постоянного магнита. В результате чего создаётся сила, движущая якорь, помещённый внутрь катушки (электромагнитная система), или саму катушку (электродинамическая система), которые связаны с диффузором, передающим колебательные процессы в пространство.

~155 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

В качестве носителя записи используется магнитная лента, представляющая собой пластмассовую основу (чаще лавсановую), на которую нанесён ферромагнитный рабочий слой из магнитного порошка окиси железа и связующего вещества.

Ненужная запись может быть «стёрта» с носителя с помощью головки с широким зазором (до 100 мкм), на которую подаётся ток высокой частоты (примерно 100 Кгц). При большом зазоре легче создать сильное поле не только по длине ленты, но и по её толщине, чтобы уничтожить следы записи в глубинных слоях носителя. Высокая частота тока стирания нужна для многократного перемагничивания носителя за время прохода участка записи мимо зазора головки.

Наивысшая частота записи определяется соотношением ƒ=ν/2α ,

где ν- скорость записи, α – геометрический размер рабочего зазора головки. Для записи телевизионного сигнала, имеющего очень широкий спектр частот (от 50 Гц до 6,5 МГц), применяют следующие методы:

-сдвигают спектр телевизионного сигнала на 0,56 МГц и выше, чтобы избежать трудностей с воспроизведением низкочастотных составляющих сигнала;

-используют поперечно-строчную видеозапись, при которой блок из 4-х магнитных головок вращается поперёк движения ленты;

-улучшают рабочие свойства ленты (специальный магнитный порошок, гладкая поверхность слоя и пр.);

-повышают стабильность лентопротяжного механизма.

9.4.Метод электрографии

Он известен под названиями ксерография, электростатическая фотография и др. При реализации его используются специальные по-

~ 157 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

2.Экспонирование изображения контактным или проекционным способом, в результате которого на поверхности селена образуется потенциальный рельеф, отображающий изображение.

3.Проявление скрытого электростатического изображения (потенциального рельефа) методом притяжения к поверхности селена слоя мелких частиц проявителя (красящего вещества).

4.Электростатический перенос частиц проявителя с поверхности селена на бумагу (контактным способом).

5.Закрепление изображения на бумаге посредством нагревания или в парах ацетона (в порошок добавлены частицы смол, которые легко растворяются и прилипают к бумаге).

6.Очистка поверхностей путем смывания, отсасывания, стирания или удаления электрическим полем.

После этого устройство готово к новому циклу работы. Процедуры записи в «Электрофаксе» сходны с перечисленным

алгоритмом, только нет этапа очистки, поскольку бумага используется однократно.

Существуют методы записи без применения красящего вещества. Они основаны на деформации поверхности носителя силами электростатического поля (термопластическая запись). Для осуществления деформации носитель перед записью прогревается токами высокой частоты до точки плавления, а после записи остывает с деформированной поверхностью. Или используются масляные плёнки в вакуумной среде, кристаллы с анизотропными оптическими свойствами и другие материалы.

9.5.Преобразование световых сигналов в электрические

Для преобразования световых сигналов в электрические используется явление фотоэлектронного эффекта. Различают внешний и

внутренний фотоэлектронные эффекты.

~ 159 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

В передающей телевизионной трубке создаётся панель из множества элементарных фотоэлементов (миллионы штук), на которую с помощью оптики проектируется изображение (Рис. 9.6.).

Рис. 9.6.

Вцепях элементарных фотокатодов находятся накопительные конденсаторы, заряды на которых за время облучения пропорциональны световым потокам, падающим на них. В результате, «потенциальный рельеф» зарядов на конденсаторах повторяет закономерности освещённости изображения объекта наблюдения. Коммутатор

Кпоочерёдно считывает заряды с конденсаторов на нагрузочное сопротивление RH, с которого видеосигналы передаются на дальнейшее усиление и преобразование.

Впередающих телевизионных трубках используются мозаичные фотокатоды в виде слюдяных пластин с нанесенными на них мельчайшими серебряно-цезиевыми, сурьмяно-цезиевыми или другими элементарными фотокатодами. Эти фотокатоды имеют сложную слои- сто-зернистую структуру.

~161 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Внутри вакуумной колбы расположены электронный прожектор, формирующий электронный луч, графитовое покрытие для второго анода UB и экран, вещество которого может светиться под воздействием электронов, вылетающих из электронного прожектора и дополнительно ускоряемых действием электрического поля первого Ua и второго UB анодов. Электронный прожектор состоит из термоэлектронного катода, управляющей сетки и первого анода Ua. Фокусировка электронов в узкий электронный луч производится как самим электронным прожектором, так и фокусирующей катушкой, расположенной на горловине трубки. Отклоняющие катушки строчной и кадровой развёрток также расположены на горловине трубки. С их помощью электронный луч смещается по горизонтали и по вертикали. Яркость свечения точек экрана зависит от плотности электронов в луче. Она меняется от уровня напряжения, подаваемого на управляющую сетку.

Принцип действия цветных кинескопов основан на использовании особенностей человеческого зрения, приспособленного ощущать независимо три цвета: красный, зелёный и синий. Все остальные цвета получаются как результат смешения в определённых пропорциях трёх основных цветов. Имеется большое количество способов генерации цветов в ЭЛТ. В зависимости от применяемого способа различают типы цветных ЭЛТ: с теневой маской, с управляющей сеткой, с фокусирующей сеткой, с построчной развёрткой и др.

В настоящее время ЭЛТ с теневой маской является самой распространённой цветной трубкой. В ней используются три отдельных прожектора для люминофоров различного цвета. На небольшом расстоянии от экрана помещается тонкая маска с круглыми отверстиями, называемая теневой. Экран имеет сложную мелкоструктурную мозаику изиз 500 000 групп точек (триад), каждая состоит из трёх точек – с

красным, зелёным и синим свечением люминофора. Отверстия теневой

~ 163 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

1.Стеклянная подложка.

2.Прозрачный проводящий слой (окись олова или окись кад-

мия).

3.Электролюминесцентный слой (сернистый цинк с активаторами из меди или серебра).

4.Металлический экран, отражающий свет (по форме знака).

5.Защитный слой эпоксидной смолы.

Взависимости от состава люминофора меняется цвет (зелёный, голубой, оранжевый, жёлтый и др.).

Яркость свечения зависит от частоты и величины приложенного напряжения. Индикатор начинает светиться при напряжении 70 – 90 В

ичастоте 0,5 – 1 Кгц. Для нормального свечения необходимо поддерживать напряжение в пределах 220 – 240 В и частоту 50 Гц – 500 КГц. С увеличением частоты можно уменьшить напряжение без потери яркости.

Сходную конструкцию с ЭЛИ имеют индикаторы на жидких кристаллах. Они состоят из двух параллельных стеклянных пластин 3 (см. рис. 9. 10), имеющих на внутренней стороне 3прозрачное проводящее

Рис. 9.10.

покрытие 4 из окиси олова Между пластинами содержится жидкий кристалл (толщиной 6 –

25 мкм). Выводы электродов и уплотнительная прокладка 2.

~ 165 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

входные оптические сигналы. Свойства этого СП определяются его толщиной и свойствами среды, в которой распространяется излучение.

2.Носителя записи (фотопластинка, фотоплёнка или вообще произвольное физическое тело, на поверхности или внутри которого сохраняется голографическая информация). Носитель с записанным голографическим интерференционным полем называют голограммой.

3.Подсистемы восстановления волнового фронта, формирующей восстанавливаемую волну и осуществляющей взаимодействие её с голограммой.

Связный граф СМ голографического процесса показан на Рис.9.11. Интерференция волн – сложение в пространстве (двух и более)

Голографическое

интерференционное поле

Носитель записи с регистрирующей сре-

дой

I

Голограмма

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

Третьим этапом голографического процесса является восстановление волнового фронта (или просто восстановление), содержащего объектную волну.

Для описания поведения голограммы на стадии восстановления она (голограмма) заменяется её модельным представлением в виде голограммной структуры. Голограммная структура образуется в носителе или на его поверхности в процессе записи голографического интерференционного поля в виде пространственного распределения физических характеристик носителя, функционально связанного с голографической интерференционной структурой. Вид голограммной структуры описывается моделью поведения. Восстанавливающая волна AQ (x,y), специально сформированная и направленная на голограмму, взаимодействует с голограммной структурой.

На третьем этапе возможно приложение оптического или другого стирающего воздействия.

Восстановленное поле Aw (x,y) представляет собой волновое поле, полученное в результате дифракционных преобразований восстанавливающей волны AQ на голограммной структуре и содержащее комбинацию преобразованных объектной As, опорной A0 и восстанавливающей AQ волн в виде совокупности голограммных дифракционных порядков.

Каждый голограммный дифракционный порядок Awk состоит из совокупности плоских волн, соответствующих заданному участку ПЧС (пространственно – частотному спектру) восстановленного поля, и определяет волну Awk, распространяющуюся в соответствующем направлении. Голограмма даёт объёмное изображение предмета. На одном носителе возможна регистрация информации о нескольких объектах. Для этого достаточно повернуть фотопласт на небольшой угол.

~ 169 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

ранжированием их и т.д. Эти процедуры относятся к видам преобразований, которые называют формальной обработкой.

Преобразования, ведущие к новой информации для получателя, которая должна помочь ему устранить неопределённость относительно некоторой ситуации, называют содержательной обработкой.

Обработка информации в ИС идёт в трёх основных направлени-

ях:

1.Реализация моделей предметной области. Предметные области определяют объёмы данных, характеристики информационных потоков, виды преобразований информации и форму представления её для пользователя. В решении задач этого направления состоит главное предназначение ИС.

2.Организация информационных процессов в самой системе. Эти модели отображают путь данных при решении прикладных задач, этапы обработки, применяемые носители и преобразователи информации, их оптимальное (или рациональное) размещение, реализуемые информационные технологии.

3.Организация взаимодействия моделей предметной и информационной ориентаций. Центром такого взаимодействия выступает лицо, принимающее решения (ЛПР). Качество решений зависит не только от опыта, интуиции, способностей и состояния ЛПР, но и от его информационного обеспечения, формы представления информации для оперативного анализа.

Основные классы задач:

-научно-технические расчёты с высокой сложностью алгоритмов,

воснове которых лежит числовая обработка;

-информационно-справочные задачи с множеством логических операций;

~171 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

2.Алгоритмы могут быть реализованы с помощью переключающих устройств, работающих по правилам алгебры логики.

3.Нет необходимости конструировать устройство для реализации алгоритма в целом, что требует огромных ресурсов технических элементов. Можно решать задачу частями, формируя ПЭ на отдельную процедуру или на отдельные ее этапы.

4.Информационная машина должна иметь ресурс конструктивных элементов, ресурс отлаженных программ формирования из них наиболее часто встречающихся ПЭ и устройство управления элементами и программами.

5.Для автоматизации процесса решения на вход машин необходимо подать множество входных сигналов, несущих информацию не только об исходных данных, но и о типе задачи, последовательности и особенностях решения её, особенностях формирования выходных данных. Всё это записывается на определённом языке в виде программ и вводится в машину.

Программа представляет собой определённую последовательность команд. Устройство управления считывает очередные команды и по результатам дешифрирования их вырабатывает соответствующие управляющие сигналы, приводящие в действие нужные элементы.

Существует иерархия команд, обусловленная уровнем агрегирования простейших процедур, наличием ресурса подготовленных программ. Команда к-го уровня иерархии формирует определённую последовательность команд для к+1-го уровня и т.д. Нижний уровень команд (“микрокоманды”) управляет выполнением элементарных процедур.

Переход к отдельным командам определяется логическими условиями или метками.

~173 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

выполнить точнейшим образом все предусмотренные в алгоритме процедуры, все рутинные математические и логические исчисления. Он же указывает, в каком виде оформить результаты исчислений и кому их выдать.

Таким образом, прежде чем вступить в работу машине, человек должен выполнить ряд этапов процесса решения задачи [6, 11, 14]:

1.Изучение исследуемого объекта. Надо разобраться в физической сущности происходящих в объекте процессов, в целях функционирования; надо выделить необходимые взаимосвязи его основных компонент, параметры, определяющие состояние, определить требования к информационным процессам и потокам, сформировать критерии для оптимизации.

2.Описательное моделирование. На этом этапе осуществляется словесная формулировка (фиксация) основных связей и зависимостей между компонентами и характеристиками процессов.

3.Математическое моделирование. Осуществляется перевод описательной модели на формальный математический язык. Все условия записываются в виде уравнений, неравенств (системы ограничений), формул. Критерий оптимизации записывается в виде функции, называемой целевой функцией. Процесс оптимизации состоит в отыскании на множестве допустимых решений максимального или минимального значения целевой функции.

4.Выбор (или создание) метода решения математической задачи. После того как задача записана в математической форме, ее прикладная специфика уже не интересует. Главное внимание обращается на математическую структуру.

5.Выбор или написание программы для решения задачи на вычислительной машине.

6.Ввод в память машины исходных данных вместе с программой.

~ 175 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

При любом способе реализации последовательности выполнения операторов существует некоторая управляющая конструкция ( команда, инструкция, командный запрос или командный таблон), которая и позволяет описать алгоритм в виде машинной программы.

Моменты переходов и организация вычислительного процесса определяются системой синхронизации и управления.

Системы синхронизации могут быть синхронные (единая система синхронизирующих сигналов, поступающих из центрального устройства управления) и асинхронные (каждый процессорный элемент может иметь собственную систему синхронизирующих сигналов с устройствами обмена сообщениями между процессорными элементами).

Управление может быть централизованным и распределённым. После выполнения машиной предусмотренных в программе про-

цедур человек анализирует выданный ему в указанной форме результат.

Анализ производится двух видов:

1) формальный (математический), когда проверяется соответствие полученного решения построенной математической модели, и 2) содержательный (технологический, экономический и т.п.), когда проверяется соответствие полученного решения тому объекту (процессу), который моделировался. По результатам анализа в модель могут быть внесены изменения или уточнения.

На первых этапах развития вычислительной техники основные усилия направлялись на реализацию методов решения математических задач. Весь арсенал средств и методов вычислительной математики был заложен в память машин в виде стандартных подпрограмм, которые широко используются в настоящее время в процессе разработки прикладных программ. Менее освоенными остаются процессы перевода

описательной модели на математический язык. В ряде сфер деятельно-

~ 177 ~

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК «МАШИНА» Часть 2

ческих) в процессе информационного обслуживания абонентов и технического обслуживания самой системы. Эти модели представлены в виде совокупности управляющих и обрабатывающих программ, образующих так называемую операционную систему (ОС) ИС.

ОС выполняет множество функций. Основные из них:

-управление функционированием комплексов технических средств;

-связь операторов с системой;

-протоколирование хода работы системы;

-организация видов работ (пакетная обработка или режим разделённого времени);

-автоматический сбор исходных данных непосредственно от источников, их хранение;

-обеспечение удалённой пакетной обработки;

-разграничение доступа к информации;

-обеспечение функционирования устройств коллективного пользования.

Кроме того, ОС предоставляет набор средств (языковых и программных) пользователям, с помощью которых они могут создавать для себя операционные системы с желаемыми свойствами.

Основу ОС составляют управляющая программа и совокупность обрабатывающих программ.

Управляющая программа состоит из множества частных управляющих программ, тесно связанных между собой. Основными компонентами управляющей программы являются:

-программа начальной загрузки;