Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Учебные материалы ИКНТ 1-8 семестры / 7 семестр / Козлов, Кисоржевский_Теория информационных систем (2008).pdf
Скачиваний:
307
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
3.79 Mб
Скачать

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

y2

 

3

y3

 

1

 

 

2

 

y1

1

1

y6

Исходные данные.

4

 

1

4

 

y4

 

 

y5

 

Беллман-Форд:

 

 

(1)

 

(2)

(2)

 

 

(3)

 

 

(3)

 

 

2

D

2

=1

D2

=1 D3

= 4

D

2 =

1 D3

 

= 4

 

 

 

2

3

 

2

3

 

 

(4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 5

 

1

 

 

 

1

 

1

 

 

 

D6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

(5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

5

 

 

= 6)

4

 

 

 

4

5

 

 

 

(D6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

(2)

(2)

(3)

 

 

(3)

 

 

 

 

D4

= 4

 

 

D4

= 4 D5

= 2 D4

= 3 D5

 

= 2

 

 

 

Дийкстра:

D2 =1

D3 =4

 

 

D2 =1 D3 =3

 

D2 =1

D3 =32

3

 

2

 

3

 

2

3

1

 

1

 

 

6 D6 =6

1

 

D6 =5

 

 

 

 

 

 

 

6

4

5

 

4

 

5

4

 

5

=4

D5 =2

=3

=3

D4

D4

D5 =2

D4

 

D5 =2

 

 

P={1,2}

P={1,2,5}

P={1,2,3,4,5}

 

~ 421 ~

 

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

Рис. 23.6

Формально алгоритм работает следующим образом.

Сначала P={1}, D1 =0 и Dj = l1j для j≠1.

Шаг 1 (поиск следующего ближайшего узла).Найти i P такой,

что Di = minDj

j P

Положить P:=P U{i}.Если P содержит все узлы, то на этом работа алгоритма заканчивается.

Шаг 2 (обновление меток). Для всех j P положить

Dj := min[Dj,Di + dij ].

Перейти к шагу 1.

Алгоритм Флойда-Уоршела

Этот алгоритм в отличие от предыдущих двух находит кратчайшие пути сразу для всех пар узлов.Если в алгоритме БеллманаФорда итерируется число дуг в пути, а в алгоритме Дийкстра – длина пути, то в алгоритме Флойда-Уоршела итерируется множества узлов, которые допускается иметь в качестве промежуточных узлов на путях. Как и оба других алгоритма, алгоритм Флойда-Уоршела начинается с расстояний из одной дуги (т.е. без промежуточных узлов), выбранных в качестве исходных оценок для длин кратчайших путей.Затем вычисляются кратчайшие пути с тем ограничением, что промежуточным узлом может быть только узел 1, затем с ограничением, что промежуточными узлами могут быть только узлы 1 и 2 и т.д.

Для более строгого описания алгоритма обозначим через Dij(n)

длину кратчайшего пути от узла i к узлу j при ограничении, что только узлы 1,2,…,n могут использоваться в качестве промежуточных узлов на пути. Алгоритм при этом работает следующим образом.

~ 422 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

Сначала Dij(0) =dij для всех i,j,i≠j.

Для n=0,1,…,N-1,

D(n+1)

= min[D(n),D(n )

+ D(n)

] для всех i≠j.

ij

ij i(n+1)

(n+1)j

 

Объём вычислений по данному алгоритму оценивается

величиной

0( Ν3 ), т.е. он такой же, как и алгоритм Дийкстра, повто-

ренный для всех узлов, выбранных в качестве источника.

23.3. Управление информационными сетями

Из теории управления известно, что при рассмотрении любой системы управления необходимо выделить управляющий объект и управляемый объект. Управляющий объект должен иметь каналы для восприятия состояния управляемого объекта и каналы воздействия на управляемый объект с целью перевода его в нужное состояние.

В информационной сети элементами управления являются каналы и узлы. Их состояние зависит от нагрузки (она случайна), от надёжности элементов, от внешних воздействий (энергетических и информационных). Чтобы выполнить задачи по обслуживанию абонентов в условиях нестабильности состояния элементов сети и переменной нагрузки, нужна система управления. Для сети она должна иметь распределённую структуру. Управляющий объект состоит из двух частей:

1.Управляющего устройства сетью (УУС), которое располагается как на узлах сети, так и на специально оборудованных узлах управления сетью.

2.Управляющего устройства узлом (УУУ), которое располагается на узлах вместе с аппаратурой коммутации.

Управляемыми объектами являются устройства коммутации (УК) на узлах, а также схемы распределения потоков, матрицы состояний,

~ 423 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

связности и др. В зависимости от степени децентрализации управления различают три основных принципа:

централизованный;

территориальный (зоновый);

децентрализованный.

Основное требование к системе управления: обеспечить передачу информации по заданному адресу, с заданным качеством обслуживания и с минимальными затратами. В качестве количественных критериев качества обслуживания используют:

а) процент неудовлетворённых заявок, или б) время ожидания удовлетворения заявки.

Качество обслуживания зависит от поступающей нагрузки, пропускной способности сети, вероятности связанности, структурной надёжности, алгоритма обслуживания. Управление сводится к корректировке планов распределения информации, изменению структуры сети и схем прохождения информационных потоков. Исходные данные поступают от всех узлов сети.

~ 424 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

Глава 24. АНАЛИЗ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ИС

24.1. Сущность понятия пропускной способности

При любых преобразованиях вещества или информации возникает задача определения степени плодотворности преобразований и преобразующих элементов. В системах преобразования вещества эта степень определяется количеством продукции, производимой в единицу времени, или количеством времени, затрачиваемом на производство определённого объёма продукции. При анализе информационных систем подобный здравый подход сопряжён с некоторыми трудностями, обусловленными природой объекта преобразования. Однако они успешно преодолены в работах К. Шеннона по исследованию пропускной способности каналов связи. Им определена количественная мера информации, разработаны методы вычисления её и показана возможность измерения пропускной способности каналов количеством информации (полезной), переданной в единицу времени. При этом учитывается критерий приемлемости качества принимаемой адресатом информации.

В формализованном виде пропускная способность канала определяется по [12] как

 

1

 

,

(24.1)

C = max

 

I (X ;Y )

 

 

 

T

 

 

 

где I(X;Y) – среднее взаимное количество информации, содержащееся в множестве Y сообщений после преобразования, относительно множества X сообщений, поступающих на вход преобразователя; максимум вычисляется среди всех распределений вероятностей P(U) сообщений и всех значений Т.

~ 425 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

Целесообразно рассматривать величину I(X;Y) как разность между неопределённостью, имеющейся относительно интересующего нас факта (ситуации, значения некоторого параметра и т.д.) до преобразования, которая выражается энтропией Н(Х), и неопределенностью относительного этого же факта после преобразования, которая выражается условной энтропией Н(Х/Y) – остаточной неопределённостью, обусловленной действием помех, ошибками округления, квантованием и другими неточностями преобразования, т.е.

I(Х;Y)=H(X)-H(X/Y). (24.2)

В такой трактовке соотношение (24.1) пригодно для оценивания информационной пропускной способности не только каналов передачи информации, но и любых других преобразователей.

Пропускная способность является обобщённой и весьма важной характеристикой ИС. Она определяет потенциальные возможности ПЭ по преобразованию информации с учётом временных, частотных, энергетических затрат в конкретных условиях внешних воздействий.

24.2. Пропускная способность двоичного симметричного ка-

нала

Двоичный симметричный канал преобразует множество X={ х1 , х2 } входных сообщений (символов) в множество Y={ y1 , y2 } вы-

ходных сообщений. Причём помехи в канале в одинаковой степени искажают каждый из возможных символов, что показано на рис. 24.1, где

P– вероятность искажения символа.

~426 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

х1

1-P

y1

 

 

 

P

 

 

P

x 2

1-P

y 2

 

 

Рис.24.1.

Максимальное количество переданной информации оценивается по (24.2). Если состояния х1 и х2 равновероятны, то H(X)=log2=1,

а условна энтропия H(X/Y) = - P log P - (1-P) log(1-P).

В итоге, пропускная способность канала равна

С = VT [1 + P log P + (1 P) log(1 P)],

где VТ – скорость передачи символов (число полезных символов,

переданных в единицу времени). В квадратных скобках заключено количество информации, приходящееся на один символ. Оно изменяется в зависимости от P по закону, показанному на рис.24.2.

С

1

0,5

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Р

 

Рис. 24.2.

Таким образом, при P 0,5 полезная информация по каналу не передаётся, хотя скорость передачи Vт может быть большой. Вероятность

~ 427 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

ошибок P зависит от характеристик сигнала и помех, а также алгоритмов обработки бинарных сигналов (см. часть 3).

24.3.Пропускная способность канала с ограниченной полосой

ибелым гауссовским шумом

Рассматривается канал, в котором входной сигнал является час- тотно-ограниченной временной функцией со средней мощностью Pc , то есть длительность сигнала ограничена интервалом Т и шириной полосы F. Известно [12], что тогда

 

1

T / 2

2FT

 

 

Pc =

U 2 (t)dt = xk

2

,

T

T / 2

 

 

k =1

 

 

где х – коэффициенты разложения сигнала U(t) по теореме отсчётов (т. Котельникова).

Помехи в канале распределены по нормальному закону со спектральной плотностью мощности N, не зависящей от частоты (белый шум). В этом случае средняя в полосе F мощность шума Pм =NF.

Для таких каналов пропускная способность, найденная

 

 

PC

 

бит в секунду.

 

+

 

 

К.Шенноном, равна C = F log 1

P

 

 

Ш

 

Максимальное значение количества взаимной информации в та-

ком канале равно

 

 

PC

 

.

 

+

 

 

I(X ;Y ) = TF log 1

N0 F

 

 

 

 

Если частотный спектр не ограничен, то пропускная способность канала

Cα =

PC

,

N0 log e

где N=RT, R=1,380*10 джоуль/градус – постоянная Больцмана, а

T– абсолютная температура системы.

~428 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

24.4. Пропускная способность каналов с РОС

Решающая обратная связь (РОС) является мощным средством борьбы с ошибками, когда на приёмной стороне методом декодирования кодов обнаруживаются ошибки и по запросу дополнительных повторов они исправляются. На процедуры запросов и повторов тратится дополнительное время, которое отражается на величине пропускной способности каналов.

Пропускная способность каналов с РОС определяется по формуле

С =VТЭ [1+ PЭ log PЭ + (1PЭ ) log(1PЭ )],

где VТЭ – эквивалентная скорость передачи с учётом всех времен-

ных потерь на дополнительные символы и повторы передач; Pэ – экви-

валентная вероятность искажения информационных символов, которая определяется по формуле

PЭ =1K 1PНОБП ,

где РНОБП – вероятность необнаруживаемых ошибочных пакетов.

24.5. Пропускная способность ВПЭ

Виртуальные преобразующие элементы (ВПЭ) формируются на короткое время из простейших элементов для реализации определённого алгоритма преобразования информации. Интерес представляет вариант ВПЭ, обрабатывающий исходные набор данных с целью получения новой информации (выявление закономерностей, усреднение, получение численного результата по формулам и др.). В этом случае априорная неопределённость ситуации Н(Х) формируется на основе анализа возможных вариантов решения. Апостериорная неопределённость оп-

~ 429 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

ределяется подмножеством Y X полученных вариантов решения, удовлетворяющих ЛПР с учётом выбранного критерия приемлемости, шага квантования, дискретизации и т.п. В итоге, информационная пропускная способность ВПЭ вычисляется по формуле

C = T1 [H (X ) H (X Y )],

где H (X ) = log N X , N X - мощность множества Х;

H(X Y) = log NY , NY – мощность множества Y;

Т – время, затрачиваемое на реализацию алгоритма.

Объем исходных данных, сложность алгоритма, характеристики технических элементов в конечном счёте учитываются величиной Т и критерием приемлемости.

24.6. Пропускная способность компьютерных сетей

Компьютеризация населения, широкое развитие на этой базе информационных услуг для решения бытовых, экономических, научных, образовательных и культурных задач предъявили новые повышенные требования к качеству функционирования компьютерных сетей. Быстрый рост числа компьютерных сетей различного назначения (дистанционное обучение, справочная служба, телемедицина, телебиржи, телемагазины, продажа билетов, обслуживание выборов в государственные органы и т.п.) сопровождается непрерывной сменой сетевых технологий, направленных на повышение быстродействия, надёжности сетей, обеспечения возможности интегрированной передачи данных, голоса и видеоинформации, обеспечения информационной безопасности, повышение информационной пропускной способности [4]. Усложняются структура и поведение сетей, характер взаимодействия элементов

~ 430 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

сети с внешней средой. Все это усложняет задачи математического моделирования, анализа и синтеза компьютерных сетей.

Стохастический характер поступления заявок на обслуживание, большой перечень реализуемых информационных услуг требуют внедрения разнообразных методов обработки сигналов в узлах сети и в каналах связи, а цели достижения эффективного функционирования сетей требуют унификации и оптимизации этих методов и процессов их реализации.

Системный анализ затронутых проблем базируется на глубоком учёте физической сущности процессов переноса информации по сети, особенностей взаимодействия сигналов различных абонентов между собой, с элементами сети и с внешней средой, особенностей реализуемых информационных технологий, особенностей организации обслуживания (от получения заявок до выдачи готовой продукции) и т.д.

Математические модели рассматриваемых процессов в комплексе весьма сложны. Поэтому используется метод декомпозиции, позволяющий расчленить анализ на составляющие: по этапам и видам преобразований, по анализируемым показателям и пр.

Частные задачи решаются на базе теории сигналов, теории помехоустойчивости, теории кодирования, теории массового обслуживания, теории управления, теории принятия решений, рассмотренных нами в предыдущих разделах пособия [7].

Объединение различных процессов и методов в единую систему требует уточнения и оптимизации параметров взаимодействующих сигналов и алгоритмов, согласования их по видам и стадиям обслуживания, особенностям сред распространения сигналов и т.д. Важным этапом в решении этой проблемы является анализ пропускной способности сети с различными технологиями обслуживания.

~ 431 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

Компьютерная сеть представляет собой совокупность конечного числа обслуживаемых центров, между которыми циркулируют сообщения. Такие сети относятся к разряду сетей массового обслуживания (МО). Сети МО являются удобной математической моделью для вычисления ряда интегральных показателей системы (межконцевых временных задержек, времени пребывания в центрах обслуживания и др.) [1, 4].

Компьютерные сети условно делят на 3 категории:

-глобальные сети,

-региональные (городские) сети,

-локальные сети.

Логическая, программная и физическая структура глобальных и региональных сетей практически совпадают. Отличие состоит в охвате территории и скоростях передачи. Усилия направлены на внедрение семейства скоростей: 10/100/1000 Мбит/с.

В локальных и глобальных сетях есть различия в механизме передачи данных. В локальных сетях реализуются методы, не требующие предварительного установления соединения – пакеты данных посылаются без подтверждения готовности получателя к обмену.

Локальные и региональные сети могут быть подсистемами глобальных сетей, включаемых в нее через базовую сеть междугородных и международных каналов связи с высокоскоростными узлами коммутации (УК). Базовые сети обеспечивают транспортный сервис для распределённых локальных и региональных сетей. На УК реализуются различные методы коммутации каналов, сообщений и пакетов.

При коммутации пакетов (КП) реализуется один из двух методов доставки пакетов: метод датаграмм или метод виртуальных соединений. В первом случае пакеты одного и того же сообщения независимо (по разным путям) передаются от источника к адресату, что позволяет

~ 432 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

эффективно использовать коммутационные ресурсы сети и сокращать время доставки сообщения. Но при этом усложняется процедура сборки сообщения, поскольку может быть нарушена последовательность поступления пакетов, что ведёт к необходимости нумеровать пакеты.

При виртуальном соединении сохраняется последовательность пакетов, но среда передачи их становится доступной для многих абонентов. Организация виртуального соединения требует выполнения функций установления, поддержания и ликвидации контакта между абонентами, то есть расчленяется на фазы вызова, фазы обмена пакетами и фазы окончания обмена.

Вызов передаётся в соответствии с принятым в сети алгоритмом маршрутизации. Адресат может принять или отклонить вызов. Если вызов принят, то источнику передаётся служебный пакет согласия на соединение, после чего идет обмен данными. Сеанс заканчивается обменом служебными пакетами на ликвидацию соединения.

В целях реализации согласованного взаимодействия между абонентами сети разрабатывается определенная совокупность формализованных правил и процедур обмена (стек протоколов). Протоколы основаны на 7-уровневой модели сети. Везде используется РОС и подтверждения приёма сообщений (квитанции). Источник может послать не более определённого числа пакетов, не дожидаясь подтверждения. Квитанция разрешает переход к передаче следующей порции пакетов.

Весьма важным направлением исследования сетей МО является анализ межконцевых задержек сообщений [4]. Учитываются следующие исходные данные.

Сеть содержит М каналов передачи данных и V узлов коммутации. Длины пакетов в i-ом канале имеют плотность распределения

f(x) = bi ebi x , где 1/bi - средняя длина пакета (в битах или байтах).

~433 ~

R
λi = λir , r =1

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

Интенсивность входного потока λr (пак/с), где r – номер пары «источник-адресат».

Маршрут пакетов r класса определяется матрицей маршрутизации ||Рij(r)||, где Рij(r) – вероятность того, что пакет r-го класса, закончивший обслуживание в i-ом канале, поступил потом в j-й канал (i, j =

1, V ). Способы задания матрицы ||Рij(r)|| определяют тип маршрутизации пакета в базовой сети. При виртуальных соединениях и фиксированных маршрутах Рij(r) равны или 0, или 1.

Предполагаем, что объём памяти неограничен, а подтверждения об успешной доставке пакетов передаются мгновенно.

В сеть поступают r классов пуассоновских потоков с интенсивно-

стями λr (r=1, R ). Длительность обслуживания пакетов r-го класса в i-ом центре – экспоненциальный закон с параметрами μir = ci br (пак/с), где ci - пропускная способность i-го канала в бит/с, а 1/br - средняя длина пакета r-го канала.

Общий поток пакетов, поступающих в i-й канал, равен

M

 

 

 

а поступающих извне в сеть - Λ = λi .

 

 

 

i=1

 

 

 

Коэффициент загрузки i-го канала пакетами r-го класса ρir =

λir

 

,

b c

 

 

i

 

r

R

 

 

 

а общая загрузка i-го канала ρi = ρir .

 

 

 

r =1

 

 

 

Вероятность стационарного состояния сети Р(n), где n = {n1, n2, …, nM} координаты ni (i=1, M ) означают числа пакетов, ожидающих пе-

M

редачи и передаваемых по i-ому каналу, имеет вид P(n) = Pi (ni ) , где

i=1

Pi (ni ) зависит от дисциплины обслуживания.

~ 434 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

Средняя задержка пакета в сети определяется по формуле Клейн-

 

 

1

M

 

λi

 

 

рока: Τcp.

=

 

 

.

 

Λ

b c

 

λ

 

 

 

 

=

i

i

 

 

 

 

i 1

i

 

При оценивании пропускной способности бинарных каналов по

формуле

 

C =VM [1+ PO log PO + (1PO ) log(1PO )] необходимо пересчитать

VM с учётом полученного значения Τcp. , принимая во внимание только информационные символы. Вероятность PO также пересчитывается в

PОЭ по методу анализа каналов с РОС.

24.7.Пропускная способность среды множественного доступа

сШПС

Проблемы бурно развивающейся сетевой индустрии возродили к жизни беспроводные сети, берущие своё начало от радиосетей. Это обусловлено их достоинствами [4], к которым относятся:

-гибкость архитектуры сети;

-высокая скорость передачи информации (до 11 Мбит/с);

-быстрота проектирования и реализации;

-высокая степень защиты от НСД;

-относительно низкая стоимость сетей.

Указанные достоинства проявились благодаря успешному решению проблемы множественного доступа в сеть на основе использования технологии ШПС, опробованной в системах военного назначения.

Исследованы многочисленные методы формирования и использования ШПС. Идёт процесс отбора наиболее приемлемых вариантов для организации стационарных и мобильных сетей и передачи данных. Разработаны международные протоколы уровня управления доступом в сеть. Особенно популярен протокол IEEE 802.11 (Radio-Ethernet), ут-

~ 435 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

верждённый в 1997 г. Его можно использовать в локальных и городских сетях, для подключения к ресурсам Internet.

ШПС формируется в диапазоне 2,4 Ггц двумя методами:

-методом прямой последовательности (DSSS) и

-методом частотных скачков (FHSS).

Оба эти метода предусматривают деление всей полосы частот на n подканалов. При методе DSSS каждый бит информации кодируется в виде последовательности из n бит, и все эти n бит передаются параллельно по всем n подканалам, причём алгоритм кодирования индивидуален для каждой пары «передатчик-приёмник», обеспечивая конфиденциальность передачи. При методе FHSS станция в каждый момент времени передаёт только по одному из n подканалов, регулярно переключаясь на другой подканал. Эти переключения (скачки) происходят синхронно на передатчике и приёмнике, причём их последовательность носит псевдослучайный характер и заранее известна только данной паре «передатчик-приёмник», что также обеспечивает конфиденциальность передачи.

При DSSS достигается большая пропускная способность и высокая устойчивость к узкополосным помехам. Возможна работа с сигналами очень низкой мощности. При FHSS оборудование проще и дешевле, достигается высокая устойчивость к широкополосным помехам.

Применение ШПС позволяет реализовать метод свободного доступа в среду МД, не заботясь о взаимном мешании сигналов различных абонентов друг другу, потому что система сигналов выбирается из условия взаимной ортогональности. В этом случае при анализе пропускной способности можно воспользоваться моделью канала с РОС с условием, что:

1) при вычислении вероятности ошибочного приёма учитываются не только естественные аддитивные помехи, но и добавки к ним

~ 436 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

от мешающих сигналов совместно работающих абонентов, которые в

N 2

сумме составляют величину, в Бp раз меньшую мощности полезного сигнала мешающих станций, где Б – база сигналов, N p - среднее число одновременно мешающих станций;

2) временные задержки определяются средним числом повторов в системе с РОС.

~ 437 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

Глава 25. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ

25.1.Понятие «системный анализ»

Словосочетание «системный анализ» появилось в отечественных переводных изданиях в середине 20-го века [1]. То были аналитические работы военно-политического, экономического или социального характера. Используемое в них прилагательное «системный» воспринималось по большей части в смысле комплексности, широкого охвата проблем, учёта многих движущих сил, сложных взаимодействий между ними. Сам анализ представлял собой качественную оценку состояния анализируемой проблемы и прогнозы на основе логических выводов. Другой смысл этого слова был обусловлен многозначностью термина «система», одно из значений которого понимается как «определённый порядок в расположении и связи частей, в действиях», что позволяло придавать словосочетанию методологическую направленность.

Общественная потребность в разностороннем и глубоком анализе проблем нашей жизни, в получении убедительных оценок последствий принимаемых «больших» решений способствовала широкому распространению понятия «системный анализ». Оно стало употребляться в многих исследованиях, в том числе и при проектировании сложных технических комплексов.

Приложения системного анализа к исследованиям техникотехнологических систем сопровождалось усилением количественного анализа, развитием методов принятия решений в условиях неопреде-

~ 438 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

лённостей различного вида, формированием обобщённых показателей состояния системы по частным показателям её компонент. Всё это способствовало постепенному формированию методологии системного анализа.

Параллельно с ростом популярности понятия оно стало приобретать черты «модных словечек». При обсуждении диссертационных работ, направлений научных исследований, в докладах на научнотехнических семинарах, в различных публикациях словосочетание «системный анализ» стало появляться как по делу, так и без явной необходимости, с искажением сути понятия, только для «веса». Подобные словоупотребления размывают трактовки научных понятий, что негативно отражается на учебном процессе и сдерживает развитие самого системного анализа. Поэтому необходимо обозначить границы применимости рассматриваемого понятия.

Объектом исследования в системном анализе являются так называемые «большие системы», основные черты которых рассматривались нами во второй части пособия. Такие системы характеризуются большой исходной неопределённостью. Их создание и функционирование сопряжены с огромными затратами сил и средств, что требует всестороннего и глубокого анализа последствий принимаемых решений и предпринимаемых действий, потому что весьма велики экономические, экологические, военно-политические, социальные риски. Негативные и позитивные последствия решений могут проявиться не сразу, а через некоторое время, когда для этого наступят подходящие условия. Поэтому важно включать в анализ весь временной промежуток от создания системы и до её ликвидации.

Сложность слежения за временными изменениями параметров состояния системы обусловлена тем, что меняются состав элементов анализируемой модели и отношения между ними. Меняются также

~ 439 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

субъективные оценки полезности объективных значений параметров системы. Всё это требует корректировок математической структуры исследуемых моделей и решения всё обостряющейся проблемы неопределённости. Следовательно, необходимо продолжать совершенствование и развитие методологии системного анализа.

25.2. Элементы методологии системного анализа

Истоки методологии системного анализа обнаруживаются гораздо раньше упомянутых публикаций, которые можно причислить только к одним из первых приложений метода. Методология же имеет длинную историю становления. С давних времён создавались и использовались методы анализа различных систем, создаваемых человеком и природой. К 30-ым годам прошлого века созрела проблема обобщения существующих методик анализа. Началось формирование общей теории систем, составной частью которой является методология познания систем различной природы, включающая в себя анализ и синтез их элементов, структур и процессов функционирования в целом. Вводились новые понятия и давались философские обоснования им. Направления и цели исследований первоначально были обозначены в работах Л.фон Берталанфи. Усилиями мирового сообщества учёных методология системного анализа в основном сформирована.

Теория систем и системный анализ использовали идеи, методы и инструментарий (символику, формулы, аксиомы, правила, действия, теоремы), накопленные в естественных науках, в математике. Системные концепции широко использовались и используются в математике для собственных целей развития. Различные пространства, множества, отношения между элементами множеств составляют основы многих математических конструкций. Результаты исследования абстрактных

~ 440 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

систем в математике вполне могут быть трансформированы в исследования материальных систем при соблюдении определённых условий.

Во-первых, элементы материальных систем и отношения между ними обладают многочисленными свойствами, многие из которых не вписываются в одну математическую конструкцию. Объединение их в общую модель представляет собой сложную задачу.

Во-вторых, отношения в абстрактных моделях относительно просты и строго определены. В реальных системах они более сложны, их трудно выразить простыми математическими средствами. Это приводит к новым математическим проблемам, решения которых пока не находятся в аналитическом виде. Алгоритмические же исследования, как правило, оказываются менее достоверными и они более специфичны.

В-третьих, моделирование материальных систем требует отражения различных аспектов системы и различных степеней детализации её представления. Математические концепции создают основу для решения подобных обобщённых задач. Но свойства реальных систем столь разнообразны, что готовых математических структур для их исследования, как правило, не оказывается.

Последние десятилетия главное внимание уделялось развитию математических методов анализа, решению проблемы преодоления многообразных неопределённостей. Рассмотрим элементы методологии системного анализа на примере исследования информационной системы.

Любая технико-технологическая система предназначается для преобразования некоторого реального объекта: вещества, энергии или (и) информации. Она обладает определённым набором свойств, обусловленных её внутренним строением. Свойства системы проявляются при использовании её по назначению в определённых условиях внешней среды. Они могут быть объективно измерены или исчислены. В та-

~ 441 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

ком виде они выступают показателями качества системы и сообща определяют степень пригодности её к использованию по назначению. В формализованной форме данное утверждение можно представить так, что некоторая система V со своим вполне определённым внутренним строением в конкретных условиях среды Z проявляет свои свойства через множество Q показателей качества, что может быть выражено отображением

f : V x Z Q.

Все показатели можно разбить на две большие группы. Одна из них будет характеризовать степень плодотворности преобразований, осуществляемых системой по предназначению. Одним из основных показателей в этой группе является пропускная способность, характеризующая производительность системы. При анализе показателей этой группы учитываются элементы среды, непосредственно взаимодей-

ствующие с элементами системы в процессе её функционирования.

Состав учитываемых элементов среды представлен на Рис.25.1.

Энергетические

 

Информацион.

 

Нагрузочные

воздействия

 

воздействия

 

воздействия

 

 

 

 

 

ИС как объект анализа

Природно-климатические условия

Рис.25.1.

Энергетические воздействия приводят к разрушению элементов системы. Это могут быть следствия природных процессов и результат преднамеренных действий людей. Они оцениваются показателями жи-

~ 442 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

вучести, которые характеризуют способность системы выполнять свои функции в условиях разрушения её элементов от воздействий среды. Методы защиты предусматривают повышение прочности конструктивных элементов, создание защитных средств, а также внесение в систему избыточных элементов с организацией автоматической замены вышедших из строя элементов резервными.

Информационные воздействия трактуются как помехи самого разнообразного происхождения, включая преднамеренные. Они оцениваются показателями помехоустойчивости, которые характеризуют способность системы выполнять свои функции в условиях действия помех. Методы защиты от разнообразных помех составляют существенную часть решения проблемы обеспечения информационной безопасности систем. Эта проблема актуальна не только для ИС, но и для любых систем, особенно для систем с элементами автоматизированного управления.

Нагрузочные воздействия формируются абонентами системы, которые в случайные моменты времени вступают в конфликтные ситуации за право использования системных ресурсов. Они оцениваются показателями пропускной способности системы. Заметим, что пропускная способность часто применяется в качестве обобщённого показателя, поскольку реагирует на любые воздействия.

Весьма важным показателем систем является надёжность, которая характеризует способность системы выполнять свои функции в условиях естественных отказов её элементов. Природно-климатические условия существенно влияют на интенсивность отказов и на параметры жизненного цикла системы.

Показатели другой группы характеризуют состояние (как совокупность параметров) жизненного цикла системы. Их значения отражаются на результатах работы системы в целом на всех этапах её

~ 443 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

функционирования и, естественно, на величинах показателей первой группы. Но собственные их значения исчисляются с учётом влияния совершенно другой внешней среды, той, которая участвовала в формировании элементов системы в отдельности и во взаимодействии их в целом, то есть в период проектирования и производства системы. Получается, что та внешняя среда, которая влияла на процессы проектирования и производства системы и её элементов, косвенно (через качество своих компонент) продолжает влиять на процессы функционирования системы и определять её качество. Поэтому системный анализ включает в свои исследования эти элементы внешней среды для исчисления показателей состояния жизненного цикла системы, хотя непосредственного взаимодействия объектов преобразования и внутренних элементов системы с указанными элементами среды в процессе функционирования нет.

Основные элементы среды, включаемые в схемы анализа показателей этой группы, зависят от назначения исследуемой системы, от её состава, её роли в обществе. Для ИС необходимо учитывать:

__ уровень научно-технических разработок; __ наличие специалистов для производства и эксплуатации; __ состояние производства в данной сфере; __ экономическое положение производителя;

__ социальные условия в обществе, влияющие на уровень потребностей в информационном обслуживании населения;

__ состояние спроса и предложений на рынке товаров; __ экологические последствия производства и эксплуатации сис-

темы.

Возможны ситуации, когда необходимо учитывать военнополитическую обстановку в стране, потому что она может влиять на принимаемые решения, на сроки и качество претворения их в жизнь.

~ 444 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

Ценность показателей этой группы состоит в том, что с их помощью можно определять интегральную полезность системы за весь её жизненный цикл и на этой основе сравнивать различные системыаналоги между собой. Однако на этом пути возникают дополнительные препятствия в виде субъективных интересов пользователей, для которых один и тот же объективный показатель имеет различный субъективный вес. Преодоление подобных препятствий связано с углублением анализа причин формирования интересов пользователей, их стабильности и других факторов.

Таким образом, системный анализ имеет своей целью не только оценивание показателей качества заданной для исследования системы, но и осуществление сравнительного анализа систем-аналогов по многим показателям и решение задачи выбора лучших вариантов. При этом анализ не ограничивается только решением задачи выбора, например, «по Парето». Главное состоит в выявлении причин различия вариантов, в определении резервов улучшения, в оценивании целесообразности возможных путей модернизации. По сути, речь идёт о том, чтобы оценить объективно степень совершенства системы и «вклады» в это дело субъективных начал. Системные аналитики придерживаются того взгляда, что «субъективное» в реальных системах возникает не по капризу отдельных личностей, стремящихся к «плохим» вариантам, а по вполне объективным причинам, сложившимся у пользователя или у производителя. « Субъективные» требования чаще всего определяются объективными условиями сферы приложения, особенностями решаемых задач. Все они могут быть успешно выполнены в рамках совершенной системы. Поэтому в системном анализе много внимания уделяется синтезу оптимальных систем в целях реального использования их

ив целях формирования эталонов для сравнения систем. Сравнения с

~445 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

такими эталонами помогают исключать влияния субъективных взглядов на полезность отдельных параметров системы.

25.3. Пути преодоления сложных проблем анализа

Сложности системного анализа обусловлены следующими обстоятельствами:

1.Сложностью исследуемых объектов («большие» системы).

2.Расширением состава учитываемых элементов внешней среды разнообразной природы.

3.Включением в количественный анализ «человеческих фак-

торов».

Познание «больших» объектов осуществляется методом мысленного расчленения их на части, изучения особенностей компонент и мысленного объединения их в одно целое. Этот же метод используется при анализе систем: осуществляется декомпозиция системы, исследуются её части, а затем идёт процесс агрегирования элементов. Сам процесс анализа делится по уровням детализации исследуемых элементов, процессов и их параметров. Различают четыре уровня (концептуальный, логический, программный и физический), которые подробно рассмотрены нами в третьей части пособия.

Разнообразная природа учитываемых элементов среды вносит в аналитические модели различные классы математических конструкций, что требует дополнительных усилий для их объединения и согласования. Известны методы, когда модели объектов различной физической природы вводятся в некоторый граф в качестве его отдельных элементов (узлов и ветвей). Цепочки таких элементов позволяют исследовать необходимые параметры системы в целом.

~446 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

Особенно сложные проблемы для анализа возникают из-за наличия «большой исходной неопределённости». Эти неопределённости имеют различную природу, относятся к различным элементам и процессам системы, к различным их параметрам. Системный анализ предполагает расчленение «большой неопределённости» на более обозримые, в духе метода декомпозиции, но с обязательным учётом функциональных преобразований случайных процессов в элементах исследуемой модели, поскольку последующее агрегирование преобразованных случайных величин вместе с детерминированными может привести к существенным преобразованиям законов распределения их.

«Человеческий фактор» в аналитических моделях усиливает степень исходной неопределённости и вносит известный субъективизм в оценки полезности объективных параметров и показателей. Проведение формализованного анализа действий человека сталкивается с многими трудностями. Идут поиски преодоления их по различным направлениям.

Попытки математизировать умозаключения и действия людей, чтобы сделать их столь же наглядными, как исчисления математиков, и на этой основе устранять возникающие разногласия между ними, известны давно. Например, в трудах Г. Лейбница (17 __ 18 в.), заложившего начала математической логики, отмечено стремление добиться того, чтобы путём логических рассуждений («исчисления умозаключений») можно было определять, кто прав и кто виноват. Эти работы не были поддержаны его современниками из-за плохого учёта в предлагаемых моделях анализа жизненных интересов людей. Но поиски путей внедрения математики в схемы анализа отношений между людьми продолжались и ведутся до сих пор. Особый всплеск публикаций на эту тему наблюдался после выхода в свет работ Н. Винера и К. Шеннона по

~ 447 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

теории информации (конец 40-х годов 20 в.) и появления идей формирования искусственного интеллекта.

В этих работах показано, что этап формализации объектов реального мира и отношений между ними освоен вполне успешно. Но аналогичная работа с субъектами (отдельные люди, партии, общества, государства) проходит с большими затруднениями. Дело в том, что при рассмотрении любой конфликтной ситуации предстоит учитывать скрытые от непосредственного наблюдения многочисленные факты. Например, исследователя интересуют вопросы мотивации конфликтов. Как их формализовать? Какое мерило использовать для сравнения? Какую шкалу измерений применить, чтобы сделать исчисления конфликтов прозрачными? Социологи предлагают вводить декомпозицию процессов мотивации действий, например, вводя в рассмотрение цепочку: < потребности интересы цели действия >. Каждый элемент цепочки разбивается в дальнейшем по различным классам, типам, признакам. Например, интересы классифицируются по: носителям, социальной значимости, отношению к общественному прогрессу, масштабам действия, срокам удовлетворения и другим признакам. Подобная детализация помогает вникнуть в глубину проблемы, но вряд ли облегчает её решение. Для достижения прозрачности исчислений человеческих поступков нужна своя конструктивная идея для формирования мерила (как признака, на основе которого можно произвести измерение, оценку, сравнение) по каждому обозначенному элементу, например, по типу поиска количественной меры информации, проведённого Н. Винером и К. Шенноном и завершившегося замечательным результатом.

Новые элементы внешней среды, включаемые в анализируемую модель, новые анализируемые параметры, новые неопределённости __ всё ведёт к изменению математической структуры модели при прове-

~ 448 ~

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

2008 год

 

 

дении системного анализа. В целях упрощения и облегчения анализа целесообразно применять модульные конструкции исследуемых моделей, позволяющие унифицировать схемы программ исследования.

Таким образом, можно заключить, что системный анализ оценивает, прежде всего, межсистемные отношения, то есть анализирует взаимное влияние между системами, образующими внешнюю среду – с одной стороны, и с исследуемой системой – с другой стороны, на различных этапах её жизненного цикла (в период проектирования, производства, сбыта, функционирования, модернизации, и ликвидации). Оценка показателей состояния самой исследуемой системы осуществляется в рамках и терминах традиционного анализа техникотехнологических систем.

Заключение

Перспективы развития информционных систем и информационных технологий обозначены в ряде международных (ООН, ЮНЕСКО и др.) и национальных документов, фиксирующих понимание того, что основным экономическим резервом развития общества является человеческий потенциал. Всеми осознаётся, что экономика должна ориентироваться на человека, на его развитие, что она длжна носить инновационный характер, постепенно трансформируясь в экономику знаний, основной составляющей которой являются информационные технологии и системы, аккумулирующие научные и образовательные достижения человечества.

~ 449 ~

2008 год

ЧАСТЬ 4. АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

Научные достижения часто определяют облик той эры человечества, в которой они получили наибольшее развитие. Назывались эры атомными, космическими, компьютерными. Достигнутые в эти периоды успехи способствовали развитию новых информационных технологий и сами достигли необходимого роста в результате развития информационных систем и технологий. Новые технологии в любой прикладной области, если они вызваны потребностями общества, развиваются совместно с информационной сферой, обслуживающей данную прикладную область. Скорость продвижения вперёд в познании нового тем выше, чем выше уровень развития информационной сферы, поскольку она участвует не столько в отражении реальной действительности, хотя это очень важно, сколько в познании реальных процессов и явлений, в управлении ими.

Взаимное влияние и взаимное обогащение прикладных и информационных технологий присутствует в любой деятельности человека. Проявляется оно особенно явно в периоды освоения новых научных достижений. В нарождающейся нанотехнологической эре ставка делается на широкое использование свойств микромира. Проникновение в этот мир, глубокое познание происходящих там процессов невозможно без соответствующих информационной техники и информационных технологий, начиная от нанодатчиков, методов передачи результатов измерений в центры обработки и заканчивая конкретныи нанотехнологиями. Мы сталкиваемся с более тонкими и сложными процессами, познание которых потребует весьма чувствительных прборов, с необходимостью организации параллельного анализа и обработки первичных данных с многих источников одновременно, с необходимостью модернизировать операционные системы компьютеров и с многим другим.

~ 450 ~

ЛИТЕРАТУРА Литература. К части 1.

1.Поспелов Д. А. «Искусственный интеллект в последнем десятилетии

ХХвека». Третья международная конференция «Континуальные логикоалгебраические и нейросетевые методы в науке, технике и экономике».

Ульяновск, 2000, Т. 1. С. 5-9.

2.Основы физиологии человека (под редакцией Б. Н. Ткаченко). Т. 2. СПб. Международный фонд истории науки, 1994.

3.Браже Р. А. Человеческий мозг как самообучающийся аналогоцифровой компьютер. Третья международная конференция «Континуальные логико-алгебраические и нейросетевые методы в науке, технике и экономике». Ульяновск, 2000, Т. 1. С. 33-35.

4.Дрейфус Х. Чего не могут вычислительные машины? М., «Прогресс», 1978.

5.Уинстон П. Искусственный интеллект, М., «Мир», 1980.

6.Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум, М., «Наука», 1980

7.Клецки Р. Память человека: структуры и процессы, М., «Мир», 1978

8.Зинченко В. П., Муников В. М. Основы эргономики, М., МГУ, 1979

9.Линдсей П., Норман Д. Переработка информации у

человека, М., «Мир», 1974

10.Шапиро С. И. Мышление человека и переработка информации, М., Сов. Радио. 1980

11.БСЭ, Ст. мышление, М., 1980

12.Управление. Информация. Интеллект. «Мысль», 1976

Литература. К части 2.

1.Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. Учебник для ВУЗов. – СПб, 1999.

2.Козлов В.Н. Математика и информатика. СПбГТУ, 2001.

~451 ~

3.Крон Г. Исследование сложных систем по частям – диакоптика.

Наука, 1972.

4.Мороз А.Н. Курс теории систем. Учебное пособие для ВУЗов. –

М.: ВШ, 1987.

5.Мосягин Г.М. и др. Теория оптико-электронных систем - М.: Машиностроение, 1990.

6.Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем.

М.: Мир, 1981.

7.Фано Р. Передача информации. Статистическая теория связи.

Мир, 1965.

8.Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. Мир, 1989.

9.Горбань А.Н., Дунин-Барковский В.Л., Кардин А.Н. Нейроинформатика. Новосибирск: Наука, 1998.

10. Функциональная диагностика систем управления. Учебное пособие/Е.Н. Бендерская, Д.Н. Колесников, В.Н. Пахомова. СанктПетербургский Государственный Технический Университет, СПб, 2000.

11.Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. – М.: Наука,

1978.

12.Управление природно-техногенными комплексами: Введение в экоинформатику. Учебное пособие/ Н.В. Арефьев, В.Л. Баденко и др./

СПб, 2000.

13.Козлов В.Н., Кисоржевский В.Ф., Морозов Б.И. Теория

информационных систем: Учебное пособие. СПб: Издательство СПбГПУ, 2003.

14..Иванов П.М. Алгебраическое моделирование сложных систем. – М.: Наука-Физматлит, 1996.

15.Водяхо А.И., Горнец Н.Н., Пузанков Д.В. Высокопроизводительные системы обработки данных: Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1997.

~ 452 ~

Литература. К части 3.

1.Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. Мир, 1989.

2.Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. – М.: Наука, 1978.

3.Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. Учебник для ВУЗов. – СПб, 1999.

Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. –Радио и связь, 1985.

4.Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. – Сов. Радио, 1967.

5.Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприёма при флюктуационных помехах. – Сов. Радио, 1972.

6.Иванов П.М. Алгебраическое моделирование сложных систем. – М.: Наука-Физматлит, 1996.

7.Козлов В.Н. Математика и информатика. СПбГТУ, 2001.

8.Крон Г. Исследование сложных систем по частям – диакоптика.

Наука, 1972.

9.Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники.

– Сов. Радио, 1966.

10.Д.Кларк, Д.Кейн «Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи» М.: Радио и связь, 1987.

11.Колмогоров А.Н., С.В.Фомин «Элементы теории функций и функционального анализа» М.: Наука, 1968.

12.Кричевский Р.Е. «Сжатие и поиск информации» М.: Радио и связь, 1989.

13.Л. Клейнрок. Вычислительные системы с очередями. –

Мир,1979.

14.Кисоржевский В.Ф. Синтез алгоритмов функционирования

систем обмена данными. – МО 1981.

~ 453 ~

15.Мороз А.Н. Курс теории систем. Учебное пособие для ВУЗов. –

М.: ВШ, 1987.

16.Мосягин Г.М. и др. Теория оптико-электронных систем - М.: Машиностроение, 1990.

17.Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. М.: Мир, 1981.

18.Фано Р. Передача информации. Статистическая теория связи.

Мир, 1965.

19.Козлов В.Н., Кисоржевский В.Ф., Морозов Б.И. Теория информационных систем: Учебное пособие. СПб: Издательство СПбГПУ, 2003.

20.У.Питерсон, Э.Уэлдон «Коды, исправляющие ошибки» М.: Мир, 1976.

21.Рыжиков Ю.Н. «Эффективность и эксплуатация программного обеспечения ЭЦВМ» МО, 1985.

22.Фельдбаум А.А. и др.«Теоретические основы связи и управления» М.: Физматлит, 1963.

23.Харкевич А.А. «Борьба с помехами» М.: Физматлит, 1965.

24.Холстед М.Х. «Начала науки о программах» М.: Мир, 1981.

Литература. К части 4.

1.Д.Бертсекас, Р.Галлагер «Сети передачи данных» М.: Мир, 1989.

2.Д.Е.Вакман, Р.М.Седлецкий «Вопросы синтеза радиолокационных сигналов» М.: Сов.радио, 1973.

3.Л.Е.Варакин «Системы связи с шумоподобными сигналами» М.: Радио и связь, 1985.

4.В.М.Вишневский «Теоретические основы проектирования компьютерных сетей» М.: Техносфера, 2003.

5.В.Н.Дмитриев «Прикладная теория информации» М.: ВШ, 1989.

~454 ~

6.Д.Кларк, Д.Кейн «Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи» М.: Радио и связь, 1987.

7.В.Н.Козлов, В.Ф.Кисоржевский, Б.Н.Морозов «Теория информационных систем» СПбГПИ, 2003.

8.А.Н.Колмогоров, С.В.Фомин «Элементы теории функций и функционального анализа» М.: Наука, 1968.

9.Р.Е.Кричевский «Сжатие и поиск информации» М.: Радио и связь,

1989.

10.В.Д.Ногин «Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход» М.: Физматлит, 2002.

11.У.Питерсон, Э.Уэлдон «Коды, исправляющие ошибки» М.: Мир,

1976.

12.Р.Фано «Передача информации. Статистическая теория связи» М.: Мир, 1965.

13.Ю.Н.Рыжиков «Эффективность и эксплуатация программного обеспечения ЭЦВМ» МО, 1985.

14.А.А.Фельдбаум и др.«Теоретические основы связи и управления» М.: Физматлит, 1963.

15.А.А.Харкевич «Борьба с помехами» М.: Физматлит, 1965.

16.М.Х.Холстед «Начала науки о программах» М.: Мир, 1981.

~ 455 ~

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………3

Часть 1. ЧЕЛОВЕК И ИНФОРМАЦИЯ………………………………………8

Глава 1. ИНФОРМАЦИЯ И ЕЁ ФУНКЦИИ…………………………… ..8

1.1.Понятие «информация» ……………………………………………… .8

1.2.Функции информации…………………………………………………12

1.3.Информационное сопровождение деятельности……………………14

1.4.Проблема реализации информационных функций………………….19

1.5.Форма представления образа действительности…………………….27

Глава 2. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

2.1.Характеристики источников информации……………………………30

2.2.Чувственное восприятие информации………………………………..32

2.3.Основные характеристики анализаторов……………………………..37

2.4.Функции памяти человека……………………………………………..40

2.5.Процессы функционирования мозга…………………………………..43

2.6.Процессы реализации модели поведения……………………………..48 Глава 3. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ МЕРА ИНФОРМАЦИИ………………….51

3.1.Основа меры количества информации ………………………………..51

3.2Количество взаимной информации……………………………………..55

3.3Количество собственной информации…………………………………..56

3.4.Среднее количество собственной информации – энтропия………….57

3.5.Среднее количество взаимной информации…………………………..59

3.6.Энтропия объединённых систем………………………………………..60

3.7.Энтропия систем с непрерывным множеством состояний…………...62 Глава 4.КЛАССИФИКАЦИЯ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ ……63 4. 1. Характеристика проблемы……………………………………………63

4. 2. Системы классификации ……………………………………………..66

4. 3. Системы кодирования…………………………………………………..69 Выводы по I части……………………………………………………………72

Задачи……………………………………………………………………76

~ 456 ~

Часть 2. ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА КАК "МАШИНА" –

ВЕРБАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ………………………………………………………….78

Глава 5. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНФОРМАЦИОННЫХ МАШИН

5.1.Актуальность информационных машин ………………………………..78

5.2.Функции информационных машин……………………………………..79

5.3.Информационная "машина" как технико-технологическая система….82

5.4.Информация как объект преобразований ………………………………87

5.5.Классификация ИС……………………………………………………….88

5.6.Обобщённая вербальная модель ИС ……………………………………89

5.7.Влияние внешней среды на ИС………………………………………….93

5.8.Человек в ИС…………………………………………………………….94

5.9.Показатели качества ИС…………………………………………………95

Глава 6. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ИС…………………………98

6.1.Обобщённый алгоритм функционирования ИС как машины…………98

6.2.Подсистема информационного обслуживания абонентов……………101

6.3.Подсистема организации обслуживания………………………………107

6.4.Подсистема формирования виртуальных обслуживающих приборов.108

6.5.Принцип модульного построения многофункциональных систем…...113 Глава 7. МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ ОБМЕНА ДАННЫМИ…………….116

7.1.Общая характеристика подсистемы ……………………………………116

7.2.Сети связи…………………………………………………………………119

7.3.Переносчики и среды переноса информации…………………………...125

7.4.Каналы связи………………………………………………………………127

7.5.Уплотнение линий и каналов связи………………………………………132

7.6.Кодеры и декодеры источников…………………………………………..134 Глава 8. МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ……….137

8.1.Общая характеристика подсистем………………………………………..137

8.2.Информационные массивы……………………………………………….138

8.3.Процедуры преобразования массивов……………………………………141

8.4.Модель базы данных………………………………………………………142

~457 ~

8.5.Система управления базой данных (СУБД)…………………………….143

8.6.Реляционная модель данных…………………………………………….144

8.7.Этапы преобразования информации в подсистеме…………………….146

Глава 9.МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ ПЕРЕНОСА ИНФОРМАЦИИ С ОДНИХ

НОСИТЕЛЕЙ НА ДРУГИЕ………………………………………………….147

9.1.Общая характеристика подсистемы…………………………………….147

9.2.Преобразователи звуковых сигналов в электрические и обратно…….152

9.3.Магнитная запись и воспроизведение…………………………………..154

9.4.Метод электрографии……………………………………………………155

9.5.Преобразование световых сигналов в электрические…………………157

9.6.Преобразование электрических сигналов в световые…………………160

9.7.Голографические методы записи и воспроизведения информации….164 Глава 10. МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ…..168

10.1.Общая характеристика подсистемы…………………………………..168

10.2.Модели предметной ориентации……………………………………...172

10.3.Модели внутрисистемные……………………………………………..176

10.4.Взаимодействие предметных и внутрисистемных моделей………...178

10.5.Высокопроизводительные системы обработки данных…………….182

Выводы по II части………………………………………………………….185

Часть 3. ФОРМАЛИЗОВАННЫЕ МОДЕЛИ ИС……………………………187

Глава 11. СУЩНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ…………………………….187

11.1.Понятие модели системы…………………………………………….187

11.2.Декомпозиция и агрегирование систем…………………………….188

11.3.Математический аппарат формализованных моделей …………….193

11.4.Виды математических моделей ИС…………………………………197

Глава 12. МОДЕЛИ СИГНАЛОВ………………………………………...203

12.1.Разложение сложных сигналов………………………………………203

12.2.Преобразование Фурье………………………………………………204

12.3.Спектр дискретной последовательности……………………………206

~458 ~

12.4.Модели модулированных сигналов……………………………….207

12.5.Аналитический сигнал…………………………………………….209

12.6.Разложение В.А.Котельникова (теорема отсчётов)……………..211

12.7.Прохождение сигналов через линейные системы……………….212

Глава 13. МОДЕЛИ ПОМЕХ………………………………………….214

13.1.Общая характеристика помех………………………………………214

13.2.Корреляционные модели помех……………………………………216

13.3.Вероятностные модели помех……………………………………...218

13.4Модели мультипликативных помех ……………………………….219

13.5.Прохождение помех через линейные преобразующие системы…220

13.6.Функциональные преобразования помех…………………………221

Глава 14. МОДЕЛИ КОДЕРОВ И ДЕКОДЕРОВ ИСТОЧНИКОВ….223

14.1.Кодирование сообщений…………………………………………..223

14.2.Оптимизация кодирования………………………………………..227

14.3.Колмогоровская сложность слова………………………………232

14.4.Кодирование конечных вероятностных источников……………234

14.5.Блочное и неблочное кодирование……………………………….236

14.6.Особенности использования ресурсов компьютеров

при сжатии текстов………………………………………………242

14.7.Методы сжатия изображений……………………………………249

Глава 15. КОДЕРЫ И ДЕКОДЕРЫ КАНАЛОВ (МОДУЛЯТОРЫ И ДЕМОДУЛЯТОРЫ СИГНАЛОВ)……………254

15.1.Модуляторы сигналов…………………………………………...254

15.2.Дискретные манипулированные сигналы………………………257

15.3Модемы трактов передачи данных………………………………260

15.4.Цифровые методы передачи непрерывных сигналов………….264

15.5.Виртуальные преобразующие устройства……………………..266 Глава 16. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ……………..270

~459 ~