МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра інформаційних систем і технологій
Конспект лекцій
з навчального курсу «Інформаційні системи і технології на транспорті»
Підготували:
к.т.н., доцент Топольськов Є.О.
к.т.н., доцент Сердюк А.А.
Затверджено
на засіданні кафедри
протокол № __
від «__» ________2009 р.
Київ 2009
Семестр 6. Модуль 1. Загальні принципи побудови і функціонування транспортних інформаційно-управляючих систем
Зм1. Основні поняття теорії інформації та інформаційних систем.
1.1. Поняття інформація. Кількісний та якісний аспект.
Інформація - це сукупність новин, нових знань, нових моделей, законів, концепцій, ідей, правил та інших розумових форм, які (свідомості, тлумачення, розуміння) використовують люди або штучні експертні системи для розв‘язку інтелектуальних задач.
Постачання даних про реальні факти є обов‘язковим процесом формування нових знань, (законів, моделей) або інформації про об’єкт з якого були отримані ці дані. Інформаційні технології визначають суттєву різницю між базами даних (БД) та базами знань (БЗ).
Суттєвий зміст даних полягає в фіксації фактів, значень параметрів, що змінюються у просторі та часі відповідно змін умов функціонування об‘єкта.
Зміст інформації визначається правилами (моделями) відповідності між інформаційною знаковою-організацією та фізичною-матеріальною організацією, якою є реальний об’єкт.
Таким чином, у параметричній формі характеризують те, що отримуємо від датчиків. Скільки об’єкт має різних параметрів стільки й датчиків потрібно мати для прямого отримання цих даних. Кожен датчик може давати параметри, поки йде процес йому вимірювання та реєстрації даних.
Інформація характеризує організаційну сторону взаємодії елементів у єдиній системі. Процеси взаємодії можуть бути дуже складні, нелінійні, динамічні, багато факторні. Але повнота інформації залежить не від обсягу даних, які можливо накопичувати безмірно, а тільки від адекватності формування ефективної моделі.
Дані, які можливо реєструвати, перекодувати, обрамляти, фіксувати та накопичувати на любому носії, по суті визначаються конкретною (даною комунікантом для отримувача) скінченою сукупністю фактів. Кожен окремий факт може бути результатом: вимірювання з використанням відповідної шкали –міри; параметричної реєстрації процесу або ситуації; взаємодії визначених об‘єктів та умов; процесу роботи машин або соціотехнічних систем; опису акцій, сценаріїв ситуацій, подій і таке інше за допомогою знаків.
Знання, як абстрактні категорії розуму можливо застосувати до значної множини різноманітних об‘єктів. Така їх властивість дозволяє розв‘язувати значну кількість задач практики. Але для кожної задачі реального керування конкретним об‘єктом потрібні індивідуальні дані. Саме сукупність індивідуалізованих даних відрізняє об’єкти навіть у випадку їх однакової подібної природи.
Згідно теорії семіотики (наука про знакові системи), моделі відкритих систем ISO та практики лінгвістики доцільно (табл. 1.6) визначати наступні показники якості інформації.
Актуальність інформації це властивість повідомлень зберігати корисність для розв’язку проблемних ситуацій, що стосуються складних динамічних систем. Коефіцієнт корисної дії актуальної інформації А(t) можливо вимірювати згідно співвідношення:
(1.1)
де С(t) – цінність інформації в момент часу t, відповідно С(t0) у початковий t0 момент часу визначення проблемної ситуації.
Зміни у єдиному інформаційному просторі, що відбуваються у часі впливають на актуальність конкретної інформації особливо для задач керування рухомими об’єктами.
Цінність інформації визначається як комплексний інтегрований показник прагматичної результативності. Відповідно конкретним видам ефекту, цінність можливо визначати у одиницях збільшення ефекту у порівнянні з попереднім, традиційним ефектом за рахунок впровадження конкретної інформації у технологію діяльності організації. Враховуючи, що цінові економічні показники особливо у ринкових умовах суттєво змінюються, доцільно використовувати енергетичні та ексергічні одиниці виміру цінності інформації за рахунок управління. В системах електронного документообігу цінність інформації обумовлює зусилля, щодо її захисту та забезпечення безпеки) від несанкціонованого доступу (атак хакерів та конкурентів).
Змістовність інформації характеризує питому семантичну ємність, яку можливо оцінити співвідношенням:
(1.2)
де
- визначає кількість семантичної
інформації в повідомленні або документі;
Vd - обсяг даних, що відображає
отриману інформацію, яка потрібна для
прийняття рішення.
Підвищення змістовності інформації дозволяє визначати сенс без переробки значно великих обсягів даних.
Таким чином продуктивність, результативність, ефективність залежить від змістовності інформації, тобто зменшення витрат на попередні процеси пошуку сенсу в отриманому масиві інформації.
Оптимальний розподіл функцій у межах організації характеризує такий НМІ, при якому синтаксична форма (протокол, формат, структура, розподільча деталізація та атрибутика) дозволяє максимально швидко співвідносити обсяг – порцію даних з семантичними ознаками. В таких випадках визначають показник інформативності (згідно К. Шенону):
(1.3)
де І - синтаксична інформація, що майже повно характеризує інформацію, яка необхідна для прийняття рішення, щодо подальшого технологічного процесу обробки даних.
Вище означені
випадки
використовують для практичного підвищення
пропускної здатності інформаційних
каналів з декількома послідовно
працюючими компонентами.
Три вище наведених показника інформації характеризують прагматику комунікаційних обмінів даними відповідно мети організації, її цілеспрямованим реагуванням на зміни у навколишньому середовищі та ефектам, що забезпечують життєдіяльність даної організації (системи транспорту) в існуючих природно-соціальних умовах. У рамках ринкової економіки інформаційні технології не дають повного ефекту, якщо відсутні відповідні заходи забезпечення безпеки повідомлень, що подаються у цифровому вигляді. Гостро стають питання захисту авторських прав та інтелектуальної власності на всі види інформаційної продукції.
Емержентність інформації (emergent виникнення нового стану) - це властивість, що характеризує системну єдність та повноту властивостей, яка більше ніж алгебраїчна сума окремих компонент при умовах відсутності взаємозв’язків між ними. Новий системний рівень виникає внаслідок повного комплексного зв’язку. Активізація комунікаційних поєднань обумовлює виникнення (формування) нового рівня організації з можливістю реалізації нових функцій, наприклад розв’язку задач, що раніше неможливо було розв’язати.
Репрезентативність інформації визначається якісно правильно, адекватно відображати природні характеристики об’єкту. За рахунок подібності знакової моделі об’єкту можливо використовувати таку модель при розв’язках задач практики. Для цього потрібна правильна (результативна) концепція формування поняття, показників та мір (шкал) виміру. При умові врахування суттєвих зв’язків впливу відповідних факторів об’єктивніть відображення суттєвих параметрів, ознак та критеріїв дозволяє отримувати системні ефекти. Любі похибки та порушення репрезентативності моделі, як наслідок, приводять до зростання витрат та зниження ефективності. При не репрезентативних моделях частина енергії та інших ресурсів витрачається на міфічні, віртуальні, помилкові очікування того, чого немає у реальному (правильному) світі. Такого роду помилки першого роду найбільш шкідливі. Тому верифікація моделей та інформаційних процесів управління є обов’язковою процедурою при встановленні нових комунікаційних поєднань або при змінах ситуативних обставин.
Достатність інформації означає, що наявна сукупність даних повна для початку розв’язку функціональної виробничої задачі. Даний мінімум забезпечує прийняття рішення, але не виключає, що на інших наступних етапах, в інших станах системи управління виникне потрібність в новій додатковій інформації. Достатність інформації дозволяє правильно та ефективно використовувати ресурси організації. Неповна, тобто недостатня для прийняття рішення інформація, обумовлює додаткові витрати часу, зростанню запізнень, затримки в технологічних операціях. Збиткова інформація також зменшує ефективність, бо потребує збільшення (відносно необхідного рівня) додаткових операцій з витрачанням реальних ресурсів управління. Саме достатньо повна інформація відповідає умовам оптимального функціонування.
Три вищезазначених показники (емержентність, репрезентативність, достатність) характеризують семантику комунікаційної взаємодії на повній множині виробничих ситуацій відповідно умовам експлуатації та темпу роботи організації. Семантична орієнтація дозволяє цій організації завжди та всюди ефективно функціонувати на тривалих (роки) етапах життя технології.
Своєчасність – це така властивість інформації, що характеризує її можливість використання саме даним оператором у заданий проміжок часу відповідно експлуатаційної ситуації. Несвоєчасна інформація як наслідок обумовлює економічні втрати й на рівні управління й на рівні реалізації виробничого плану. Сувора причинно-наслідкова послідовність усіх технологічних процесів вимагає синхронізації режимів функціонування. Ступінь точності синхронізації або можливість асинхронних процесів з зазначеними у часі результуючими подіями визначається у відповідності з технологічними режимами роботи підготовчих та виконавчих ланок організації.
Несвоєчасність отримання ключової інформації порушує економічну оптимальність режимів функціонування, втрату ритму, підвищення часу простоїв та зменшення продуктивності виробництва. Своєчасна інформація дозволяє працювати без порушень регламентів та норм експлуатації, що визначають конкретні вимоги до інтервалів та моментів часу з дозволеними режимними параметрами функціонування організації.
Доступність інформації означає, що при виконанні регламентованих вимог та процедур щодо отримання інформації, ця інформація надається замовнику по каналу зв’язку від носія інформації. Узгодженість та стандартизація процедур отримання інформації по запиту до інформаційного тезауруса, забезпечує показники доступності для осіб (операторів), що повинні отримати адекватну відповідь.
Достовірність інформації пов’язана з властивостями відображати реальні об’єкти з необхідною точністю виконання усіх процедур управління.
Для процесів, що
при виконанні комплексу умов
може бути подія а (відповідно явищу
статистичної стійкості кількості появ
цієї події), можливо використовувати
оцінки ймовірностей:
(1.4)
де m – кількість разів відбування події а в результаті всіх n – незалежних випробувань (вимірювань), кількість яких велика та забезпечує майже (практична точка зору) незмінність оцінки.
У випадках, коли інформацією є ймовірне відхилення випадкової величини Х від свого середнього значення а не більш як на ЕХ , маємо таку оцінку:
(1.5)
де згідно закону
розподілу випадкової величини для
рівномірного (
),
експоненціального (
)
та нормального, маємо відповідно такі
значення:
, (1.6)
за умов: [а; b]
- проміжок, в якому задано зміну
;
- параметр випадкової
величини
при експоненціальному процесі;
- середньоквадратичне відхилення
випадкової величини
відповідно нормального (гаусів) розподілу,
що задається диференційним законом:
(1.7)
тут а – математичне
сподівання випадкової величини Х;
- середньоквадратичне відхилення Х;
- густина (щільність) ймовірності
випадкової величини Х у точці х.
При нормальному розподілі випадкової величини справедливі правила однієї, двох та трьох сигм:
(1.8)
Це означає, що для підвищення вірогідності потрібно забезпечувати малі значення або знати коли існує гостровершинність (крута крива) функції щільності ймовірності випадкової величини.
Поняття достовірність даних, частіше пов’язано з оцінками появи похибок в даних, незважаючи на те, що на вхідній частці каналу можливі безпомилкові дані. Наявність у каналі шумів, завад та збурень, що відображують вплив різних факторів довкілля, може привести до виникнення похибок у вихідних даних. З метою підтримання рівня достовірності використовують різні технічні засоби забезпечення надійності роботи каналу комунікації. Способи передачі кодованих надлишкових даних дозволяють автоматично коригувати типові канальні похибки.
Три показники – своєчасність, доступність, достовірність використання конкретного комунікаційного каналу та відповідних технічних засобів телекомунікації – характеризують синтаксичну відповідність та практичну можливість забезпечити саме тут та у даний час передачу необхідної інформації.
Усі показники інформації, що були розглянуті вище, характеризують властивості реального об’єкту. Їх дуже багато в залежності від задач практики, що потрібно розв’язувати. Конкретне забезпечення функціонування згідно заданих цільових процесів, залежить від відношень, зв’язків, актів взаємодії між об’єктами. Для забезпечення цих умов функціонування потрібні додаткові показники інформації.
Керованість інформації – це така властивість повідомлено, що відповідно процесам адаптації до змінних умов функціонування та задачам організації дозволяє шляхом зміни операторів та операндів управляти об’єктами на далеких відстанях. Директивно-командне повідомлення системного управління може відноситись до К – керованих об’єктів, що мають l виконавчих органів з m – параметрами, які визначають закони координації, оптимізації та регулювання параметрів режимів роботи об’єкту. Керованість складних динамічних систем можливо лише відповідно з законами про необхідне різноманіття станів та про зовнішнє доповнення. Крім того відрізняються ієрархічні рівні керування відповідно до специфіки задач, які вирішує кожний з рівнів, що пов’язані за законами системного функціонування при зміні факторів впливу навколишнього та внутрішнього середовища.
Стійкість інформації – властивість системної інформації забезпечувати гарантований рівень якості (точності) управління у ситуаціях, коли потрібно реагувати на зміну зовнішніх факторів впливу, законів та параметрів керування.. Стійкість інформаційних аспектів реалізації адаптивного та гарантованого управління забезпечується системними методами синтезу законів керування, що адекватні новим умовам експлуатації складної динамічної системи.
Точність інформації – це ступінь наближення інформаційно-знакової моделі до параметрів реального об’єкту. Можливі різні характеристики з поняттям точності:
формальна точність або потенційна – та, що визначається вагою значення одиниці молодшого розряду, відповідно заданого формату та представлення числових значень конкретного показника у межах обраної шкали виміру;
необхідна точність – та, що забезпечує якість прийняття рішень та точність розрахунків з моделюванням режимів роботи динамічних об’єктів;
досяжна точність – це та, що в експлуатаційних умовах дозволяє отримати максимальну точність виміру, ідентифікації, моделювання, оптимізації, управління при розв’язку задач практики;
реальна фактична точність, що визначається значенням одиниці останнього розряду числа, істинність якого гарантована, верифікована, а технічні засоби сертифіковані шляхом порівняння з незалежними еталонними значеннями параметру.
Три показники – керованість, стійкість, точність – характеризують різнотемпові інформаційні обміни відповідно до граматичної варіабельності лінгвістичних змінних. У межах функціональної працездатності, згідно задач гнучкої адаптації до змінних факторів впливу на об’єкт, вони визначають оптимальну керованість за багатьма критеріями ефективності та точність регулювання, настроювання, реагування для досягнення розрахункових ефектів, що передбаченні вищими рівнями управління.