Концептуальные основы информационных процессов

О понятии «Информация» [1, 2]

Понятие «информация» является центральным понятием кибернетики. Оно используется и в теории информации, хотя основным понятием классической теории информации следует признать «количество информации», смысла которого коснемся несколько позже.

Имеется множество определений понятия информации от наиболее общего философского (информация есть отражение реального мира) до наиболее узкого практического (информация есть все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования).

При конкретизации понятия «информация» имеют место расхождения по ряду существенных вопросов: информация – это свойство индивидуального объекта (процесса) или результат взаимодействия объектов (процессов)? Присуща ли информация всем видам материи или лишь определенным образом организованной материи? Существует ли информация в любых процессах или возникает только в процессах управления? Выдвинутое академиками Глушковым В.М. и Колмогоровым А.Н., а также английским философом Эшби понятие информация как характеристики внутренней организованности материальной системы (по множеству состояний, которые она может принимать) позволяет оценивать потенциальные возможности систем независимо от процесса передачи или восприятия информации. Здесь подчеркивается мысль о том, что информация существует независимо от того, воспринимается она или нет. Однако, справедливо отмечается, что информация проявляется только при взаимодействии объектов (процессов).

Противоречия не возникает, если информацию рассматривать как свойство объекта в потенциальном смысле – свойство, которое проявляется лишь при взаимодействии объектов (процессов).

Весьма распространенным является также мнение о том, что информация присуща лишь определенным образом организованной материи, в которой возможны процессы управления. Сторонники этой точки зрения под информацией подразумевают только то, что воспринято и осмыслено, т.е. то, что целесообразно использовать для управления. Нетрудно заметить, что вопрос о существовании информации здесь неправомерно отождествляется с вопросом о способности объекта к восприятию и использованию информации. При таком подходе легко сойти на позиции субъективизма, ставящего объективно существующее в зависимость от воспринимающего субъекта.

При всех различиях в трактовке понятия информации, бесспорно то, что проявляется информация всегда в материально-энергетической форме в виде сигналов. Информацию, представленную в формализованном виде, позволяющем осуществить ее обработку с помощью технических средств, называют данными.

 

 

1.2. Виды и свойства информации [2].

Среди различных видов информации мы выделим два: биологическую и социальную. Под биологической информацией понимают такую информацию, которая обеспечивает жизнедеятельность отдельно взятого живого организма. К разновидности биологической информации относят генетическую информацию, обеспечивающую сохранение вида. Материальными носителями биологической информации являются высокомолекулярные химические соединения, сигналы химической и электрохимической природы.

Социальная информация неразрывно связана с практической деятельностью человека, поэтому можно выделить столько типов и разновидностей, сколько имеется видов деятельности человека. Примерами могут служить политическая, эстетическая, этическая, экономическая, технологическая, измерительная, научно-техническая информация. Возможны различные классификации по различным признакам.

Приведем в качестве примера одну из таких классификаций социальной информации, согласно которой выделяется два основных класса: массовая (общая) и специальная информация.

Массовая информация – социальная информация, адресованная всем членам общества независимо от их положения и рода занятий.

Специальная информация адресована не всем членам общества, а определенным социальным группам (например, ученым данной специальности, экономистам, рабочим некоторой профессии и т.д.). Для восприятия этой информации необходим первоначальный запас специальных знаний и владение профессиональным языком. Укажем некоторые, наиболее важные разновидности специальной социальной информации.

1. Научная информация получается в результате научно-исследовательской деятельности. Научную информацию можно определить как передаваемое в информационном процессе научное знание. Научная информация, как и научное знание, является результатом абстрактно-логического мышления и адекватно отражает объективные закономерности, явления и процессы реального мира, общества и духовной деятельности людей; она должна быть получена научными методами, обеспечивающими истинность знания.

2. Техническая информация создается в сфере техники и предназначена для решения технических задач (разработка новых технических изделий, материалов, технологических процессов и т.п.).

Структура и свойства научной и технической информации весьма близки, поэтому эти два вида часто объединяют термином «научно-техническая информация». Однако, различая науку и технику как сферы общественного производства, мы должны различать и информационные процессы, характерные для этих сфер, в частности документы, предназначенные для техники (патенты, стандарты, конструкторская документация) или преимущественно для науки (отчеты о научно-исследовательских работах, монографии, теоретические журналы, сборники научных трудов и т.д.).

3. Технологическая информация непосредственно используется в сфере материального производства для создания материальных благ (пищи, одежды, машин и т.д.).

4. Планово-экономическая информация о состоянии и перспективах развития народного хозяйства используется для планирования управления общественным производством.

Информация обладает некоторыми общими для всех ее видов свойствами. Важными свойствами информации являются структурированность и ценность.

Структурированность информации – это свойство, которое позволяет рецептивной системе выделять информацию из физических процессов или объектов, воспринимать некоторые явления внешнего мира как сигналы. В соответствии с этим свойством в любом сигнале выделяются его структурные, идентифицирующие и информативные параметры. Структурирование информации происходит параллельно с формированием модели внешнего мира, а зачастую является первым этапом в научных исследованиях.

Свойство структурированности информации наглядно проявляется в тексте, написанном, например, на естественном языке. Текст можно рассматривать как цепочку символов, в которой порядковый номер символа является дискретным структурным параметром, а элемент цепочки – символ, принимающий одно из возможных значений из некоторого известного набора символов, - является информативным параметром.

Ценность информации выражается в таких понятиях, как содержательность, своевременность, полнота, достоверность, оперативность.

 

 

1.3. Этапы обращения информации [1].

В инфокоммуникационных системах роль информации условно можно ограничить двумя факторами: 1) эмоциональным воздействием на человека; 2) выработкой управляющих воздействий в чисто технических и человеко-машинных системах.

При обращении информации в системах можно выделить отдельные этапы [1]. Так как материальным носителем информации является сигнал, то реально это будут этапы обращении и преобразования сигналов (рис.1.1.).

 

 

Отображение

Передача (хранение)

Подготовка

Обработка

Рис.1.1.

На этапе восприятия информации осуществляется целенаправленное извлечение и анализ информации о каком-либо объекте (процессе), в результате чего формируется образ объекта, проводятся его опознание и оценка. При этом необходимо отделить интересующую вас в данном случае информацию от мешающей (шумов), что в ряде случаев связано со значительными трудностями. Простейшим видом восприятия является различие двух противоположных состояний: наличия («да») и отсутствия («нет»), более сложным – измерение.

На этапе подготовки информации проводятся такие операции, как нормализация, аналого-цифровое преобразование, шифрование. Иногда этот этап рассматривается как вспомогательный на этапе восприятия. В результате восприятия и подготовки получается сигнал в форме, удобной для передачи или обработки.

На этапах передачи и хранения информация пересылается либо из одного места в другое, либо от одного момента времени до другого. Поскольку теоретические задачи, возникающие на этих этапах, близки друг другу, этап хранения информации часто в самостоятельный этап не выделяется. При этом передача информации получает более широкое толкование. Для передачи на расстояние используются каналы различной физической природы, самыми распространенными из которых являются электрические и электромагнитные. В последнее десятилетие получил признание также перспективный оптический канал. Для хранения информации используются в основном полупроводниковые и магнитные носители. Извлечение сигнала на выходе канала, подверженного действию шумов носит характер вторичного восприятия.

На этапах обработки информации выявляются ее общие и существенные взаимозависимости, представляющие интерес для системы. Преобразование информации на этапе обработки (как и на других этапах) осуществляется либо средствами информационной техники, либо человеком. Если процесс обработки формализуем, он может выполняться техническими средствами. В современных сложных системах эти функции возлагаются на ЭВМ и микропроцессоры. Если процесс обработки не поддается формализации и требует творческого подхода, обработка информации осуществляется человеком. В системах управления важнейшей целью обработки является решение задачи выбора управляющих воздействий (этап принятия решения).

Этап отображения информации должен предшествовать этапам, связанным с участием человека. Цель этапа отображения – предоставить человеку нужную ему информацию с помощью устройств, способных воздействовать на его органы чувств.

На этапе воздействия информация используется для осуществления необходимых изменений в системе.

 

 

1.4. Информационные системы [1].

Совокупность средств информационной техники и людей, объединенных для достижения определенных целей или для управления, образуют информационную систему, к которой по мере надобности подключаются абоненты (люди или устройства), поставляющие и использующие информацию.

Информационные системы, действующие без участия человека, называют автоматическими. За человеком в таких системах остаются функции контроля и обслуживания.

Информационные системы (включая и автоматизированные) нашли широкое применение во всех отраслях народного хозяйства в первую очередь как информационно-справочные и информационно-советующие системы, системы управления технологическими процессами и коллективами людей. Большинство из них являются локальными системами и функционируют на уровне предприятий и учреждений. В настоящее время происходит интенсивный процесс интеграции таких систем в системы производственных объединений и далее – в отраслевые и ведомственные системы.

Системы более высокого уровня становятся территориально рассредоточенными, иерархичными как по функциональному принципу, так и по реализации их техническими средствами. Обеспечение взаимодействия территориально рассредоточенных систем требует протяженных высокоскоростных и надежных каналов связи, а увеличение объема обрабатываемой информации – ЭВМ высокой производительности. Это привело к необходимости коллективного использования дорогостоящих средств автоматизации (ЭВМ и линий связи) и обрабатываемой информации (банков и баз данных). Техническое развитие, как самих электронных вычислительных машин, так и средств связи позволило решить эту проблему путем перехода к созданию распределенных инфокоммуникационных сетей коллективного пользования.

Централизация различных видов информации в одной сети дает возможность использовать ее для решения широкого спектра задач, связанных с административным управлением, планированием, научными исследованиями, конструкторскими разработками, технологией производства, снабжением, учетом и отчетностью.

Уже сегодня использование Internet позволяет отказаться от многих традиционных форм массового общения, таких, как телефон, телеграф, почта, отдельные справочные службы и, кроме этого, является информационной поддержкой для преподавателей и студентов.

Наиболее распространенными информационными системами являются системы, обеспечивающие передачу информации из одного места в другое (системы связи) и от одного момента времени до другого (системы хранения информации). Обе разновидности систем передачи информации имеют много общего в принципиальных вопросах обеспечения эффективности функционирования. Их применяют как самостоятельные системы и как подсистемы в составе любых более сложных информационных систем.

Последующее изложение будем вести в основном применительно к системам связи, подразумевая возможность интерпретации основных понятий и выводов к другим информационным системам.

 

 

1.5. Система передачи информации [1].

Любая система связи есть система передачи. Структурная схема типовой системы связи приведена на рис.1.2.

1 2 3 4 5

Сообщение Сигнал Помехи Сигнал + Помеха Сообщение

 

Рис.1.2. Структурная схема системы связи.

Информация поступает в систему в форме сообщений. Под сообщением понимают совокупность знаков (или первичных сигналов) содержащих и несущих информацию. Объект, к которому относятся эти сведения, называют источником сообщений (блок 1 на рис.1.2.).

Источник сообщений в общем случае образует совокупность источника информации ИИ (исследуемого или наблюдаемого объекта) и первичного преобразователя ПП (датчика, человека-оператора и т.п.), воспринимающего информацию о его состояниях или протекающем в нем процессе. Различают дискретные и непрерывные сообщения.

Дискретные сообщения формируются в результате последовательной выдачи источником отдельных элементов - знаков.

Под знаком понимается материальный предмет (явление, событие), который служит представителем, заместителем другого предмета и используется для приобретения, хранения и передачи информации о последнем. Классификация знаков может быть различной. Прежде всего, следует различать знаки, входящие в структурно-целостную, четко организованную знаковую систему, и знаки относительно свободные, не противопоставляемые никаким другим знакам или образующие небольшие группы, - внесистемные знаки.

Примерами знаков, объединенных в систему, являются знаками дорожного движения, система цветов светофора, музыка, речь и языки, как естественные, так и искусственные – алгоритмические, информационно-поисковые и др. Они образуют системы, подчиняющиеся внутренним законам.

Внесистемные знаки – это или остатки некоторых некогда существовавших знаковых систем, или знаки, созданные временно, обычно в небольших коллективах людей. Внесистемными знаками являются восклицания, междометия, жесты, которые, по мнению некоторых ученых, входили прежде в систему, образующую прото-язык. Так, в настоящее время «обломками» некогда существовавшей знаковой системы – языка жестов и поз – являются жесты подзывания, приветствия, некоторые другие, которые не считаются противопоставленными; их значение явно выражено в их форме.

Множество различных знаков называют алфавитом (ансамблем) источника сообщений, а число знаков – объемом алфавита источника при передаче текста – это обычный алфавит данного языка; при передаче команд – перечень возможных команд, при передаче цифровых кодов – символов, принятой системы счисления; при передаче сообщения о состоянии системы – перечень возможных сообщений системы или ее составных частей и т.д. В дальнейшем для краткости элементарные сообщения будем называть символами. В случае, когда для передачи отдельных символов используется сложная кодовая последовательность, элементы последней, в отличие от символов алфавита, будем называть элементарными символами.

Непрерывные сообщения не разделимы на элементы. Они описываются функциями времени, принимающими непрерывное множество значений. Типичными примерами непрерывных сообщений могут служить речь, телевизионное изображение. В современных системах связи, с целью повышения качества передачи, непрерывные сообщения преобразуются в дискретные (цифровые).

Для передачи сообщения по каналу связи ему необходимо поставить в соответствие определенный сигнал. В информационных системах (системах связи) под сигналом понимают физический процесс, отображающий (несущий) сообщение. Преобразование сообщения в сигнал, удобный для передачи по данному каналу связи. Осуществляется в два-три этапа. В типовой системе связи (рис.1.2.) передаваемые сообщения, поступающие от источника информации, представляют собой случайную последовательность некоторых элементов u₁, u₂ … u_n (последовательность слов, букв, цифр и т.п.).

Кодирующее устройство преобразует по определенному закону последовательность элементов сообщения u в другую последовательность а, составленную из элементов кода а₁, а₂ … а_m.

Способы кодирования могут быть различными. Устройство, выполняющее такую операцию, называют кодирующим или кодером К.

Так как алфавит символов меньше алфавита знаков, то каждому знаку соответствует некоторая последовательность символов, которую называют кодовой комбинацией. Число символов в кодовой комбинации называют ее значностью, число ненулевых символов – весом.

Аналогично, для операции сопоставления символов кода со знаками исходного алфавита используется термин «декодирование». Техническая реализация ее осуществляется декодирующим устройством или декодером ДК. В простейшей системе связи кодирующее, а следовательно, и декодирующее устройство может отсутствовать.

Передающее устройство осуществляет преобразование непрерывных сообщений или знаков в сигналы, удобные для прохождения по конкретной линии связи (либо для хранения в некотором запоминающем устройстве). При этом один или несколько параметров выбранного носителя изменяют в соответствии с передаваемой информацией. Такой процесс называют модуляцией. Он осуществляется модулятором М. Обратное преобразование сигналов в символы производится демодулятором ДМ.

Под линией связи понимают физическую среду (воздух, металл, магнитная лента, коаксиальный кабель, волоконно-оптическая линия, эфир и т.п.) обеспечивающую поступления сигналов от передающего устройства к приемному. Сигналы на выходе линии связи могут отличаться от переданных вследствие затухания, искажения и воздействия помех. Помехами называют любые мешающие возмущения, как внешние (атмосферные помехи, промышленные помехи), так и внутренние (источником которых является сама аппаратура связи), вызывающие случайные отклонения принятых сигналов от переданных. Эффект воздействия помех на различные блоки системы стараются учесть эквивалентным изменением характеристик линии связи. Поэтому источник помех условно относят к линии связи.

Из смеси сигнала и помехи приемное устройство выделяет сигнал и посредством декодера восстанавливает сообщение, которое в общем случае может отличаться от посланного. Меру соответствия принятого сообщения посланному называют верностью передачи. Обеспечение заданной верности передачи сообщений – важнейшая цель системы связи.

Принятое сообщение с выхода системы связи поступает к абоненту- получателю, которому была адресована исходная информация.

Каналами связи принято называть совокупность технических средств, служащих для передачи сообщений от источника к получателю. Этими средствами являются передатчик, линия связи и приемник. Канал связи вместе с источником и получателем информации образуют систему связи.

По типу передаваемых сообщений системы связи можно разделить на дискретные и непрерывные (аналоговые). Примером дискретных систем является цифровые системы передачи. Системы радиотелефонии и телевидения при аналоговых способах модуляции можно отнести к типу непрерывных систем. Системы передачи непрерывных сообщений при помощи импульсно-кодовой модуляции можно относить и к типу смешанных систем.

 

 

1.6. Уровни проблем передачи информации [1].

Обмен информацией предполагает использование некоторой системы знаков, например, естественного или искусственного (формального) языка. Информация о непрерывных процессах также может быть выражена посредством знаков.

Изучение знаковых систем наукой о знаках, словах и языках (семиотикой) производится, по крайней мере, на трех уровнях:

- на синтактическом уровне рассматривают внутренние свойства текстов, т.е. отношения между знаками, отражающие структуру данной знаковой системы. Внешние свойства текстов изучают на семантическом и прагматическом уровнях;

- на семантическом уровне анализируют отношения между знаками и обозначаемыми ими предметами, действиями, качествами, т.е. смысловое содержание текста, его отношение к источнику информации;

- на прагматическом уровне рассматривают отношения между текстом и теми, кто его использует, т.е. потребительское содержание текста, его отношение к получателю.

Учитывая определенную взаимосвязь проблем передачи информации с уровнями изучения знаковых систем, их разделяют на проблемы синтактического, семантического и прагматического уровней.

Проблемы синтактического уровня касаются создания теоретических основ построения систем связи, основные показатели функционирования которых были бы близки к предельно возможным, а также совершенствования существующих систем с целью повышения эффективности их использования. Это чисто технические проблемы совершенствования методов передачи сообщений и их материального воплощения – сигналов. Иначе говоря, на этом уровне интересуют проблемы доставки получателю сообщений как совокупности знаков, при этом полностью абстрагируемся от их смыслового и прагматического содержания.

Основу интересующей нас теории информации составляют результаты решения ряда проблем именно этого уровня. Она опирается на понятие «количество информации», являющееся мерой частоты употребления знаков, которая никак не отражает ни смысла, ни важности передаваемых сообщений. В связи с этим иногда говорят, что теория информации находится на синтактическом уровне при разработке новых (современных) инфокоммуникационных технологий. С проблемами семантического и прагматического уровней можно познакомиться самостоятельно по литературе [1]. Следует отметить, что в количественной оценке семантической и прагматической информации сделаны лишь первые шаги.

 

1.7. О смысле «Теории информации» в системе связи [1].

Возникновение теории информации связывают обычно с появлением фундаментальной работы американского ученого К.Шеннона «Математическая теория связи» (1948). Именно теория связи и никакие другие аспекты теории информации: физические, философские и т.д., не рассматриваются.

Однако в теорию информации органически вошли и результаты, полученные другими учеными, например Р.Хартли, впервые предложившим количественную меру информации (1928), акад. В.А. Котельниковым, сформулировавшим важнейшую теорему о возможности представления непрерывной функции совокупностью ее значений в отдельных точках отсчета (1933) и разработавшим оптимальные методы приема сигналов на фоне помех (1946), акад. А.Н. Колмогоровым, внесшим огромный вклад в статистическую теорию колебаний, являющуюся математической основой теории информации (1941).

В последующие годы теория информации получила дальнейшее развитие в трудах многочисленных отечественных и зарубежных авторов.

К теории информации в ее узкой классической постановке относят результаты решения ряда фундаментальных теоретических вопросов, касающихся повышения эффективности функционирования систем связи. Это в первую очередь:

- анализ сигналов как средства передачи сообщений, включающий вопросы оценки переносимого ими «количества информации»;

- анализ информационных характеристик источников сообщений и каналов связи и обоснование принципиальной возможности кодирования и декодирования сообщений, обеспечивающих предельно допустимую скорость передачи сообщений по каналу связи как при отсутствии, так и при наличии помех.

Прикладные результаты рассматриваются только для пояснения основ теории. При более широкой трактовке теории информации результаты рассмотрения указанных вопросов составляют ее основу.

Если расширение связано с приложением теории в технике связи – рассмотрением проблемы разработки конкретных методов и средств кодирования сообщений, то совокупность излагаемых вопросов называют теорией информации и кодирования или основы теории информации.

Широкое использование идей теории информации в различных областях науки связано с тем, что в основе своей эта теория математическая. Основные ее понятия (энтропия, количество информации, пропускная способность) определяются только через вероятности событий, которым может быть приписано самое различное физическое содержание. Подход к исследованиям в других областях науки с позиций использования основных идей теории информации получил название теоретико-информационного подхода.

Содержание конспекта лекций по дисциплине «Основы теории информации» ограничивается вопросами основ теории информации и кодирования в применении в областях инфокоммуникационных технологий (системах связи).

Основы теории информации являются одним из основных курсов при подготовки инженеров телекоммуникаций и информатики, специализирующихся в области систем связи (инфокоммуникационных систем). Функционирование таких систем существенным образом связано с получением, подготовкой, передачей, хранением и обработкой информации.

 

 

1.8. Контрольные вопросы к разделу 1 в форме «задание-тест».

1. Объем информации, необходимой для нормального функционирования современного общества в соответствии с развитием производительных сил: