Теория информационных процессов и систем

Системные исследования. При таком подходе понятия теории систем используются более конструктивно: определяется класс систем, вводится понятие структуры, а иногда и правила ее формирования и т. п. Это следующий шаг в системных направлениях. В поисках конструктивных рекомендаций появились системные направления с разными названиями: системотехника, системология и др. Для их обобщения и стал применяться термин «системные исследования». При системных исследованиях используется аппарат исследования операций.

Системный анализ. В настоящее время системный анализ является наиболее конструктивным направлением. Системный анализ - это методология исследования целенаправленных систем (Д. Киланд, В. Кинг). В работах по системному анализу всегда предлагается методология проведения исследовании, делается попытка выделить этапы исследования и предложить методику выполнения этих этапов в конкретных условиях. В этих работах всегда уделяется особое внимание определению целей системы, вопросам формализации представления целей.

Термин «системный анализ» впервые появился в связи с задачами военного управления в исследованиях RAND Corporation (1948), а в отечественной литературе получил широкое распространение после выхода в 1969 г. книги С. Оптнера «Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем».

Вначале работы по системному анализу в большинстве случаев базировались на идеях теории оптимизации и исследования операций. При этом особое внимание уделялось стремлению в той или иной форме получить выражение, связывающее цель со средствами, аналогичное критерию функционирования или показателю эффективности, т, е. отобразить объект в виде хорошо организованной системы.

Позднее системный анализ начинают определять как «процесс последовательного разбиения изучаемого процесса на подпроцессы» (С. Янг). При этом основное внимание уделяют поиску приемов, позволяющих организовать решение сложной проблемы путем расчленения ее на подпроблемы и этапы, для которых становится возможным подобрать методы исследования и исполнителей. В большинстве работ стремились представить многоступенчатое расчленение в виде иерархических структур типа «дерева», но в ряде случаев разрабатывались методики получения вариантов структур, определяемых временными последовательностями функций.

В настоящее время системный анализ развивается применительно к проблемам планирования и управления. Этот термин стал практически неотделим от терминов «целеобразование» и «программно-целевое планирование и управление». В современных работах системы анализируются как целое, рассматривается роль процессов целеобразования в развитии целого, роль человека.

Теория систем с точки зрения системного анализа проблемы включает три основных научных направления:

· кибернетику как науку об управлении, включающую анализ информационных процессов в системах с управлением;

· исследование операций как науку, дающую количественное обоснование степени соответствия управления целевому назначению системы;

· экономические исследования (технико-экономические, военно-экономические исследования), дающие возможность анализировать процесс функционирования основных средств системы.

Методы и модели описания систем

Методы описания систем классифицируются в порядке возрастания степени их формализованности, т.е. от качественных методов, с которыми в основном и связан был первоначально системный анализ, до количественного системного моделирования с применением компьютеров. Разделение методов накачественные и количественные носит, конечно, условный характер.

В качественных методах основное внимание уделяется организации постановки задачи, новому этапу ее формализации, формированию вариантов, выбору подхода к оценке вариантов, использованию опыта человека, его предпочтений, которые не всегда могут быть выражены в количественных оценках.

Количественные методы связаны с анализом вариантов, с их количественными характеристиками корректности, точности и т. п. Для постановки задачи эти методы не имеют средств, почти полностью оставляя осуществление этого этапа за человеком.

Между этими двумя классами методов системного анализа имеются методы, которые стремятся охватить оба этапа - этап постановки задачи, разработки вариантов и этап оценки и количественного анализа вариантов, - но делают это с привлечением разных исходных концепций и терминологий, с разной степенью формализованности. Среди них:

· кибернетический подход к разработке адаптивных систем управления, проектирования и принятия решений, который исходит из развития основных идей классической теории автоматического регулирования и управления и теории адаптивных систем применительно к организационным системам;

· информационно-гносеологический подход к моделированию систем, основанный на общности процессов отражения, познания в системах различной физической природы;

· системно-структурный подход;

· метод ситуационного моделирования;

· метод имитационного динамического моделирования.



Лекция 13. Качественные методы описания систем (типа мозговой атаки, типа сценариев, экспертных оценок, типа Дельфи, типа дерева целей, морфологические, ...)

Качественные методы описания систем

Качественные методы системного анализа применяются, когда отсутствуют описания закономерностей систем в виде аналитических зависимостей.

Методы типа мозговой атаки. Концепция «мозговой атаки» получила широкое распространение с начала 50-х годов как метод систематической тренировки творческого мышления, нацеленный на открытие новых идей и достижение согласия группы людей на основе интуитивного мышления. Методы этого типа известны также под названиями «мозговой штурм», «конференция идей», а в последнее время наибольшее распространение получил термин «коллективная генерация идей» (КГИ).

Обычно при проведении мозговой атаки или сессий КГИ стараются выполнять определенные правила, суть которых:

· обеспечить как можно большую свободу мышления участников КГИ и высказывания ими новых идей;

· приветствуются любые идеи, если вначале они кажутся сомнительными или абсурдными (обсуждение и оценка идей производится позднее);

· не допускается критика, не объявляется ложной и не прекращается обсуждение ни одной идеи;

· желательно высказывать как можно больше идей, особенно нетривиальных.

Подобием сессий КГИ можно считать разного рода совещания - конструктораты, заседания научных советов по проблемам, заседания специально создаваемых временных комиссий и другие собрания компетентных специалистов.

Методы типа сценариев. Методы подготовки и согласования представлений о проблеме или анализируемом объекте, изложенные в письменном виде, получили название сценария. Первоначально этот метод предполагал подготовку текста, содержащего логическую последовательность событий или возможные варианты решения проблемы, развернутые во времени. Однако позднее обязательное требование явно выраженных временных координат было снято, и сценарием стали называть любой документ, содержащий анализ рассматриваемой проблемы или предложения по ее решению, по развитию системы независимо от того, в какой форме он представлен. Как правило, предложения для подготовки подобных документов пишутся вначале индивидуально, а затем формируется согласованный текст.

На практике по типу сценариев разрабатывались прогнозы в некоторых отраслях промышленности. В настоящее время разновидностью сценариев можно считать предложения к комплексным программам развития отраслей народного хозяйства, подготавливаемые организациями или специальными комиссиями.

Сценарий является предварительной информацией, на основе которой проводится дальнейшая работа по разработке вариантов проекта. Он может быть подвергнут анализу, чтобы исключить из дальнейшего рассмотрения то, что в учитываемом периоде находится на достаточном уровне развития, если речь идет о прогнозе, или, напротив, то, что не может быть обеспечено в планируемом периоде, если речь идет о проекте. Таким образом, сценарий помогает составить представление о проблеме, а затем приступить к более формализованному представлению системы в виде графиков, таблиц для проведения экспертного опроса и других методов системного анализа.

Методы экспертных оценок. Термин «эксперт» происходит от латинского слова означающего «опытный». При использовании экспертных оценок обычно предполагается, что мнение группы экспертов надежнее, чем мнение отдельного эксперта. В некоторых теоретических исследованиях отмечается, что это предположение не является очевидным.

Все множество проблем, решаемых методами экспертных оценок, делится на два класса. К первому относятся такие проблемы, в отношении которых имеется достаточное обеспечение информацией. При этом методы опроса и обработки основываются на использовании принципа «хорошего измерителя», т. е. эксперт - качественный источник информации; групповое мнение экспертов близко к истинному решению. Ко второму классу относятся проблемы, в отношении которых знаний для уверенности в справедливости указанных гипотез недостаточно. В этом случае экспертов уже нельзя рассматривать как «хороших измерителей» и необходимо осторожно подходить к обработке результатов экспертизы во избежание больших ошибок. В литературе в основном рассматриваются вопросы экспертного оценивания для решения задач первого класса.

Методы типа «Дельфи». Это методы экспертной оценки. Название этих методов связано с древнегреческим городом Дельфи, где при храме Аполлона с IX в. до н.э. до IV в. н.э. по преданиям существовал Дельфийский оракул.

Суть метода Дельфи заключается в следующем. В отличие от традиционного подхода к достижению согласованности мнений экспертов путем открытой дискуссии метод Дельфи предполагает полный отказ от коллективных обсуждений. Это делается для того, чтобы уменьшить влияние таких психологических факторов, как присоединение к мнению наиболее авторитетного специалиста, нежелание отказаться от публично выраженного мнения, следование за мнением большинства. В методе Дельфи прямые дебаты заменены тщательно разработанной программой последовательных индивидуальных опросов, проводимых обычно в форме анкетирования. Ответы экспертов обобщаются и вместе с новой дополнительной информацией поступают в распоряжение экспертов, после чего они уточняют свои первоначальные ответы. Такая процедура повторяется несколько раз до достижения приемлемой сходимости совокупности высказанных мнений. Результаты эксперимента показали приемлемую сходимость оценок экспертов после пяти туров опроса.

Метод Дельфи первоначально был предложен О. Хелмером как итеративная процедура при проведении мозговой атаки, которая должна помочь снизить влияние психологических факторов при проведении повторных заседаний и повысить объективность результатов. Однако почти одновременно Дельфи-процедуры стали основным средством повышения объективности экспертных опросов с использованием количественных оценок при оценке деревьев цели и при разработке сценариев.

Процедура Дельфи-метода:

1. в упрощенном виде организуется последовательность циклов мозговой атаки;

2. в более сложном виде разрабатывается программа последовательных индивидуальных опросов обычно с помощью вопросников, исключая контакты между экспертами, но предусматривающая ознакомление их с мнениями друг друга между турами; вопросники от тура к туру могут уточняться;

3. в наиболее развитых методиках экспертам присваиваются весовые коэффициенты значимости их мнений, вычисляемые на основе предшествующих опросов, уточняемые от тура к туру и учитываемые при получении обобщенных результатов оценок.

Первое практическое применение метода Дельфи к решению некоторых задач Министерства обороны США во второй половине 40-х годов, показало его эффективность и целесообразность распространения на широкий класс задач, связанных с оценкой будущих событий.

Исследуемые проблемы: научные открытия, рост народонаселения, автоматизация производства, освоение космоса, предотвращение войны, военная техника. Результаты статистической обработки мнений экспертов позволили нарисовать вероятную картину будущего мира в указанных шести аспектах. Была оценена также степень согласованности мнений экспертов, которая оказалась приемлемой после проведения четырех туров опроса.

Недостатки метода Дельфи:

· значительный расход времени на проведение экспертизы, связанный с большим количеством последовательных повторений оценок;

· необходимость неоднократного пересмотра экспертом своих ответов вызывает у него отрицательную реакцию, что сказывается на результатах экспертизы.

Дальнейшим развитием метода Дельфи являются методы QUWST, SEER, PATTERN.

Методы типа дерева целей. Идея метода дерева целей впервые была предложена Черчменом в связи с проблемами принятия решений в промышленности. Термин «дерево целей» подразумевает использование иерархической структуры, полученной путей разделения общей цели на подцели, а их, в свою очередь, на более детальные составляющие - новые подцели, функции и т. д. Как правило, этот термин используется для структур, имеющих отношение строгого древесного порядка, но метод дерева целей используется иногда и применительно к «слабым» иерархиям, в которых одна и та же вершина нижележащего уровня может быть одновременно подчинена двум или нескольким вершинам вышележащего уровня.

Древовидные иерархические структуры используются и при исследовании и совершенствовании организационных структур. Не всегда разрабатываемое даже для анализа целей дерево может быть представлено в терминах целей. Иногда, например, при анализе целей научных исследований удобнее говорить о дереве направлений прогнозирования. В. М. Глушковым был предложен и в настоящее время широко используется термин «прогнозный граф». При использовании этого понятия появляется возможность более точно определить понятие дерева как связного ориентированного графа, не содержащего петель, каждая пара вершин которого соединяется единственной цепью.

Морфологические методы. Основная идея морфологических методов - систематически находить все «мыслимые» варианты решения проблемы или реализации системы путем комбинирования выделенных элементов или их признаков. Идеи морфологического образа мышления восходят к Аристотелю, Платону, к известной средневековой модели механизации мышления Р. Луллия. В систематизированном виде морфологический подход был разработан и применен впервые швейцарским астрономом Ф. Цвикки и долгое время был известен как метод Цвикки.

Цвикки предложил три метода морфологического исследования.

Первый метод - метод систематического покрытия поля (МСПП), основанный на выделении так называемых опорных пунктов знания в любой исследуемой области и использовании для заполнения поля некоторых сформулированных принципов мышления.

Второй метод - метод отрицания и конструирования (МОК), базирующийся на идее Цвикки, заключающейся в том, что на пути конструктивного прогресса стоят догмы и компромиссные ограничения, которые есть смысл отрицать, и, следовательно, сформулировав некоторые предложения, полезно заменить их затем на противоположные и использовать при проведении анализа.

Третий метод - метод морфологического ящика (ММЯ), нашедший наиболее широкое распространение. Идея ММЯ состоит в определении всех «мыслимых» параметров, от которых может зависеть решение проблемы, и представлении их в виде матриц-строк, а затем в определении в этом морфологическом матрице-ящике всех возможных сочетаний параметров по одному из каждой строки. Полученные таким образом варианты могут затем подвергаться оценке и анализу с целью выбора наилучшего. Морфологический ящик может быть не только двумерным. Например, А. Холл использовал для исследования структуры систем трехмерный ящик.

Морфологические ящики Цвикки нашли широкое применение для анализа и разработки прогноза в технике. Для организационных же систем, систем управления такой ящик, который, по-видимому, был бы многомерным, практически невозможно построить. Поэтому, используя идеюморфологического подхода для моделирования организационных систем, разрабатывают языки моделирования или языки проектирования, которые применяют для порождения возможных ситуаций в системе, возможных вариантов решения и как вспомогательное средство формирования нижних уровней иерархической структуры при моделировании структуры целей и при моделировании организационных структур. Примерами таких языков служат: системно-структурные языки (язык функций и видов структуры, номинально-структурный язык), язык ситуационного управления, языки структурно-лингвистического моделирования.

Методика системного анализа. Методики, реализующие принципы системного анализа в конкретных условиях, направлены на то, чтобы формализовать процесс исследования системы, процесс поставки и решения проблемы. Методика системного анализа разрабатывается и применяется в тех случаях, когда у исследователя нет достаточных сведений о системе, которые позволили бы выбрать адекватный метод формализованного представления системы.

Общим для всех методик системного анализа является формирование вариантов представления системы (процесса решения задачи) и выбор наилучшего варианта. Положив в основу методики системного анализа эти два этапа, их затем можно разделить на подэтапы.

Например, первый этап можно разделить следующим образом:

1. Отделение (или ограничение) системы от среды.

2. Выбор подхода к представлению системы.

3. Формирование вариантов (или одного варианта -- что часто делают, если система отображена в виде иерархической структуры) представления системы.

Второй этап можно представить следующими под этапами:

1. Выбор подхода к оценке вариантов.

2. Выбор критериев оценки и ограничений.

3. Проведение оценки.

4. Обработка результатов оценки.

5. Анализ полученных результатов и выбор наилучшего варианта (или корректировка варианта, если он был один).

В настоящее время трудно привести примеры методик, в которых все этапы были бы проработаны равноценно.



Лекция 14. Количественные методы описания систем. Уровни абстрактного описания систем (символический, теоретико-множественный, абстрактно-алгебраический, топологический, логико-математический, ...)

Количественные методы описания систем

При создании и эксплуатации сложных систем требуется проводить многочисленные исследования и расчеты, связанные с количественными характеристиками систем:

· оценкой показателей, характеризующих различные свойства систем;

· выбором оптимальной структуры системы;

· выбором оптимальных значений ее параметров.

Выполнение таких исследований возможно лишь при наличии математического описания процесса функционирования системы, т. е. ее математической модели.

Сложность реальных систем не позволяет строить для них «абсолютно» адекватные модели. Математическая модель (ММ) описывает некоторый упрощенный процесс, в котором представлены лишь основные явления, входящие в реальный процесс, и лишь главные факторы, действующие на реальную систему.

Какие явления считать основными и какие факторы главными - существенно зависит от назначения модели, от того, какие исследования с ее помощью предполагается проводить. Поэтому процесс функционирования одного и того же реального объекта может получить различные математические описания в зависимости от поставленной задачи.

Так как математических моделей сложной системы может быть сколько угодно много и все они определяются принятым уровнем абстрагирования, то рассмотрение задач на каком-либо одном уровне абстракции позволяет дать ответы на определенную группу вопросов, а для получения ответов на другие вопросы необходимо провести исследование уже на другом уровне абстракции. Каждый из возможных уровней абстрагирования обладает ограниченными, присущими только данному уровню абстрагирования возможностями. Для достижения максимально возможной полноты сведений необходимо изучить одну и ту же систему на всех целесообразных для данного случая уровнях абстракции.

Наиболее пригодными являются следующие уровни абстрактного описания систем:

??????символический (иначе: лингвистический);

??????теоретико-множественный;

??????абстрактно-алгебраический;

??????топологический;

??????логико-математический;

??????теоретико-информационный;

??????динамический;

??????эвристический.

Условно первые четыре уровня относятся к высшим уровням описания систем, а последние четыре - к низшим.

Высшие уровни описания систем. Лингвистический уровень описания - наиболее высокий уровень абстрагирования. Из него как частные случаи можно получить другие уровни абстрактного описания систем более низкого ранга. Процесс формализации в математике обычно понимают как отвлечение от изменчивости рассматриваемого объекта. Поэтому формальные построения наиболее успешно используются, когда удается с предметами или процессами действительности каким-то образом сопоставлять некоторые стабильные, неизменные понятия.

На теоретико-множественном уровне абстракции можно получить только общие сведения о реальных системах, а для более конкретных целей необходимы другие абстрактные модели, которые позволили бы производить более тонкий анализ различных свойств реальных систем. Эти более низкие уровни абстрагирования, в свою очередь, являются уже частными случаями по отношению к теоретико-множественному уровню формального описания систем.

Если на элементах рассматриваемых множеств определены некоторые топологические структуры, то в этом случае приходим к топологическому уровню абстрактного описания систем. При этом может быть использован язык общей топологии или ее ветвей, именуемых гомологической топологией, алгебраической топологией и т. д.

Низшие уровни описания систем. Логико-математический уровеньописания систем нашел широкое применение для: формализации функционирования автоматов; задания условий функционирования автоматов; изучения вычислительной способности автоматов.

Понятие «автомат» (от греч. automatos -- самодействующий) имеет следующие значения:

1. устройство, выполняющее некоторый процесс без непосредственного участия человека. В глубокой древности это часы, механические игрушки, со второй половины XVIII в. Широкое применение в промышленности для замены физического труда человека; в 40 - 50-х годах XX в. появились автоматы для выполнения некоторых видов умственного труда; автоматические вычислительные машины и другие кибернетические устройства. Применение автоматов значительно повышает производительность труда, скорость и точность выполнения операций. Освобождает человека от утомительного однообразного труда, для защиты человека от условий, опасных для жизни или вредных для здоровья. Автоматы используются там, где невозможно присутствие человека (высокая температура, давление, ускорение, вакуум и т. д.);

2. математическое понятие, математическая модель реальных (технических) автоматов. Абстрактно автомат можно представить как некоторое устройство («черный ящик»), имеющее конечное число входных и выходных каналов и некоторое множество внутренних состояний. На входные каналы извне поступают сигналы, и в зависимости от их значения и от того, в каком состоянии он находился, автомат переходит в следующее состояние и выдает сигналы на свои выходные каналы. С течением времени входные сигналы изменяются, соответственно изменяются и состояние автомата, и его выходные каналы. Таким образом, автомат функционирует во времени;

3. в узком смысле автомат употребляется для обозначения так называемых синхронных дискретных автоматов. Такие автоматы имеют конечные множества значений входных и выходных сигналов, называемых входным и выходным алфавитом. Время разбивается на промежутки одинаковой длительности (такты): на протяжении всего такта входной сигнал, состояние и выходной сигнал не изменяются. Изменения происходят только на границах тактов. Следовательно, время можно считать дискретным t=1,2, ..., n.

При любом процессе управления или регулирования, осуществляемом живым организмом или автоматически действующей машиной либо устройством, происходит переработка входной информации в выходную. Поэтому при теоретико-информационном уровне абстрактного описания систем информация выступает как свойство объектов и явлений (процессов) порождать многообразие состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатлеваются в его структуре (возможно, в измененном виде).

Динамический уровень абстрактного описания систем связан с представлением системы как некоторого объекта, куда в определенные моменты времени можно вводить вещество, энергию и информацию, а в другие моменты времени -- выводить их. Иными словами, динамическая система обладает свойством иметь «входы» и «выходы», причем процессы в них могут протекать как непрерывно, так и в дискретные моменты времени. Кроме этого, для динамических систем вводится понятие «состояние системы», характеризующее ее внутреннее свойство.

Эвристический уровень абстрактного описания систем предусматривает поиски удовлетворительного решения задач управления в связи с наличием в сложной системе человека. Эврика - это догадка, основанная на общем опыте решения родственных задач. Изучение интеллектуальной деятельности человека в процессе управления имеет очень важное значение.

Эвристика вообще - это прием, позволяющий сокращать количество просматриваемых вариантов при поиске решения задачи. Причем этот прием не гарантирует наилучшее решение.

Например, человек, играя в шахматы, пользуется эвристическими приемами выработки решения, так как продумать весь ход игры с начала до конца практически невозможно из-за слишком большого числа вариантов игры (надо обдумать около 10120 вариантов). Если на один вариант затрачивать всего 10 с, а в году около 3*107 с, то при 8-часовой работе без выходных дней и отпуска человек способен просчитать в год не более (1/3*3*107)/10=106 вариантов. Следовательно, на перебор всех возможных вариантов шахматной партии понадобится одному человеку 10114 лет.

Поэтому в настоящее время бурно развивается эвристическое программирование - программирование игровых ситуаций, доказательства теорем, перевода с одного языка на другой, дифференциальной диагностики, распознавания образов (звуковых, зрительных и т. д.).

Большое внимание сейчас уделяется созданию искусственного и гибридного интеллекта. При этом важное значение играют решение проблемы иерархически организованного перебора, создание и разработка методов отсечения заведомо невыгодных путей.

Таким образом, обзор уровней абстрактного описания систем показывает, что выбор подходящего метода формального описания при изучении той или иной реальной системы является всегда наиболее ответственным и трудным шагом в теоретико-системных построениях. Эта часть исследования почти не поддастся формализации и во многом зависит от эрудиции исследователя, его профессиональной принадлежности, целей исследования и т. д. Наибольшее значение в настоящее время в абстрактной теории систем придается теоретико-множественному, абстрактно-алгебраическому и динамическому уровням описания систем.



Лекция 15. Кибернетический подход к описанию систем. Процесс управления, система управления, этапы управления

Кибернетический подход к описанию систем

Кибернетический подход к описанию систем состоит в том, что всякое целенаправленное поведение рассматривается как управление. Языкуправления - это использование понятий «объект», «среда», «обратная связь», «алгоритм» и т.д.

Управление - это целенаправленная организация того или иного процесса, протекающего в системе. В общем случае процесс управления состоит из следующих четырех элементов:

??????получение информации о задачах управления;

??????получение информации о результатах управления (т. е. о поведении объекта управления );

??????анализ полученной информации и выработка решения;

??????исполнение решения (т. е. осуществление управляющих воздействий).

Процесс управления - это информационный процесс, заключающийся в сборе информации о ходе процесса, передаче ее в пункты накопления и переработки, анализе поступающей, накопленной и справочной информации, принятии решения на основе выполненного анализа, выработке соответствующего управляющего воздействия и доведении его до объекта управления. Каждая фаза процесса управления протекает во взаимодействии с окружающей средой при воздействии различного рода помех. Цели, принципы и границы управления зависят от сущности решаемой задачи.

Система управления - совокупность взаимодействующих между собой объекта управления и органа управления, деятельность которых направлена заданной цели управления. В СУ решаются четыре основные задачи управления: стабилизация, выполнение программы, слежение, оптимизация.

Задачами стабилизации системы являются задачи поддержания ее выходных величин вблизи некоторых неизменных заданных значений, несмотря на действие помех. Например, стабилизация напряжения и частоты тока в сети вне зависимости от изменения потребления энергии.

Задача выполнения программы возникает в случаях, когда заданные значения управляемых величин изменяются во времени заранее известным образом.

В системах оптимального управления требуется наилучшим образом выполнить поставленную перед системой задачу при заданных реальных условиях и ограничениях. Понятие оптимальности должно быть конкретизировано для каждого отдельного случая.

Системы управления делятся на два больших класса: системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ). В САУ управление объектом или системой осуществляется без непосредственного участия человека автоматическими устройствами. Это замкнутые системы. Основные функции САУ: автоматический контроль и измерения, автоматическая сигнализация, автоматическая защита, автоматические пуск и остановка различных двигателей и приводов, автоматическое поддержание заданных режимов работы оборудования, автоматическое регулирование. В отличие от САУ в АСУ в контур управления включен человек, на которого возлагаются функции принятия наиболее важных решений и ответственности за принятые решения. Под АСУ обычно понимают человеко-машинные системы, использующие современные экономико-математические методы, средства электронно-вычислительной техники (ЭВТ) и связи, а также новые организационные принципы для отыскания и реализации на практике наиболее эффективного управления объектом (системой).

Этапы управления. Управление сложной системы состоит из следующих этапов:

1. Формирование целей.

2. Определение объекта управления.

3. Структурный синтез модели. Этап структурного синтеза включает: определение внешней структуры модели, декомпозицию модели, определение внутренней структуры элементов модели. Синтез внешней структуры сводится к содержательному определению входов и выхода без учета внутренней структуры объекта, т. е. объект рассматривается как некий «черный ящик» с nq входами и m выходами. Декомпозиция модели заключается в том, чтобы, воспользовавшись априорными сведениями о структуре объекта, упростить задачу синтеза структуры модели. Синтез структуры модели сводится к определению вида оператора модели объекта с точностью до параметров.

4. Идентификация параметров модели объекта.

5. Планирование эксперимента.

6. Синтез управления.

7. Реализация управления или отработка в объекте оптимального решения, полученного на предыдущем этапе

8. Адаптация.

Таким образом, синтез и декомпозиция модели - это два этапа процесса управления сложной системой.



Лекция 16. Динамическое описание систем. Агрегатное описание систем

Динамическое описание систем

Функционирование сложной системы можно представить как совокупность двух функций времени: x(t) - внутреннее состояние системы; y(t) - выходной процесс системы. Обе функции зависят от u(t) - входного воздействия и от f(t)- возмущения.

Для каждого t?? существует множество z?Z . Z = Z1? Z2? ... ?Zn - множество n-мерного пространства. Состояние системы z(t) - точка или вектор пространства Z с обобщенными координатами z1, z2, z3, z4, ....., zn. U = T ? Z - фазовое пространство системы.

При динамическом описании систем различают детерминированные системы и стохастические системы.

Детерминированная система без последствий - система, состояние которой z(t) зависит только от z(t0) и не зависит от z(0) ... z(t0), т.е. z(t) зависит от z(t0) и не зависит от того, каким способом система попала в состояние z(t0).

Детерминированные системы с последствием - это системы, характеризующиеся тем, что для представления их состояния необходимо знать состояние системы на некотором множестве моментов времени.

Стохастические системы - это системы, функционирующие под воздействием случайных факторов. Для их описания вводится случайный оператор.

Агрегатное описание систем

Агрегат - унифицированная схема, получаемая наложением дополнительных ограничений на множества состояний, сигналов, сообщений и на операторы перехода и выходов.

Пусть t?T - моменты времени; x?X - входные сигналы; u?U - управляющие сигналы; y?Y - выходные сигналы; z?Z - состояния; x(t), u(t), y(t), z(t) - функции времени. Тогда агрегат - это объект, определенный множествами T, X, U, Y, Z и операторами H и G , реализующими функции z(t) и y(t). Структура операторов H и G является определяющей для понятия агрегата.

Оператор выходов G реализуется как совокупность операторов G1 и G2 . Оператор G1 выбирает очередные моменты выдачи выходных сигналов, а оператор G2 - содержание сигналов. Тогда

у= G2{t, z(t), u(t), b}.

В общем случае оператор G2 является случайным оператором, т.е. параметрам t, z(t), u(t) и b ставится в соответствие множество y с функцией распределения G2. Оператор G1 определяет момент выдачи следующего выходного сигнала.

Операторы переходов агрегата. Рассмотрим состояние агрегата z(t) и z(t+0). Пусть оператор V реализуется в моменты времени tn поступления в агрегат сигналов xn(t), а оператор V1 описывает изменение состояний агрегата между моментами поступления сигналов. Тогда

z(t ' n + 0) = V{ t 'n , z ( t 'n ), x ( t 'n ), b }.

z (t) = V1(t, tn, z(t +0), b}.

Особенность описания некоторых реальных систем приводит к так называемым агрегатам с обрывающимся процессом функционирования. Для этих агрегатов характерно наличие переменной, соответствующей времени, оставшемуся до прекращения функционирования агрегата.

Все процессы функционирования реальных сложных систем по существу носят случайный характер, поэтому в моменты поступления входных сигналов происходит регенерация случайного процесса. То есть развитие процессов в таких системах после поступления входных сигналов не зависит от предыстории.

Автономный агрегат - это агрегат, который не может воспринимать входных и управляющих сигналов.

Неавтономный агрегат - общий случай агрегата.

Частные случаи агрегата:

Кусочно-марковский агрегат - агрегат, процессы в котором являются обрывающимися Марковскими процессами. Любой агрегат можно свести к Марковскому процессу.

Кусочно-непрерывный агрегат - агрегат, который в промежутках междуподачей сигналов функционирует как автономный агрегат.

Кусочно-линейный агрегат : dzv(t)/dt = F (v)(zv).

Представление реальных систем в виде агрегатов неоднозначно вследствие неоднозначности выбора фазовых переменных.



Лекция 17. Информационные процессы, их структура, классификация и характеристики

Часть IV

Тема 5. Информационные процессы, их структура, классификация и характеристики

Структура и свойства информационных процессов

Информация не существует сама по себе. Она проявляется в информационных процессах. Свойства информации тесно связаны с информационной деятельностью человека, информационными процессами в его сознании. Существует несколько определений ИП.

· Информационный процесс - это процесс, связанный с определенными операциями над информацией, в ходе которых может измениться содержание информации или ее форма.

· Информационный процесс - это процесс взаимодействия между объектами реального мира, в результате которого возникает информация.

· Информационные процессы - это процессы, в которых человек с помощью разнообразных технических устройств выполняет сбор, хранение, поиск, обработку, кодирование и передачу информации.

· Информационный процесс возникает в результате установления связи между двумя материальными объектами: источником (генератором) и потребителем (приемником, получателем) информации. Подинформационным процессом понимаются процессы получения, хранения, транспортировки, преобразования и представления информации, взятые по отдельности или в совокупности. Характер ИП определяется той информационной системой, в которой этот ИП протекает.

Сообщение, отображающее информацию, всегда представляется в виде сигнала. Под сигналом понимается изменение состояния некоторого объекта.

В зависимости от среды объекта сигналы могут быть механические, электрические, световые и т.д. Можно считать, что сигналы являются отображением сообщений. Но возможен и обратный процесс. От материального объекта поступает сигнал, который далее становится источником сообщения. От объекта управления могут поступать статические и динамические сигналы. Статические сигналы отображают устойчивое состояние объекта - это положение элементов в системе, состояние прибора, текст в документе. Эти сигналы участвуют в процессах подготовки, хранении, накоплении информации. Динамические сигналы характеризуют быстрое изменение во времени, они могут отображать изменения электрических параметров системы. Они участвуют в процессах передачи информации и в управлении. На логическом уровне сигналы разделяются на непрерывные и дискретные. Непрерывный сигнал отображается непрерывной функцией. Физически он представляет собой непрерывно изменяющееся значение колебаний. Дискретный сигнал определяется конечным множеством значений, которое отражает определенное состояние физического объекта. Исходный сигнал, снимаемый с реального объекта, по своей природе имеет непрерывный характер. Для повышения точности измерения он превращается в набор дискретных значений. Как непрерывный, так и дискретный сигналы, далее преобразуются в сообщения. Это начало информационного процесса. Последующая процедура, связанная с передачей - это обратное преобразование сообщения в сигналы. Информация, переданная в систему ИТ, превращается в данные, а данные отображаются в виде некоторого носителя - сигнала, то есть имеется непрерывная цепь преобразований: материальный объект ? сигнал ? информация ? данные ? сигнал. Сигнал, возникающий как переносчик данных, должен обладать свойствами, соответствующими рассматриваемому ИП. При подготовке данных сигнал, отображающий данные, - это символы, соответствующие принятой системе классификации и кодирования. При передаче в качестве сигнала выступает переносчик. Воздействуя на параметры переносчика, можно осуществить передачу данных на требуемое расстояние по выбранному каналу. При хранении данные отображаются сигналом, фиксируемым в виде состояния физической среды (ячеек памяти) компьютера.

Структура информационного процесса

Структура информационного процесса

Общие составляющие информационного процесса:

* восприятие и сбор информации; * первичное или локальное преобразование информации (отбор и др.); * передача информации в блок обработки; * подготовка информации для обработки (кодирование и др.); * подготовка программ, хранение информации; * обработка полученной информации в соответствии с программой; * вывод (отображение) информация для потребителя; * принятие решений; * реализация решений.

Свойства информационных процессов

Свойства информационных процессов не зависят от того, где эти процессы происходят, какие объекты в них участвуют. Можно говорить о единстве ИП в природе, жизни человека, жизни общества, в науке. Основные свойства ИП: 1. Всякий ИП связан с конкретным материальным объектом или системой объектов и протекает в качественно определенных пространственно-временных границах. 2. Любой ИП складывается во времени из нескольких качественно и количественно различимых стадий, фаз, событий или состояний, протекающих в более узких пространственно-временных границах по сравнению с рассматриваемым процессом. 3. ИП представляет собой в конечном итоге составную часть более широких в пространственно-временном отношении процессов.

Важность информационных процессов состоит в том, что они приводят к различным изменениям в процессе событий, к возникновению новых событий. Информационные процессы можно разделить на две группы: 1. ИП, возникающие при общении объектов между собой, например, радио, письмо, кино, телевидение. 2. Все остальные ИП, в которых разные виды информации превращаются в единую форму, удобную для работы с ней в различных технических устройствах, например, в компьютерах и системах связи. Входная информация поступает либо с помощью первичных преобразователей информации, т.е. измерительных приборов, либо с подготовленных человеком или компьютером документов различных форм: таблиц, графиков, чертежей, книг. Характеристики, учитываемые при выборке информации из информационного потока: 1. качественные (содержательные) - они определяют специфические особенности, как бы связывают ИП с какой-либо предметной областью; 2. пространственные, определяющие масштабы и координаты информации; 3. временные (время хранения и преобразования информации). Эти характеристики являются общими для всех информационных процессов.

Основные информационные процессы и их характеристика

Основными информационными процессами являются: * поиск; * хранение; * передача; * обработка; * кодирование; * использование; * защита. Можно рассматривать и несколько иную классификацию ИП: сбор, подготовка, передача, хранение, накопление, обработка, представление информации.

Поиск информации. Поиск (или сбор) информации - первичный информационный процесс, лежащий, как правило, в сфере некоторой практической или научной деятельности. Поиск информации - это извлечение хранимой информации. Методы поиска информации: * непосредственное наблюдение; * общение со специалистами; * чтение соответствующей литературы; * просмотр видео, телепрограмм; * прослушивание радиопередач, аудиокассет; * работа в библиотеках и архивах; * запрос к информационным системам, базам и банкам компьютерных данных; * другие методы. Таким образом, поиск информации обычно происходит с помощью анализа некоторых источников информации - литературы, прессы, объявлений, интервью, просмотра видео- и телепрограмм, прослушивания радио, аудиозаписей на кассетах и дисках; с помощью наблюдений, измерений и целенаправленно поставленных экспериментов. Для повышения вероятности принятия правильного решения следует комплексно пользоваться разнообразными методами поиска информации. В информатике возникли и специфичные методы поиска информации с помощью запросов к информационным системам, базам и банкам компьютерных данных. Например, поиск информации в Интернете по некотором ключевым словам с помощью поисковых систем.

Хранение информации. Хранение информации - это способ распространения информации в пространстве и времени. Способ хранения информации зависит от ее носителя (книга - библиотека, картина - музей, фотография - альбом). Компьютер предназначен для компактного хранения информации с возможностью быстрого доступа к ней. Можно сказать, что ИС - это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска и размещения и выдачи информации. Наличие таких процедур - главная особенность ИС, отличающих их от простых скоплений информационных материалов. Например, личная библиотека, в которой может ориентироваться только ее владелец, информационной системой не является. В публичных же библиотеках порядок размещения книг всегда строго определенный. Благодаря нему поиск и выдача книг, а также размещение новых поступлений представляет собой стандартные, формализованные процедуры. Хранение информации - процесс такой же древний, как и сама человеческая цивилизация. Уже в древности человек столкнулся с необходимостью хранения информации: зарубки на деревьях, чтобы не заблудиться во время охоты; счет предметов с помощью камешков, узелков; изображение животных и сцен охоты на стенах пещер. С рождением письменности возникло специальное средство фиксирования и распространения мысли во времени и пространстве. Родилась документированная информация - рукописи и рукописные книги, появились своеобразные информационно-накопительные центры - библиотеки и архивы. Постепенно письменный документ стал орудием управления (указы, приказы, законы). С возникновением книгопечатания наибольший объем информации стал храниться в различных печатных изданиях, и для ее получения человек обращался в места ее хранения (библиотеки). Процесс длительного хранения информации играет большую роль и подвергается постоянному совершенствованию. Материальный объект, предназначенный для хранения и передачи информации, называетсяносителем информации. Пример носителя информации - книга. Различная информация требует разного времени хранения. Как уже отмечалось, для компактного хранения информации с возможностью быстрого доступа к ней используются ПК.

Передача информации. В процессе передачи информации обязательно участвуют источник и приемник информации: первый передает информацию, второй ее получает. Между ними действует канал передачи информации - канал связи. Канал связи - совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сигнала от источника к получателю. Человечество придумало много устройств для ускорения передачи информации: телеграф, телефон и т. д. К числу самых современных систем, быстро передающих информацию, относят компьютеры и компьютерные сети.

Обработка информации. Обработка информации - это преобразование информации из одного вида в другой, осуществляемое по строгим формальным правилам. Обрабатывать можно информацию любого вида. Правила обработки могут быть самыми разнообразными. При этом исходная информация (входная) преобразуется в выходную.

Кодирование информации. Кодирование - это разновидность процесса обработки информации, а именно, процесс представления информации в виде кода. Кодировать информацию можно различными способами: устно, письменно, жестами или сигналами другой природы. Когда создается информационная модель объекта или явления, то их свойства, параметры, состояния, среда, действия могут отображаться также с помощью различных способов кодирования. В процессе обмена информацией мы совершаем две операции: кодирование и декодирование. Первая связана с переходом от исходной формы представления информации в форму, удобную для хранения, передачи и обработки. Вторая - с обратным переходом к исходному - представлению информации в форме, удобной для ее восприятия человеком. Выше кодирование было рассмотрено более подробно. Современное общество часто называют информационным, т.к. роль и качество информации, имеющейся в нем, стремительно возрастает, а также стали широко доступными все необходимые средства для ее хранения, распространения и использования. Информация легко и быстро достигает потребителей и выдается им в привычной для них форме.

Использование информации. Информация используется при принятии решений. Достоверность, полнота, объективность полученной информации обеспечивают возможность принятия правильного решения. Способность человека ясно и доступно излагать информацию неоценима при его общении с окружающими. Умение общаться, то есть обмениваться информацией, становится одним главных умений человека в современном мире. Невозможно представить себе использование информации в современном мире без использования компьютеров, что, в свою очередь, предполагает наличие у пользователя определенной компьютерной грамотности. Компьютерная грамотность предполагает: * знание назначения и пользовательских характеристик основных устройств компьютера; * знание основных видов ПО и типов пользовательских интерфейсов; * умение производить поиск, хранение, обработку текстовой, графической, числовой информации с помощью соответствующего ПО. Информационная культура пользователя включает в себя: * понимание закономерностей ИП; * знание основ компьютерной грамотности; * технические навыки взаимодействия с компьютером; * эффективное применение компьютера как инструмента; * привычку своевременно обращаться к компьютеру при решении задач из любой области, основанную на владении компьютерными технологиями; * применение полученной информации в практической деятельности. Масштабы использования информации являются одним из основных признаков развития общества. Информация стала важным производственным фактором и одним из главных рычагов богатства и власти. Сегодня речь часто идет об информационных технологиях. Они находят применение в промышленности, торговле, управлении и образовании. Народы развитых стран осознают, что совершенствование информационных технологий представляет собой важную и трудную задачу. В информационном обществе работа с информацией становится главным содержанием профессиональной деятельности вне зависимости от объекта этой деятельности. Для компьютерной обработки информации необходимо: * понимание закономерностей информационных процессов; * умение организовывать поиск и отбор информации, необходимой для решения стоящей задачи; * умение оценивать достоверность, полноту, объективность поступающей информации; * применение полученной информации при принятии решений.