Методические указания

Е. А. Чернявский

Анализ информационных процессов измерительновычислительных средств

Рекомендовано Государственным комитетом Российской Федерации по высшему образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности “Информационно-измерительная техника и технологии” при подготовке инженеров, а так же при подготовке бакалавров и магистров по направлению “Информатика и вычислительная техника”

Санкт-Петербург

1998

2

Прикладные вопросы статистической теории информации нашли отражение в известной зарубежной и отечественной литературе, включая публикации автора данной книги. Несмотря на это, методы статистической теории информации, как инструмент творческого подхода к анализу и синтезу современных технических информационных систем, еще не нашли должного применения в инженерной практике. Это обстоятельство и явилось главной причиной написания данной книги.

Взаимосвязь основных понятий теории информационных процессов, информатики и информационных технологий.

Теория информационных процессов (ТИП) может быть определена как совокуп-

ность статистических методов, предназначенных (или используемых) для анализа информационных процессов (ИП), происходящих в технических, биологических, социальных и других системах.

Основным предметом исследования ТИП являются информационные процессы, такие как: формирование информации, преобразование, сбор, хранение, обработка, распределение, использование и др.

Каждый информационный процесс характеризуется целевой функцией, реализуемой конкретными техническими средствами. В свою очередь каждой целевой функции может быть сопоставлена информационная модель, описываемая математическими выражениями, условными обозначениями или символами.

В соответствии с этим такая модель может быть названа информационной моде-

лью целевой функции.

Информатика может быть определена как область науки и техники, изучающая информационные процессы и методы их автоматизации средствами вычислительной техники [28].

Информатика как наука формирует методологические основы построения информационной модели объекта. Создание такой модели для организации целенаправленной деятельности в технических, биологических, социальных и других системах осуществляется на основе реализации информационных процессов. Под моделью обычно понимают объект-заместитель объекта-оригинала, который обеспечивает изучение некоторых свойств оригинала.

Сопоставляя сущность теории информационных процессов и информатики, можно сделать вывод о том, что информатика является более широким понятием, чем понятие информационных процессов.

Информационные технологии, в широком понимании, — это разработка алгоритмов и программного обеспечения ЭВМ с целью анализа и синтеза сложных систем, таких как технические, информационные, биологические, экологические, социальные и другие.

5

Методологической основой построения информационных технологий является

информационная модель системы.

Применительно к измерительной технике, информационно-измерительные технологии — это разработка измерительных алгоритмов и соответствующих программных средств для ЭВМ с целью получения результатов измерения и выработки управляющих воздействий.

Из изложенного следует, что понятие “информационные технологии” является более широким, чем понятие “информатика”.

Таким образом, соотношение понятий “информационные процессы”, “информатика” и “информационные технологии” с точки зрения их широты может быть выражено соотношением:

ØØ Ø

(Информационная (Информационная (Информационная модель целевой модель объекта) модель системы) функции)

1. Выбор математического аппарата для анализа инфор-

мационных процессов.

1.1. Типовые информационные процессы (ИП), происходящие в

информационно-технических системах (ИТС).

6

Рассмотрим ИП, происходящие в ИТС в соответствии с классической схемой передачи информации, предложенной К. Шенноном для систем связи (см. рис. 1.1).

Внастоящее время эта схема получила свое дальнейшее развитие. Вызвано это тем, что при передаче информации появились новые функциональные задачи и, вследствие этого, расширилось понятие канала. Произошел переход от простейшего канала к многофункциональному, комплексному каналу передачи информации.

Всложных ИТС , таких как измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), информационно-измерительные системы (ИИС), электронные вычислительные машины (ЭВМ), в качестве каналов передачи информации могут рассматриваться любые блоки и узлы, например, запоминающие устройства (ЗУ), арифметические устройства (АУ), аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) и др. Сама ЭВМ в контуре управления любым объектом так же является каналом передачи информации.

Всвязи с этим при передаче информации по таким комплексным каналам происходят соответствующие информационные процессы: сбор, измерение, преобразование, обработка, хранение, распределение информации и др. каждый из названных процессов имеет свою целевую функцию, реализуемую конкретными техническими средствами. Вследствие изложенного схема (рис 1.1) может быть представлена в виде схемы (рис 1.2).

Основные функции приведенной схемы могут быть определены следующим образом.

Формирование информации — это есть процесс восприятия внешних факторов (воздействий), таких как температура, давление, влажность, перемещение, вращение и т.п. с их представлением в виде наиболее удобном для дальнейшего использования.

Техническими средствами формирования и представления информации являются:

— датчики различных физических величин с выходными сигналами, представленными в аналоговой или цифровой форме;

— блоки формирования и представления информации в двоичном , двоичнодесятичном, восьмеричном, циклическом коде Грея и др.;

— формирователи статистических кодов Шеннона - Фано;

— шифровальные устройства и др.

Передача информации — есть процесс перемещения сообщений от источника информации к приёмнику. Форма представления передаваемой информации зависит от ее назначения. Передача информации может сопровождаться такими информационными процессами как измерение, преобразование, обработка, хранение и др.

7

Использование информации — есть процесс воздействия на устройства регистрации, отображения, регулирования и другие исполнительные органы При этом, представление информации является завершающим этапом каждого из информационных процессов и ее форма зависит от решаемой задачи.

Таким образом, схема (рис 1.2.) иллюстрирует развитие схемы (рис 1.1.), предложенной К. Шенноном, в соответствии с новыми функциональными задачами, возникающими при передаче информации в современных ИТС.

Признаки информационных процессов представлены в таблице 1.1.

Общность перечисленных информационных процессов состоит в том, что технические средства, реализующие их, представляют собою комплексные каналы передачи информации. В каждом из них могут быть выделены автономные каналы, имеющие по одному входу и выходу. Вследствие этого, для оценки помехоустойчивости (верности) каждого из них могут быть применены одни и те же критерии.

Помехи

Рис. 1.1. Классическая схема передачи информации К. Шеннона

8

Помехи

Рис. 1.2. Схема взаимосвязи информационных процессов с классической схемой передачи информации К. Шеннона.

Таблица 1.1.

Признаки информационных процессов

9

1.2. Сущность вероятностных методов и возможность их приме-

нения для анализа информационных процессов.

В качестве математического аппарата для статистического исследования (изучения) информационных процессов, происходящих в ИВС, могут быть использованы такие дисциплины как математическая статистика, теория случайных функций, теория информации, теория статистических решений, теория игр, теория массового обслуживания, теория надежности и др.

Все перечисленные дисциплины в качестве основы используют элементы теории вероятностей и в общем случае могут быть объединены в группу статистических методов проектирования ИТС.

Для сравнительной оценки отметим основные черты этих дисциплин. Математическая статистика занимается разработкой рациональных методов обработки опытных данных, связанных со случайными факторами массовых явлений. Основная особенность математической статистики состоит в том, что она ограничивается изучением, в основном, случайных величин при вполне определенных фиксированных условиях опыта, как бы в “статике”.

Теория случайных функций, в отличие от математической статистики, занимается изучением исследуемых параметров в условиях неопределенности при на-

10