Раздел 2. Элементы теории информации

Лекция 5. Фазы информационного цикла и их модели

1. Фазы информационного цикла.

2. Модели основных фаз преобразования информации.

Литература: 1. Советов Б.Я. Информационная технология: Учеб. для

вузов по спец. «Автоматизир. системы обработки информ.

и упр.». – М.: Высш. шк., 1994.

1 Фазы информационного цикла

Как было отмечено на предыдущих лекциях, информационные технологии направлены на формирование и рациональное использование информационного ресурса общества. Перед человечеством стоит громадная по своей важности и сложности задача: извлечь максимум информации из накопленных за всю историю своего существования сообщений и превратить ее в активно функционирующий ресурс. Речь идет, в первую очередь, о превращении книжных описаний и других "рассеянных" знаний в алгоритмы и программы. Это лишь часть работ по формированию информационного ресурса.

Сам по себе информационный ресурс не может двигать системы и механизмы. Движителями систем выступают материальные силы: энергетические и трудовые факторы. Но информационный ресурс, словно фермент, переводит эти материальные факторы из латентного в активное состояние и вводит их в заданное русло. Тем самым информационный ресурс обеспечивает прирост свободной энергии в целенаправленных системах социальной природы за счет снижения их энтропии (неопределенности состояния системы).

Особую роль информация, информационный ресурс играют в АСУ. Рассмотрим последовательно основные фазы преобразования информации в автоматизированных системах как составляющие единого информационного процесса.

Сбор информации.

Фаза сбора информации является начальным этапом формирования осведомляющей информации. Сбор осущест­вляется либо с датчиков информации, встроенных в технологичес­кие или производственные процессы, с контрольно-измерительных приборов либо путем съема данных графиков, чертежей, схем, номенклатур, прейскурантов, спецификаций и т. д.

В общем случае сигналы, поступающие от объекта, можно разделить на статичес­кие, отображающие устойчивые состояния объектов, и динамичес­кие, для которых характерно быстрое изменение во времени, отоб­ражающее, например, изменение электрических параметров систе­мы. Статические сигналы обычно фиксируются в документальной форме, динамические — появляются на выходе датчиков, контроль­но-измерительных приборов и т. д. По характеру изменения сигналы делятся на непрерывные и дискретные.

На рис. 1 представлена структур­ная схема реализации фазы сбо­ра информации. С технологичес­кого оборудования (ТО) с помо­щью датчиков Д₁ ... Д_n снимается непрерывная информация, которая подвергается операциям преобразования и кодирования. Эти операции выполняются преобразователями Пр₁, ... Пр_n.

Рисунок 1 – Структурная схема процесса сбора информации

При преоб­разовании осуществляется дискретизация непрерывной величины. Эту операцию могут выполнять и датчики. При кодировании дискретное значение непрерывной величины превращается в код. Под кодом понимают определенный набор символов и знаков, однозначно отображающих любое сообщение, в том числе дискретизированное или мгновенно снятое с датчика значение непрерыв­ной величины. Физически код представляет собой некоторую последовательность импульсов, распределенных во времени либо в пространстве. Он включает в себя ряд элементов, каждый из которых содержит определенное количество информации (в соот­ветствии со статистической мерой). Представленные в кодирован­ном виде значения исходной информации хранятся в накопительных устройствах Н₁ ... Н_n и через коммутатор (К) по определенному закону выводятся на следующую фазу преобразования инфор­мации. Режим опроса, т. е. функционирования коммутатора, задает­ся устройством программного управления (УПУ). При этом могут реализовываться режимы циклического опроса, случайного поиска, опроса по загрузке накопителей, а также по заданным приоритетам.

Рассмотрим отдельные, наиболее характерные для фазы сбора информации процедуры кодирования с использованием неизбыточных кодов.

Процедуры считывания информации с датчика и последующего кодирования зачастую удается совместить. Для уменьшения ошиб­ки считывания при наличии аналого-кодовых преобразователей ис­пользуют специальные виды кодов. Примером является код Грея. Он относится к числу двоичных кодов и обеспечивает высокую точность преобразования непрерывной величины в код. Применяет­ся для отображения десятичных чисел, поэтому используется число комбинаций М = 10 < 2⁴, т. е. код содержит четыре элемента. Так как код двоичный, то каждый элемент четырехэлементного кода может принимать значения «0», «1». Последовательность выбора кодовых комбинаций определяется тем, что при изменении непрерывной величины каждый последующий отсчет непрерывной функции дол­жен отображаться кодовой комбинацией, отличающейся от пре­дыдущей лишь в одном разряде. Это позволяет свести ошибку считывания к единице в младшем разряде. Десятичные числа и от­ображающие их коды представлены в табл. 1.

Таблица 1

Десятичное число	Двоичный код	Код Грея	Десятичное число	Двоичный код	Код Грея
0	0000	0000	6	0110	0101
1	0001	0001	7	0111	0100
2	0010	0011	8	1000	1100
3	0011	0010	9	1001	1101
4	0100	0110	10	1010	1111
5	0101	0111

При сборе информации используются известные неизбыточные коды. В зави­симости от закона распределения снимаемых мгновенных значений непрерывной величины эти коды имеют постоянную либо перемен­ную длину. Если мгновенные значения равновероятны, то наилучшим отображением их в кодированном виде будет представление равномерным кодом. В этом коде все комбинации имеют одинаковую длину и любое сообщение отображается одним и тем же числом символов.

Если отсчеты функции неравновероятны, то для получения наибольшей информативности каждого элемента кода используют неравномерные коды, получившие название статистических кодов. В этих кодах длина комбинации тем больше, чем меньше вероятность возникновения отсчета функции.

Таким образом, при сборе информации существенными оказываются процедуры опроса датчиков и преобразования неэлектрической величины в электрическую, представляемую в виде равномерного или неравномерного кода в зависимости от статистики отсчетов непрерывной функции. При территориально разнесенных датчиках фаза сбора информации может совмещаться с фазой передачи. Тогда возникают проблемы кодирования сигналов с помощью избыточного кода, используемого в фазе передачи информации.

Подготовка информации.

Фаза подготовки информации заключа­ется в записи информации, снятой автоматически с объекта управ­ления либо полученной оператором, на носитель с целью включения этой информации в процесс управления. Вид представления инфор­мации на выходе фазы подготовки зависит от того, с какой следу­ющей фазой сопрягается подготовка информации. Если эта инфор­мация после ее подготовки должна быть передана в канал связи, то необходимо представить ее в виде электрического сигнала, способ­ного передаваться по физической линии либо специально организо­ванному каналу связи. Если за фазой подготовки следует обработка либо хранение информации, то необходимо информацию перенести на машинный носитель либо документ в соответствии с теми прави­лами, которые определяются последующими фазами информацион­ного процесса. Одним из важнейших условий фазы подготовки информации является максимальная автоматизация выполнения процедур подготовки.

При подготовке задач к решению на современных ЭВМ (компьютерах) команды могут записываться в двоичных ходах. В этом же виде они хранятся в памяти ЭВМ. При этом составляется программа, которая записывается в так называемом машинном языке. Процесс кодирования команд на машинном языке получил название программирования. Символичес­кое обозначение всех команд называют языком Ассемблер, а машин­ную программу, по которой выполняется перевод с языка Ассемблер на машинный язык, называют Ассемблером. Надо отметить, что программировать в машинном языке, т. е. в двоичных кодах, трудоем­ко. Подготавливать информацию в таком виде сложно также из-за возможности наличия ошибок. Поэтому при подготовке информации в персональных ЭВМ пользуются более общими языками, когда информация записывается в символическом виде. При вводе информация преобразуется в двоичный код автоматически с помощью специальной программы, существующей в ЭВМ. Это ускоряет процесс программирования.

Следует отметить, что вычислительный процесс внутри ЭВМ, например арифметическая обработка, выполняется в машинных двоичных кодах. При вводе информации функцию кодирующего устройства, в частности, исполняет клавиату­ра.

Таким образом, в современных условиях подготовка информации, если она не связана непосредственно с последующей ее передачей, означает подготовку программ и ввод информации через клавиатуру. Характерно, что и в этом случае автоматизация фазы подготовки информации осуществляет­ся за счет процедуры кодирования, которая реализуется аппарат­ным или программным путем.

Передача информации.

Фаза передачи информации в информаци­онном процессе автоматизированной системы возникает тогда, ког­да существует взаимодействие между территориально удаленными объектами. В этом случае между источником и потребителем информации существует канал связи, и возникает задача пере­дачи заданного объема информации через канал связи с требуемой помехоустойчивостью. Сообщение, формируемое источником ин­формации, подвергается на передающей стороне трем проце­дурам: преобразованию, что выполняется преобразователем; кодированию, осуществляемому кодирующим устройством; модуляции, что реализуется модулятором.

На прием­ной стороне над сигналом, который прошел через линейные со­гласующие устройства в канал связи, выполняются сле­дующие процедуры: демодуляция с помощью демодулятора; декодирование, что реализует декодирующее устройство; преобразование полученной информации в соответст­вующую форму, что выполняет потребитель информации.

Особенностью процесса передачи является то, что сигнал, отоб­ражающий код, в канале связи подвергается действию помех. Для обеспечения требуемой помехоустойчивости передачи информации предусматривают введение избыточности как в передаваемый сиг­нал, так и в код. Введение избыточности в передаваемый сигнал осуществляется за счет модуляции. Помехоустойчивость кода обес­печивается избыточным кодированием, которое является основным средством автоматизации фазы передачи информации.

Качество передачи информации оцени­вается вероятностно-временными характеристиками с учетом дейст­вующих помех в каналах связи, надежности элементов аппаратуры и условий обслуживания пересекающихся информационных потоков в концентраторах и узлах коммутации.

Таким образом, фаза пере­дачи информации в информационном процессе АСУ является ис­ключительно ответственной и требует серьезной проработки как на логическом, так и на физическом уровнях реализации системы. Фаза передачи информации обычно предшествует фазе обработки.

Обработка информации.

Термин «обработка информации» явля­ется широким. Полезно выделить как подэтап предварительную обработку информации. При автоматизированном управлении це­лью обработки является решение с помощью ЭВМ вычислительных задач оптимизационного либо расчетного характера, отображаю­щих функциональные задачи управления в системе. В этих условиях должны существовать модели обработки информации, соответст­вующие принятым алгоритмам управления. Можно считать, что в памяти ЭВМ хранится некоторая концептуальная модель — ин­формационный образ объекта управления и модели процесса управ­ления. Для обработки необходимо создать набор вычислительных алгоритмов с программным обеспечением, проблемно-ориентиро­ванным на задачи управления.

На этапе предварительной обработ­ки основной задачей является выявление смысла принятого сообще­ния. Семантическое содержание сообщения и его прагматическое значение зависят от пользователя, т. е. потребителя информации. Поэтому должно существовать правило интерпретации сообщения, которое принято по согласованию между источником информации и потребителем. Конкретное содержание процесса предварительной обработки зависит от конечной цели и может быть различным, например, для обнаружения сигнала, обработки текстовой инфор­мации, сжатия измерительной информации и т. д.

В АСУ обработка информации автоматизирована. Эта операция является обязательной составляющей АСУ. Прежде всего, необходимо обработать информацию, входящую во внешнее информационное обеспечение, т. е. ту, которая представлена в формализованном (документаль­ном) виде. Показатели, содержащиеся в документах, обрабатыва­ются в различных подразделениях предприятия. Одной из задач создания системы обработки является рациональное распределение вычислительных ресурсов между подразделениями с целью мини­мизации информационных потоков между службами предприятий и минимизация времени решения вычислительных задач. Вычис­лительные задачи, поставленные на основе данных, представленных в документах, имеют обычно рутинный (информационный) харак­тер. Их решают на ЭВМ на базе типовых вычислительных алгорит­мов. Ряд задач в АСУ, связанных с прогнозированием, стратегичес­ким планированием и управлением, решаются путем моделирова­ния с использованием математических и имитационных моделей. В этих случаях возможна оптимизационная постановка задачи и по­лучение значительного экономического эффекта от реализации ав­томатизированного управления. Несмотря на внешнюю разнотип­ность задач обработки информации, физическая реализация процес­са обработки означает представление данных в ЭВМ с помощью машинных кодов и выполнение ряда типовых операций над дан­ными.

Рассмотрим внутримашинные процедуры обработки информации в ЭВМ.

Характерным процессом обработки в ЭВМ является арифмети­ческая обработка. Она базируется на использовании двоичных ко­дов и выполнении в них операций сложения и вычитания. Процесс арифметической обработки информации в ЭВМ наряду с представлением данных включает в себя представление арифметических команд, соответствующие программы арифметических операций, организацию пересылки информации из одной области памяти в другую и т. д.

К обработке информации следует отнести обработку сигналов в некоторых областях науки и техники, переработку текстовой информации, обработку сообщений, обработку изображений и т. д.

Обработка информации в частных ее проявлениях может входить в отдельные стадии других фаз информационного процесса. Фаза обработки информации тесно связана с фазой хранения.

Хранение информации.

Хранение информации можно рассматривать как передачу информации во времени. Различают оперативное и долго­временное хранение информации. Носители информации можно разделить на оперативные и долговременные запоминающие устрой­ства. Необходимость хранения информации в ЭВМ связана не только с процессом арифметической обработки. При управлении создают информационные массивы, которые хранятся в информационной базе. Вопросы хранения информации, принципы организации информацион­ных массивов, поиска, обновления, представления информации приоб­ретают самостоятельный характер. Хранение информации осуществля­ется на специальных носителях.

Фаза хранения информации может быть представлена на кон­цептуальном, логическом и физическом уровнях. Концептуальный уровень отражает содержательно информацию и способы реализа­ции ее хранения. Логический уровень определяет порядок представ­ления информации, организацию информационных массивов. Физи­ческий уровень означает реализацию хранения информации на конк­ретных физических носителях. Автоматизация фазы хранения ин­формации осуществляется за счет процессов кодирования, процедур организации информационных массивов, алгоритмизации процес­сов ввода, поиска, вывода и обновления информации.

При хранении в автоматизированных системах, прежде всего, нужно различать информацию, хранимую вне ЭВМ, т. е. в форме документов, и ин­формацию, хранимую внутри ЭВМ, с помощью специальных запо­минающих устройств. На концептуальном уровне сведения о тех­нико-экономическом объекте задают некоторый информационный образ. Этот образ отражается в виде технико-экономической инфор­мации, куда входят сведения наблюдателя об управляемом объекте, а также информация, которой обменивается этот объект с внешней средой. Ввиду большого объема технико-экономической информа­ции необходимо компактное ее представление. Для этого использу­ют процедуру классификации и кодирования.

Наряду с классификаци­ей и кодированием существенным этапом автоматизации хранения информации является организация информационных массивов. Объекты и явления реального мира в ЭВМ представляются на стадии хранения информации в виде данных, при этом нам важны не только данные, но и связи между ними, т. е. принцип их ор­ганизации. Желательно, чтобы концептуальная структура данных отображала реальные явления окружающего нас мира. Однако на физическом уровне структура данных во многом определяется требованиями, накладываемыми возможностями технических средств хранения информации.

Наиболее простой является линей­ная структура хранения. Организация данных может быть выпол­нена в виде строки, одномерного массива, стека, очереди и т. д. При организации данных в виде строки элементы данных располагаются по признаку непосредственного следования, т. е. по мере поступления данных в ЭВМ. В случае одномерного массива отдельные его элементы имеют индексы, т. е. поставленные им в соответствие целые числа. Эти числа можно рассматривать как номер элемента массива. Наличие индекса позволяет получить до­ступ к заданному элементу, и это оказывается намного проще, чем осуществлять поиск требуемого элемента в строке. С учетом дина­мики процесса ввода и вывода информации различают также струк­туры данных, в которых используется линейный принцип организа­ции, реализующий дисциплину обслуживания «последним при­шел — первым ушел». Такая структура получила название стека. В стеке первым удаляется последний поступивший элемент. Воз­можна реализация и другой дисциплины обслуживания, при кото­рой для обработки информации выбирается элемент, поступивший ранее всех других. Такая структура получила название очереди. Рассмотренные структуры от­носятся к линейным и отображают достаточно простые одномерные структуры данных.

В случае многомерных сложных структур возникают и нелинейные структуры хранения данных. К ним можно отнести многомерные массивы, отображаемые деревьями, графами, сетями. Элемент многомерного массива также определяется индек­сом, однако индекс состоит из набора чисел. В основе формального представления многомерного прямоугольного массива лежит мат­рица, а в матрице каждое ее значение определяется совокупностью чисел, что и составляет индекс требуемого элемента массива.

Организация расположения данных может быть представлена на логическом уровне, при этом возникают логические структуры ин­формационных массивов. Данные компонуются в виде записей, которые в информационном массиве могут располагаться различ­ным образом. Выделяют четыре основные структуры информаци­онных массивов на логическом уровне: последовательную, цепную, ветвящуюся, списковую.

В последовательной структуре записи информационного массива располагаются последовательно, нахождение требуемой записи осуществляется путем просмотра всех предшествующих. Включение новой записи в информационный массив требует смеще­ния всех записей, начиная с той, которая включается. Обновление информационных массивов при последовательной структуре требу­ет перезаписи всего массива.

В цепной структуре информационные массивы располагают­ся произвольно. Для логической связи отдельных записей необ­ходима их адресация, т. е. каждая предыдущая запись логически связанного информационного массива должна содержать адрес рас­положения последующей записи. В случае, если с определенного уровня, т. е. признака, значения в записях повторяются в различных сочетаниях, то возможен переход в целях экономии памяти от цепной структуры к ветвящейся.

В ветвящейся структуре сначала в информационном массиве размещается запись, отображающая признак объекта с небольшим числом значений, далее эти значения повторяются в записях в раз­личных сочетаниях, т. е. возможно от некоторой основной записи переходить к другим в зависимости от запроса, не повторяя основ­ную запись. Чтобы устранить повторяющиеся записи и соответст­вующие им поля в памяти, их удаляют из основного массива и объединяют в дополнительный небольшой информационный мас­сив. Здесь эти записи упорядочиваются также по какому-то призна­ку без повторений. Тогда в основном массиве вместо удаленного информационного поля указываются адреса записей, которые раз­мещены в дополнительном массиве. Данная структура является удобной при реорганизации информационной базы, поскольку по­вторяющиеся записи легко могут быть заменены, так как они хранятся в дополнительном массиве, основной же массив подверга­ется при этом малому изменению. Однако эта структура требует дополнительного объема памяти.

Списковая структура информационных массивов характери­зуется наличием списка, который содержит набор данных, опреде­ляющий логический порядок организации информационного мас­сива. Список включает имя, поля данных и адреса полей. В памяти ЭВМ элементы списка физически разнесены, но связаны друг с дру­гом логически за счет адресных ссылок. Поле данных в зависимости от характера хранимой информации может представляться двоич­ным разрядом, словом фиксированной либо переменной длины, а также набором отдельных слов. Формализовано список может быть представлен в виде таблицы, в которой именам списка и по­лям данных сопоставлены адреса. Адреса выбираются произвольно по мере наличия свободных мест в запоминающем устройстве.

Списковая структура с механизмом адресных ссылок может быть представлена в виде графа древовидной струк­туры. Каждый элемент списка тогда включает в себя маркерное поле, поле данных и адресное поле. Маркерное поле предупреждает, имеется ли ссылка на другой список либо такая ссылка отсутствует. В зависимости от этого в маркерном поле ставится знак минус или плюс. Списки могут отображать и более сложные структуры, чем древовидные. Они могут быть показаны ориентированными графа­ми с петлями, в которых возможна ссылка вперед и назад. Возника­ет так называемый симметричный список, и появляется возмож­ность движения в структуре данных в разных направлениях. Видно, что списковая структура отличается высокой логической простотой, но в связи с адресным обращением к данным время доступа здесь велико, так как каждому элементу списка необходимо иметь ссылку. Соответственно значительно возрастает и объем памяти запомина­ющего устройства (ЗУ), которую требуется иметь в списковой структуре по сравнению с последовательной структурой организа­ции информационных массивов.

На физическом уровне любые записи информационного поля представляются в виде двоичных символов. Обращение к памяти большого объема требует и большой длины адреса.

Обработанная информация по требованию пользователя выво­дится из ЭВМ. Устройства вывода позволяют представить инфор­мацию в наглядном для пользователя виде либо выдать на носи­тель для длительного хранения. К типовым устройствам вывода обычно относят световые индикаторы, табло, дисплеи, печатающие устройства, графопостроители и др. На этих устройствах любой вид информации (буквенный, цифровой, графический) может быть пред­ставлен в наглядном и удобном для пользователя виде. Это позво­ляет значительно повысить эффективность работы оператора либо лица, принимающего решения.

Для автоматизации процесса вывода информации используют ее преобразование, кодирование и декодирование. Декодирование осу­ществляется автоматически за счет превращения двоичной инфор­мации в десятичную и в буквенный текст. Существующее типовое периферийное оборудование, а также специализированные устройства вывода позволяют в значительной степени автоматизировать процесс вывода и представления инфор­мации лицу, принимающему решение.

В целом информационный процесс при управлении производством является структурно слож­ным, включает ряд фаз, автоматизация которых реализуется за счет процедур преобразования и кодирования информации.