62049 (Кибернетика), страница 5

Накопление информации (запоминание) является обратимым преобразованием в том случае, если не происходит потерь информации в течение времени хранения. Принятие решений связано с потерей информации. Эффективность выполнения информационной функции определяется вносимыми искажениями и непредусмотренными схемой работы элемента потерями информации, которые отрицательно влияют на работу других элементов и системы в целом.

Энергоснабжение элементов, выполняющих информационные функции, может осуществляться:

1. при помощи самого информационного сигнала (который должен обладать соответствующим избытком энергии);

2. при помощи отдельного энергетического сигнала, поступающего извне;

3. за счет внутренних ресурсов (энергия запасена в самом элементе).

Функции энергетических элементов связаны с преобразованием энергии. Цель преобразования – выработать необходимую системе энергию в той форме, в которой она может потребляться другими элементами. Для энергетических элементов большое значение имеет коэффициент полезного действия, который в конечном итоге определяется эффективность элемента.

Преобразование энергии состоит в изменении параметров энергетического потока. Поток входной энергии может поступать извне (из среды) либо от других элементов (в которых он запасен на время жизни системы). Выходной энергетический поток направлен в другие системы, либо в среду (для ее преобразования или сохранения определенных условий, например температуры). Процесс преобразования энергии нуждается в информации, которая может быть сосредоточена в энергетическом элементе. Носителем информации может быть как преобразуемый, так и сторонний энергетический поток.

Интенсивность и содержание процесса преобразования энергии могут изменяться в течение жизни системы. Необходимая для этого информация может поступать от других элементов либо вырабатываться энергетическим элементом, который в этом случае выполняет смешанную информационно-энергетическую функцию.

Элементы, преобразующие вещество (кроме сырья, т.е. исходного вещества), нуждаются в энергии и информации. То и другое может содержаться в самом вещественном элементе, поступать от других элементов системы или из среды.

Преобразование вещества может быть механическим (штамповка деталей), химическим (производство пластмассы), физическим (образование плазмы), биологическим и т. д. В сложных системах преобразование вещества носит смешанный характер. Вещество можно использовать для создания энергии в подсистемах со смешанной функцией преобразования вещества и энергии. Вещество можно использовать как носитель энергии и информации в системах со смешанными функциями преобразования вещества, энергии и информации. Например, пища живых существ является источником химической энергии и одновременно носителем информации.

Выделяют неопределенные, или нейтральные элементы. Любые процессы (в том числе и случайные) приводят к преобразованию вещества, энергии или информации.

Пример. Столкновение молекул может привести к изменению направления и скорости их движения (энергетическое и информационное преобразование), к химической реакции (изменение вещества, преобразование энергии и информации), но может ни к чему не привести. Предусмотреть результат действия молекул можно только в статистическом виде, а когда речь идет об элементе, состоящем из двух или нескольких молекул, предусмотреть их исход невозможно. Точно так же невозможно предусмотреть и определить назначение таких элементов, как атом твердого тела, планета в Солнечной системе или звезда в Галактике.

Применяя к естественным объектам емкий термин “назначение”, следует быть осторожным, так как многое зависит от позиции наблюдателя. Астрофизик, изучающий энергетические процессы, будет вполне прав, утверждая, что Солнце несет энергетическую функцию в системе. В свое время было большим искушением принять квазар за информационный элемент некоторой сверхсистемы, и т.д.

В общем плане, использование категории “назначение” для определения свойств системы нежелательно. Поэтому, когда свойство не определено, его нельзя предсказать или оно не носит стабильного характера, будем называть его нейтральным ( рис. 3).

Морфологические свойства системы существенно зависят от характера связей ( рис. 4). Выделим информационные, энергетические и вещественные связи, определив их в том смысле, в каком были определены информационные, энергетические и вещественные свойства. Энергетические связи предназначены для переноса энергии между элементами, а информационные – для переноса информации. Связи для передачи материала переносят вещество, но одновременно энергию и информацию, так что характер связи определяется удельным весом соответствующего компонента.

Возможны и смешанные связи. Выделим прямые, обратные и нейтральные связи. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или комбинаций от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью выполняемых функций. Качество связи определяется ее пропускной способностью и надежностью. Обратные связи в основном имеют функцию управления процессами.

Наиболее распространены информационные обратные связи. Обратная связь предполагает некоторое преобразование компонента, поступающего по прямой связи, и передачу результата преобразования обратно, т.е. в направлении, противоположном функциональной последовательности (и прямой связи) к одному из предыдущих элементов системы. Преобразование

может быть тождественным (информации в информацию) или нетождественным (изменение состава вещества преобразуется в информацию или энергию).

Системы, способные адаптироваться или целенаправленно влиять на окружающую среду, должны иметь обратные связи. Нейтральные связи непредсказуемы, или случайны. Однако нейтральные связи могут сыграть определенную роль при адаптации, служить исходным ресурсом для формирования прямых и обратных связей, резервом.

В определенных условиях возможно преобразование связей (прямых в обратные или нейтральные и т.д.). Морфологическое описание может включать указание на наличие и виды связей, содержать общую характеристику связей либо их качественные и количественные данные.

Структурные свойства систем определяются характером и устойчивостью отношений между элементами. По характеру отношений между элементами структуры делятся на многосвязные, иерархические и смешанные. Пространственное расположение элементов и область пространственной локализации системы также описывается структурой. Наиболее устойчивы детерминированные структуры, такие, в которых отношения либо неизменны, либо изменяются по некоторому закону. Если отношения между элементами описываются вероятностными законами, структура называется вероятностной. Существуют также хаотические структуры, в которых элементы вступают в отношения непредсказуемым образом. Возможны смешанные структуры, в которых пределы и направления образования нестабильностей определены и ограничены заложенным в структуру детерминизмом. Свойства структуры зависят от действия внутренних сил, свойств элементов и связей. Детерминизм, как и недетерминизм, имеет иерархию совершенства. Низкий уровень – полная неизменяемость, следующий, более высокий – включение и выключение определенных элементов (при соответствующих условиях), еще более высокие – наращивание структуры (из элементов, сформированных из внешней среды) в строго определенном направлении, создание элементов нового типа, но предусмотренных заранее и т.д. Вероятностные структуры в качестве низшего уровня имеют случайные изменения, далее идут изменения целенаправленные, с отбором и т.д. Граница между стабильными и нестабильными структурами высокого уровня не является определенной.

Композиционные свойства систем определяются способом объединения элементов в подсистемы. Будем различать подсистемы: эффекторные (способные преобразовывать воздействие и воздействовать веществом или энергией на другие подсистемы и системы, в том числе на среду), рецепторные (способные преобразовывать внешнее воздействие в информационные сигналы, передавать и переносит информацию) и рефлексивные, способные воспроизводить внутри себя процессы на информационном уровне, генерировать информацию. Композиция систем, не содержащих (до элементного уровня) подсистем с выраженными свойствами, называется слабой. Композиция систем, содержащих элементы с выраженными функциями, называется соответственно с эффекторными, рецепторными или рефлексивными подсистемами; возможны комбинации. Композицию систем, включающих подсистемы всех трех видов, будем называть полной Элементы системы (т.е. подсистемы, в глубь которых морфологический анализ не распространяется) могут иметь эффекторные, рецепторные или рефлексивные свойства, а также их комбинации.

Определение. Морфологическое описание есть четверка:

S_M={S, V, , K}, где

S={S_i}_i – множество элементов и их свойств (под элементом в данном случае понимается подсистема, вглубь которой морфологическое описание не проникает); V ={V_j}_j – множество связей; - структура; К – композиция.

Все множества считаем конечными.

Будем различать в S:

Состав: гомогенный, гетерогенный, смешанный (большое количество гомогенных элементов при некотором количестве гетерогенных); неопределенный.

Свойства элементов: информационные, энергетические, информационно-энергетические, вещественно-энергетические, неопределенные (нейтральные).

Будем различать во множестве V:

Назначение связей: информационные, вещественные, энергетические.

Характер связей: прямые, обратные, нейтральные.

Будем различать в :

Устойчивость структуры: детерминированная, вероятностная, хаотическая.

Построения: иерархические, многосвязные, смешанные, преобразующиеся.

Детерминированные структуры либо постоянны, либо изменяются во времени по детерминированным законам. Вероятностные структуры изменяются во времени по вероятностным законам. Хаотические структуры характерны отсутствием ограничений, элементы в них вступают в связь в соответствии с индивидуальными свойствами. Классификация производится по доминирующему признаку.

Будем различать во множестве К:

Композиции: слабые, с эффекторными подсистемами, с рецепторными подсистемами, с рефлексивными подсистемами, полные, неопределенные.

Морфологическое описание, как и функциональное, строится по иерархическому (многоуровневому) принципу путем последовательной декомпозиции подсистем. Уровни декомпозиции системы, уровни иерархии функционального и морфологического описания должны совпадать. Морфологическое описание можно выполнить последовательным расчленением системы. Это удобно в том случае, если связи между подсистемами одного уровня иерархии не слишком сложны. Наиболее продуктивны (для практических задач) описания с единственным членением или с небольшим их числом. Каждый элемент структуры можно, в свою очередь, описать функционально и информационно. Морфологические свойства структуры характеризуются временем установления связи между элементами и пропускной способностью связи. Можно доказать, что множество элементов структуры образует нормальное метрическое пространство. Следовательно, в нем можно определить метрику (понятие расстояния). Для решения некоторых задач целесообразно введение метрики в структурном пространстве.

Вопросы и упражнения

1. Для чего предназначены информационные элементы? Приведите примеры.

2. Для чего предназначены энергетические элементы? Приведите примеры.

3. Какие преобразования считают обратимыми?

4. Какие типы связей вы знаете?

5. Какие подсистемы называют эффекторными, рецепторными и рефлексивными? Приведите примеры.

6. В чем состоят композиционные свойства систем?

7. Каковы достоинства и недостатки общей формулы морфологического описания?

8. В чем состоит иерархия морфологического описания?

9. Составьте морфологическое описание для системы “компьютер”.

Глава 5. Информационное описание системы

5.1. Понятие информации

Информационное описание должно давать представление об организации системы. Термин информация имеет несколько значений:

1. совокупность каких либо сведений, знаний о чем-либо;

2. сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и переработки;

3. совокупность количественных данных, выражаемых при помощи цифр или кривых, графиков и используемых при сборе и обработке каких-либо сведений;

4. сведения, сигналы об окружающем мире, которые воспринимают организмы в процессе жизнедеятельности;

5. в биологии – совокупность химически закодированных сигналов, передающихся от одного живого организма другому (от родителей - потомкам) или от одних клеток, тканей, органов другим в процессе развития особи;

6. в математике, кибернетике – количественная мера устранения энтропии (неопределенности), мера организации системы;

7. в философии – свойство материальных объектов и процессов сохранять и порождать определенное состояние, которое в различных вещественно-энергетических формах может быть передано от одного объекта другому; степень, мера организованности какого-либо объекта (системы).

Определения 1-4 трактуют информацию как сведения, данные, сообщения, сигналы, подлежащие передаче, приему, обработке, хранению и отражающие реальную действительность или интеллектуальную деятельность. В этом смысле информация – отображение в некоторое пространство символов V_I. В дальнейшем будем называть ее отображающей информацией, и обозначать I_o. Эта величина измеряется двоичными единицами. Если число возможных равновероятных исходов составляло вначале p₀, а после получения информации сократилось до p₁, то