Основные положения прикладной теории информации

Из основных понятий общей теории информации (см. Прил. 1) следует, что в человеческом сообществе имеется несколько уровней информационного взаимодействия человеческих особей друг с другом и с окружающей средой. Уже на условно-рефлекторном уровне информационного взаимодействия проявляются некоторые количественные свойства информации: чем новее (неожиданнее) образ (предмет мысли – см. треугольник Фреге в Прил. 1), который порождается комплексом ощущений, получаемым в результате воздействия на органы чувств человека, тем бóльший вес придаётся этому образу (предмету) при включении полученной из внешнего мира информации в тезаурус субъекта. Эмоциональная реакция, характеризующая количественную сторону полученной информации – степень удивления субъекта («Эврика!» – Архимеда).

На высшем уровне информационного взаимодействия – знаковом – основным видом информационного взаимодействия субъектов между собой является язык.

Язык выступает в двух основных формах: речь и письмо. Речь являетсядинамическим средством общения. При непосредственном общении человек (или синтезатор речи) – какисточники сообщений– производят определённые колебания воздуха, которые с помощью слухового óргана (или анализатора речи)получателя информациивоспринимаются им как последовательность звуковых элементов речи – фонем.

Если речевое общение (словесное информационное взаимодействие субъектов) происходит на больших расстояниях, то основной задачей проектирования технического средства речевого общения (системы телефонной или радиосвязи) является обеспечение на выходе технической информационной подсистемы наименее искажённого воспроизведения звуковых колебаний воздуха, которые несут речевое сообщение источника сообщений. Эта информационная эрготехническая («человеко-машинная») система (ЭТИС: см. Прил. 1) является системой с динамическим каналомпередачи сообщений. Качествовоспроизведения речиколичественно измеряется её разборчивостью и узнаваемостью голоса источника сообщений (верностью). Это – задача оптимальной фильтрацию речевых сообщений на фоне шумов, которая относится к статитстической теории радиосистем [42].

Письменные сообщениясостоят из отдельныхзнаков:букв, соответствующих (но не всегда!) отдельным фонемам речевых сообщений, пробелов между буквами и словами, цифр, знаков препинания и т. п. Эти знаки фиксируются на определённом носителе (например, на телетайпной перфоленте или в ОЗУ), а носители знаковых сообщений передаются (в пространстве и (или) во времени) получателю информации. Такими статическими носителями информации могут являться: письма, книги, магнитофонные ленты, дискеты, перфоленты, компакт-диски, «флэшки», каменные плиты, берестяные, кожаные (пергаментные) или металлические пластинки и т. п. Здесь главным свойством носителей информации является обеспечение длительной сохранности знаковых сообщенийв условиях воздействия на них различных физико-химических факторов среды хранения и передачи (помех).

Каким же образом объективнооценитьколичествопередаваемой инфор-мации (чтобы рассчитать необходимуюпропускную способностьканала передачи и (или) информационную ёмкость носителей информации) ипроцент её потерь при разрушающем воздействии на носители информации различного рода помех? Это – одна из фундаментальных проблем прикладной теории информации.

Подчеркнём, чтосовокупность сообщений, которыми люди обмениваются между собой, не является последовательностью стимуловк определённым действиям индивида (см. Прил. 1). Сообщения, реализованные в определённой материальной форме, содержат (идеальные) сведения о предметах и явлениях внешнего и внутреннего (по отношению к субъекту) мира.Содержанием этих сообщений является некотораяинформация. А отдельные материализованные элементы сообщения называютсязнаками.

Знаки, соответствующие элементам сообщения, могут быть самыми разнообразными. Жесты и мимика – для глухонемых, тактильные знаки – для слепых, нотные знаки – для музыкантов, знаки дорожного движения – для шофёров, математические знаки – для математиков и физиков-теоретиков, сигнальные флажки и семафорная азбука – для моряков, условные знаки на топографических и географических картах – для путешествующих и геодезистов, элементы чертежей – для инженеров-конструкторов, голосовые фонемы – для слышащих, рукописные и печатные буквы – для грамотных зрячих и т. д. Одно и то же сообщение можно выразить в различныхсистемах знаков, а материальные носители информации можно собирать и хранить в различной форме: библиотеки, фоно-, видео- и медиатеки, архивы фото-, кино- и других документов, перфоленты телетайпов и ПЗУ компьютеров и т. д., и т. п.

Информация, материализованная в какой-либо из знаковых систем, имееттри главные стороны или уровня (им соответствуют три раздела теории знаковых систем – семиотики [30]: см. Прил. 1). Она имеет определённую внутреннюю структуру (совокупность знаков и их взаимосвязь – синтактический, или формальный уровень семиотики), имеет определённую систему связей (через первую или вторую сигнальные системы человека) с материальными или идеальными объектами, отражаемыми в сознании человека (семантический уровень – объективная сторона информации), а также систему связей с «внутренним миром» индивида и его потребностями (систему ценностей информации:прагматический уровень– субъективная сторона информации).

Для определения предмета прикладной теории информации и содержания решаемых ею математических задач рассмотрим функционирование информационной эрготехнической системы (ЭТИС), представленной на рис. 1.

В простейшем случае система ЭТИС состоит изтрёхосновных взаимодействующих между собой элементов: двух субъективных (общающихся индивидов) и технической подсистемы дистанционного обмена сообщениями. Субъективные элементы ЭТИС попеременно выступают в качестве либо источника

Общая структура системы ЭТИС в состоянии передачи информации представляется в виде источника сообщений ИС, получателя информации ПИ и подсистемы передачи и приёма сообщений (ПСППС – см. рис. 1).

Рис. 1. Общая структура эрготехнической информационной системы

сообщений (ИС), либо получателя информации (ПИ).

При этом подсистема ПСППС в общем случае состоит из:

– входного преобразователя информации 1 (микрофон, перо с чернилами, кисти с красками, клавиатура компьютера или телетайпа, молоток со стилом или рубилом и т. д.);

– входного оперативного запоминающего устройства ОЗУ (магнитофон, бумага, холст, перфолента, ОЗУ ПК, каменная плита и т. д.);

– устройства хранения информации ПЗУ (фонотека, архив рукописей или библиотека, коллекция картин, ячейки для хранения перфолент, ПЗУ ПК, архитектурное сооружение и т. д.);

– канала связи (канала передачи сообщений – КПС: определённый «воздушный коридор» или радиосистема передачи сообщений, читальный зал или рабочий стол читателя, музей или картинная галерея, модемы с телефонной линией связи, стена архитектурного сооружения и т. д.);

– выходного ОЗУ (магнитофон, ОЗУ ПК и др.);

– выходного преобразователя информации 2 (громкоговоритель, настольная лампа и очки, освещение в картинном зале музея, монитор ПК и т. п.).

В зависимости от конкретной реализации системы ЭТИС некоторые элементы подсистемы ПСППС могут отсутствовать.

Единичный акт информационного взаимодействия двух субъектов системы ЭТИС заключается в следующем. Субъект-ИС, исходя из своих внутренних (подсознательных) побуждений и из своейиндивидуальной системы знаний об объективной действительности(так называемоготезауруса – см. Прил. 1) выбираетфрагмент, который он считает нужным сообщить субъекту-ПИ. Этот фрагмент субъект-ИС формулирует («в уме») в виде последовательности знаков в системе знаков (то есть в языковой системе), понятной субъекту-ПИ, и формирует сообщение. На этом идеальная подготовка к передаче сообщения заканчивается.

Затем субъект-ПИ вступает вэнергетическое взаимодействие с входным преобразователем информации 1 подсистемы ПСППС и «материализует» своё сообщение в выбранной субъектом сигнальной форме. В это же время (при наличии динамического канала связи) или через 1000 лет (при археологических раскопках) субъект-ПИ вступает в энергетическое взаимодействие с выходным преобразователем информации 2 подсистемы ПСППС ивоспринимает сообщение (синтактический уровень семиотики),осмысливаетего (семантический уровень) иоценивает(прагматический уровень).

После определения ценности принятого сообщения субъект-ПИ может «захотеть» послать, если это позволяет подсистема ПСППС, ответное сообщение. Тогда состояние системы ЭТИС изменяется на противоположное, то есть субъект-ИС становится получателем информации, а субъект-ПИ – источником сообщений и т. д.

В процессеформировании(при выработке)информации посредством исследовательских ЭТИС перед системой ЭТИС предстаёт не субъект-ИС, а объект наблюдения илиизмерения. Входной преобразователь 1 взаимодействует (энергетически) с этим объектом, а результаты этого взаимодействия преобразователь 1 преобразует всигналыопределённого вида. Система ЭТИС сравнивает полученные сигналы с заранее подготовленнымиэталонными сигналами– и определённым образомклассифицируетрезультаты сравнения. Такой процесс называется измерением, а его результаты – измерительной (метрологической)информацией [47].

Почему мы так подробно рассмотрели «философию» информационных эрготехнических систем? Ведь нас, как инженеров-прикладников, прежде всего, интересуют технические средства системы ЭТИС – подсистема ПСППС.

Дело в том, что технические характеристики (в том числе и количественные) системы ПСППС какподсистемы системы ЭТИС определяются требованиями со сторонынадсистемысистемы ПСППС, то есть системыЭТИС. К сожалению, со времён К. Шеннона (1948 г.) в формально-математической теории информации (МТИ) сложилась традиция трактовать процесс информационного взаимодействия несколько иным образом.

Считается, что у субъекта информационного взаимодействия имеется конечный набор возможных (уже сформированных!) сообщений. Субъект-ИС выбирает из этого набора некоторые сообщения и последовательно передаёт их субъекту-ПИ. Спрашивается, какое количество информации – при такой трактовке процесса информационного взаимодействия – принимает получатель данного сообщения?

Если субъект-ПИ в своём наборе (тезаурусе) уже имеет принятое сообщение, то оно ему «не нужно» (как филателисту – имеющуюся у него марку!), то есть он получает нулевое количество содержательной (семантической) информации. Если же получатель информации в своём наборе не имеет принятого им сообщения, то он оказывается по отношению к этому сообщению в третьей семиотической позиции (см. Прил. 1): он осознаёт, что перед ним – сообщение (на незнакомом ему языке!), но понять (осмыслить) это сообщение он не может. Содержательное количество полученной им информации также нулевое, поскольку состояние его тезауруса практически не меняется. То есть обмен информацией между субъектами информационного взаимодействия при такой формальной логике невозможен.

Это напоминает апорию (логический парадокс) древнегреческого философа Зенона о стреле, выпущенной из лука: при «строгом» формально-логиче-ском рассуждении она не должна полететь.

По этому ключевому для прикладной теории информации вопросу Шеннон утверждал ([46], с. 243): «... посылаемое сообщение является сообщением, выбранным из некоторого множества возможных сообщений ...» [курсив Шеннона – Г. Х.].

«Если множество возможных сообщений конечно, то число сообщений или любую монотонную функцию от этого числа можно рассматривать как меру информации, создаваемой выбором одного сообщения из этого множества, в предположении, что все сообщения равновероятны. Как было указано Хартли, наиболее естественно выбрать логарифмическую функцию».

Здесь совершенно непонятно, откуда взялась «равновероятность всех [вообще говоря, бесконечного множества] сообщений», если в наборе сообщений получателя информации это сообщение уже имеется, а описанный Шенноном процесс информационного взаимодействия совершенно детерминированный? И что значит: «естественно выбрать»?

Это принципиальное противоречие формально-математической теории информации достаточно просто разрешается при семиотическом подходе к процессу информационного взаимодействия, который описан выше. Поэтому ещё раз подчеркнём, что количество (семантической) информации, получаемое субъектом-получателем информации при приёме им данного сообщения, есть мера степени изменения тезауруса получателя информации, а понятие «тезаурус» (см. Прил. 1) принципиально отличается от понятия «множество возможных сообщений» и включает в себя степень ожидаемости (неожиданности) семантической информации, содержащейся в данном сообщении.

Рассмотрим роль подсистемы ПСППС в системах ЭТИС на конкретном примере телефонных переговоров двух субъектов.

Если между субъектами установлена высококачественная телефонная связь, то субъект-ИС спокойно произносит в микрофон фразу за фразой, субъект-ПИ (если он владеет данным языком и имеет соответствующий тезаурус) воспринимает её безошибочно, обдумывает ответ, произносит этот ответ в свой микрофон и т. д. Таким образом идёт процесс нормального информационного взаимодействия между субъектами.

Для высококачественной телефонной связи требуется определённое отношение «сигнал/шум» в телефонном канале и определённая полоса пропускания по аудиочастотам: в идеальном случае канал должен иметь равномерную амплитудно-частотную характеристику в полосе частот от 16 до 20 000 Гц. Однако, поскольку общедоступный ресурс (особенно – радиочастотный) ограничен, то верхнюю частоту полосы пропускания подсистемы ПСППС стремятся свести к минимуму. Так, в телефонной связи ограничиваются верхней частотой 3 400 Гц.

Чем же определяется этот минимум? При дальнейшем уменьшении верхней частоты полосы пропускания канала связи уменьшается разборчивость речи, что ведёт к неправильному восприятию субъектом-ПИ звуковых фонем, а значит – к потере части информации.

Далее. В канале электросвязи подсистемы ПСППС всегда присутствуют различные помехи (шумы, трéски, замирания, просачивание в телефонную линию «чужих» разговоров и т. п.). Если уровень помех в линии связи достаточно высокий, то субъект-ИС будет вынужден сначала замедлять темп речи, затем «повышать голос», повторять сообщения по несколько раз и даже переходить на передачу сообщений «по буквам»: “а” = Антон, “б” = Борис, “в” = Виктор и т. п.

Это значит, что субъекты информационного взаимодействия «интуитивно» применяют ряд способов сохранения качества функционирования системы ЭТИС при различной помеховой обстановке в канале связи подсистемы ПСППС: снижение скорости передачи сообщений (сужение необходимой полосы пропускания слухового аппарата субъекта-ПИ, что повышает отношение «сигнал/шум»), повышение мощности передаваемых сигналов, дублирование сообщений, избыточное «канальное кодирование» элементарных сообщений (фонем) при передаче «по буквам» и ряд других. При этом субъекты общения «машинально» оценивают качество канала связи исходя из допустимой степени потерь информации – и дают себе или собеседнику команды на применение тех или иных способов повышения качества передачи информации за счёт психофизиологических средств субъектов общения.

Так или иначе, но общающиеся субъекты добиваются, по возможности, почти безошибочной передачи информации даже при очень большом уровне помех в канале связи подсистемы ПСППС.

В современных подсистемах ПСППС типа цифровых сотовых радиотелефонных систем подвижной электросвязи все эти способы обеспечения качества передачи информации (и некоторые другие) используются и осуществляются автоматически – техническими средствами самой подсистемы ПСППС. Эти способы можно подразделить на энергетические (повышение мощности передатчика, чувствительности приёмника, сужение полосы частот и т. п.) и информационные (дублирование сообщений, помехоустойчивое кодирование и т. п.). Первые изучаются в научно-прикладных дисциплинах «Статистическая теория радиотехнических систем» и «Статистическая теория связи», вторые – в дисциплине «Прикладная теория информации».

Основные требования, предъявляемые к технической подсистеме ПСППСсо стороны системыЭТИС, следующие.

· Формирование измерительной (метрологической) информации о текущих технических характеристиках канала электросвязи и оценивание на основании этой информации качества канала связи.

· Автоматическое применение соответствующих способов повышения качества и надёжности каналов электросвязи.

Основными критериями качества функционирования подсистемы ПСППС являются:

а) в динамическихПСППС –своевременная(с допустимой задержкой)доставкасообщений от источников сообщений к получателям информации с минимальной потерейинформации в подсистеме ПСППС;

б ) в статическихПСППС – долговременное хранение информации в запоминающих устройствах ПСППС с минимальными потерями в течение заданных сроков хранения.

При системотехническом проектировании технических средств подсистемы ПСППС разработчик этих средств должен уметь оцениватьколичество информации, содержащейся в передаваемых сообщениях, а также потерянной в процессе хранения, распределения, преобразования и передачи сообщений посредством подсистемы ПСППС. Это позволяет оценивать качество принимаемых нами технических решений и выбирать из нихоптимальные решения. При выборе тех или иных технических средств подсистемы ПСППС из уже имеющихся в распоряжении радиоинженера – он должен уметь сравнивать информационные характеристики этих средств, чтобы выбирать из них наилучшие.

Поэтому

Первое, что нужно сделать для развития информационной теории радиосистем – это определить меру количества информации, содержащейся в данном знаковом (семиотическом) сообщении, что мы и осуществим в разд. 3.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы основные уровни информационного взаимодействия в живой природе?

2. Каковы главные информационные уровни, существующие в знаковых (семиотических) системах?

3. Какова общая структура информационной системы?

4. Как функционирует информационная система общего вида?

5. Каковы основные различия в трактовках процесса информационного взаимодействия, которые содержатся в информационной теории систем электросвязи и в формально-математической теории информации?

6. Чем определяется количество семантической информации, получаемой субъектом в процессе информационного взаимодействия?

7. Какие общие способы повышения надёжности информационного взаимодействия применяются в информационных системах при наличии в каналах связи различных видов помех?

8. Какие основные требования предъявляются к системам электросвязи как подсистемам информационных систем?

9. Каковы основные информационные критерии качества функционирования систем электросвязи?