Информационные процессы. Обобщенная модель.

Информационные процессы. Обобщенная модель.

СОДЕРЖАНИЕ 4. Информационные процессы. Обобщенная модель. 4. 1. Идеальный и материальный аспекты информационного взаимодействия 4. 2. Моделирование информационного процесса 4. 3. Общая схема системы связи по К. Шеннону 4. 4. Обобщение модели К. Шеннона 4. 4. 1. Физическая среда взаимодействия 4. 4. 2. Коммуниканты 4. 4. 3. Обобщенная модель информационного процесса 4. 4. 4. Информационные объекты 4. 4. 5. Классификация сигналов 4. 4. 6. Этапы и фазы информационного процесса 4. 4. Базовые информационные процессы. 4. 3. 1. Сохранение данных 4. 3. 1. Распространение данных 4. 3. 3. Обработка данных 4_ Инфопроцессы. Обобщенная модель.

Изучение информационных процессов является основной теоретической зада- чей информатики, поскольку именно через информационные процессы реализуются об- щие законы и закономерности информационного взаимодействия в природе и обществе. Нельзя построить информационную техноло- гию без описания информационного процесса. Общефилософский принцип движения познания от явления к сущности и системный принцип пе- рехода от функции к структуре реализуются в информатике в результате перехода к информационной технологии от информационного процесса. Информационные технологии Информационные процессы Информация: и смысл, и данные Процесс – это система последовательных действий для достижения какой-либо цели. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ЧТО ТАКОЕ ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС Информационный процесс – это последовательность операций по преобразо- ванию информации, которая обеспечивает информационное взаимодействие источника и получателя информации. Информационный процесс может быть: - естественным, т. е. протекающим по объективным законам природы независимо от человека, - искусственным, т. е. организованным людьми для взаимодействия друг с другом. Информационный процесс, подобно тому, как и сама информация, имеет идеальный и материальный аспекты. Информационный процесс Идеальный аспект обеспечивает: Материальный аспект обеспечи- генерацию (на передающей стороне), вает физический доступ получателя к освоение (на приемной стороне) данным. Для этого необходимо: идеальных категорий: смыслов, значений, открыть к данным доступ в выбранное образов, эмоций и т. п. Эти процессы получателем время; предполагают наличие сознания разместить данные в точке пространст- (интеллекта) у источника и получателя ва, доступной получателю; информации и приводят к изменению представить данные в форме, доступ- знаний взаимодействующих сторон. ной для интерпретации получателем. Разработка технологий реализации искусственных информационных процессов невозможна без их формальных описаний. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ПРИМЕРЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ Физиологические возможности людей позволяют им обмениваться информацией только с современниками и только на небольших расстояниях и дают ограниченные возможности по обработке данных. Для переноса информации во времени и на расстояние, как и для обработки данных, нужны специальные технологии. Ваши потомки через 100 ли 200 лет Пример 1. Передача информации во времени. смогут узнать, как вы выглядели в Как передать информацию далеким потомкам? начале XXI века? Смогут узнать запах ваших духов? Первая электрическая система связи Пример 2. Передача информации в пространстве. (телеграф) была Как в реальном масштабе времени перенести создана в России информацию из одной точки пространства в другую? П. Л. Шиллингом в 1832 году. a b c d e f g h i d e f g h i j k l Пример 3. Обработка (изменение формы Шифр представления) информации. j k l m n o p q r Цезаря Как «спрятать» смысл информации, представить m n o p q r s t u ее на неизвестном для других языке? s t u v w x y z 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель. v w x y z a b c

МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА Моделирование – универсальный метод исследования О Пи систем по их моделям. сывают Модель – это такая мысленно представляемая или ма- териально реализованная система, которая отобража- ет и воспроизводит объект так, что ее изучение дает новую информацию об этом объекте. Модель располагается между объектом исследования (оригиналом) и исследователем, подобна оригиналу по основным параметрам, но проще и удобнее его при проведении исследований. Три типа моделей информационных процессов. Обобщенная Эталонные Метрические объединяет основные ин- количественно описывают процес- ориентированы на разработку формационные и матери- сы преобразования информацион- аппапратных и программных альные элементы и сопос- ных объектов в системе с координа- средств информационных тавляет их отдельным эта- тами пространства, времени и технологий и строятся в соот- пам и фазам реализации энергии и создают основу для оцен- ветствии с принципами и информационного процесса ки характеристик информационных свойствами открытых систем процессов Использование моделей всех трех типов позволяет выделить общие и единичные принципы построения базовых информационных технологий в цифровой среде. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ПЕРЕНОС ИНФОРМАЦИИ В ПРОСТРАНСТВЕ (по К. Шеннону) Одним из первых описаний информационного процесса является общая схема системы связи, которая предназначена для «точного или приближенного переноса сообщения между двумя точками пространства» . Эта модель положена К. Шенноном в основу ма- тематической теории связи. Принятый Сигнал сигнал Источник Приемник Адресат Передатчик Канал информации Сообщение Источник Сообщение шума В терминологии К. Шеннона: источник информации создает сообщение или последовательность сообщений, которые должны быть переданы на приемный конец; передатчик некоторым образом перерабатывает сообщения в сигналы, соответствующие характеристикам канала. В процессе передачи сигнал может быть искажен шумом; канал – это среда, используемая для передачи сигнала от передатчика к приемнику; приемник выполняет операцию, обратную по отношению к операции передатчика, восстанавливая сообщение по сигналам, и передает его адресату; адресат – получатель адресованной ему информации источника. Обобщение модели К. Шеннона на другие виды информационных процессов связано с расширением понятий «канал связи» , «источник информации» , «адресат» , «передатчик» и «приемник» . 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ФИЗИЧЕСКАЯ СРЕДА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ (обобщение понятия канала связи) Среда взаимодействия обеспечивает преобразование коор- динат существования данных таким образом, чтобы они стали доступны получателю. Такими координатами являются: 1) время доступности для использования, 2) пространственное расположение, Данные существуют в 3) физическая форма представления. пространстве и времени и имеют материальное представление Способность среды взаимодействия изменять временную, пространственную и физичес- кую координаты сигнала превращает ее, соответственно, в: память – это средства для записи (сохранения) сигналов в момент доступа источника и считывания (снятия) сигналов в момент доступа получателя; канал связи – это средства для передачи сигналов в пространстве от ис- точника к получателю; обработчик данных – это средства для изменения физической формы сигнала между моментами доступа источника и получателя. Среда взаимодействия сохраняет сигнал (свойство памяти), распространяет сигнал (свойство канала связи) и изменяет форму сигнала (свойство обработчика данных). Количественное проявление этих свойств зависит от вида сигнала и ВНЕШНЕГО УПРАВЛЕНИЯ. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

КОММУНИКАНТЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА (обобщение понятий источник информации и адресат) Коммуниканты – это материальные объекты, которые обладают интеллек- том (сознанием) и способны генерировать и осваивать информацию. На материальном уровне коммуниканты должны различать знаки языка взаимодействия: - устанавливать совпадение и различие между знаками из информационного базиса; - определять порядок следования знаков друг за другом во времени и пространстве. Разделение коммуникантов на источник и адресат условно. Их роли могут меняться: 1. Обратная связь превращает информационный процесс в диалог. Коммуникант Сигнальное Среда Сигнальное устройство взаимодействия устройство Коммуникант 2. Источник информации может Сигнальное Среда быть, одновременно, и получате- Коммуникант взаимодействия устройство лем, например, обработанной или сохраненной информации. Источник и получатель информации могут находится в разных точках как временной, так и пространственной осей существования материальных объектов. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА (обобщение общей схемы системы связи) В общем виде информационный процесс включает: материальные объекты для преобразования информации и данных – это коммуниканты, выполняющие роли источника и получателя информации, среда взаимодействия, обеспечивающая преобразование координат сигнала, сигнальные устройства, которые выполняют функции и передатчика, и приемника, превращая при передаче сообщение в сигнал, а приеме – сигнал в сообщение; информационные объекты – это информация коммуникантов и данные (сообщения и сигнал); воздействия со стороны внешней среды – это помехи (шум) и управления средой взаимодействия. Среда Сигнальное взаимодействия Сигнальное Коммуникант устройство (память, канал связи, устройство Коммуникант обработчик) Управление Данные Информация Данные Информация (сообщение источника (сигнал) получателя источника) получателя) Помехи Идеальная часть Материальная часть Обобщенная модель может быть положена в основу разработки широкого круга информационных технологий в цифровой среде. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОБЪЕКТЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА Информационными объектами процесса информационного взаимодействия являются: сообщения, данные и сигналы. Все эти объекты материальны, но имеют разную физическую природу. Во всех случаях они несут одну и ту же информацию, сгенерированную источником. Сообщение – это кодовая последовательность материальных знаков языка, составленная источником информации и отражающая закодированный им смысл. Главное в сообщении – это то, что оно несет смысл и закодированная в нем информация понятна получателю. Данные – это обобщенное обозначение для любой информации, представленной в материальной форме. Если абстрагироваться от смысла сообщения, то оно представляет собой данные информационного взаимодействия, и, наоборот, данные превращаются в сообщение только для такого коммуниканта, который понимает заложенный в них смысл. Сигнал – это те же данные, но имеющие физическую форму (электромагнитную, электрическую, световую, механическую и др. ), согласованную со средой взаимодействия. Главное в сигнале – это то, что он способен перемещаться в среде взаимодействия от источника к получателю информации и во времени, и в пространстве, и изменять свою физическую форму. Сигнал – это носитель (или переносчик) данных. Сигнал подвержен воздействию помех. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ СИГНАЛЫ В качестве сигнала может использоваться любой физический объект или процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Следует различать естественные и искусственные сигналы. Естественные создаются в природе независимо от человека, но могут декодироваться человеком. Геологические срезы несут Примеры естественных сигналов. информацию о последова- тельности важнейших 862 г. – образование древнерусского государства событий в геологической (988 г. – крещение Руси). истории Земли. Годовые кольца дерева несут информацию о климатических особенностях далеких эпох. Этому мамонтову дереву был 1341 год (550 – 1891 гг). Макс. известн. возр. 3200 лет. Свет звезд является носителем информации о Молекула ДНК – физической природе носитель далеких галактик. информации обо всех предках человека. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ИСКУССТВЕННЫЕ СИГНАЛЫ Для информационного взаимодействия друг с другом люди создают искусственные сигналы, к которым предъявляются три главных требования: 1) сигнал должен существовать до тех пор, пока коммуникант не снимет информацию; 2) скорость распространения сигнала в пространстве должна соответствовать желаемой скорости доставки информации; 3) сигналы должны допускать обработку, изменение формы представления данных. С точки зрения используемых физических принципов следует различать искусственные сигналы в виде физических полей и вещественно-предметные сигналы. Сигналы в виде физических полей (звуковых, электромагнитных, гам- ма и рентгеновских излучений и др. ) имеют относительно малое время жизни, но высокую скорость распространения в пространстве. Их ис- пользуют для информационного взаимодействия на расстоянии по кана- лам связи. Примерами вещественных сигналов служат надпи- си (на камне, глине, папирусе, пергаменте, бересте, бумаге), узлы на веревке, компьютерные запоминаю -щие устройства и др. Они имеют значительное вре- мя жизни, но ограниченную скорость перемещения Кипу инков в пространстве. Их удобно использовать как память 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель. для сохранения информации во времени.

АНАЛОГОВЫЕ И ДИСКРЕТНЫЕ СИГНАЛЫ Аналоговые сигналы отражают непрерывность времени и пространства в природе и основывается на неделимости объекта как целого. Дискретные сигналы предполагают возможность разделения объекта и во вре- мени, и в пространстве на относительно самостоятельные составляющие. Дискретные сигналы особенно удобны для преобразования на цифровой технике. Сигналы, представленные физическими полями. Аналоговые Дискретные Описываются непрерывными ма- Описываются функцией отсчетов в тематическими функциями, пред- виде последовательности значений ставляют собой непрерывный энергии сигнала в определенные поток энергии, изменяющейся моменты времени в определен- во времени и пространстве. ных точках пространства. Сигналы вещественно-предметного типа. Аналоговые Дискретные Это изготовленные в единствен- Это абсолютно точные ном экземпляре вещи, которые не- копии других вещей, сут уникальную информацию и не которые несут ту же могут быть точно скопированы. самую информацию. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ЭТАПЫ И ФАЗЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА Источник Получатель информации 7. Интерпретация 1. Рождение смысла смысла 2. Кодирование ФАЗЫ 1 – 7 6. Декодирование смысла источником смысла получателем Сообщение 4. Преобразование Сообщение Сиг сигнала л 3. Кодирование сооб- на нал Сиг 5. Декодирование щения сигнальным Среда сигнала сигнальным устройством взаимо- устройством действия Этап 1. Доступ Этап 2. Этап 3. Доступ источника к среде Преобразование получателя к среде взаимодействия. сигнала средой взаимодействия. взаимодействия. Для реализации этапов 1 и 3 коммуниканты должны иметь доступ к техническим сред- ствам, обеспечивающим кодирование (декодирование) смысла в сообщении и сигнале. На этапе 2 решается основная задача информационного взаимодействия – преобразо- вание сигнала (изменение его временной, пространственной или физической координат). 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ПРИМЕР ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА Источник информации Кодирование 1. Рождение СМЫСЛА у источника информации. 2. Формирование СООБЩЕНИЯ (кодирование смысла) источником информации на каком-либо языке. Сигнал 3. Превращение сообщения в СИГНАЛ (кодирование сообщения сигнальным Среда взаимодействия устройством ). (библиотека) 4. ПЕРЕДАЧА сигнала (преодоление време- Сигнал подвержен воздействию помех ни, пространства и (или) материальной формы). 5. Восстановление СООБЩЕНИЯ из сигнала. (прием сигнала сигнальным устройством, выде- ление из помех, декодирование). Восстановленный Получатель понял смысл сигнал 6. Интерпретация (постижение СМЫСЛА) сообщения получателем информации. Сообщение получателя 7. Реакция на смысловое содержание сообщения. Закон Источник и получатель взаимодействуют! всемирного 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель. тяготения

БАЗОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ Базовыми являются три информационных процесса, преобразующие временную, пространственную и физическую координаты сигнала. Это, соответственно: 1) процесс сохранения данных – это доведение до получателей информационных объектов после их содержания в памяти в сохранности, целостности и безопасности в течении требуемого времени. 2) процесс распространения данных – это своевременное доведение информационных объек- тов по каналам связи до получателей, находящихся в разных точках пространства. 3) процесс обработки данных – это доведение до получателей новых по форме представления инфор- мационных объектов, полученных из исходных путем выполнения обработчиками данных некоторых алгоритмов перекодирования (преобразования). Любые другие информационные процессы являются синтетическими, поскольку могут быть представлены в виде последовательности выполнения базовых информационных процессов. Примеры синтетических информационных процессов: сбор, поиск, сортировка, ввод, вы- вод, накопление, визуализация, классификация, учет, упаковка, копирование, формализа -ция, комбинирование, упрощение, измерение, разрушение данных и др. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

СИГНАЛЫ ДЛЯ ПРОЦЕССА СОХРАНЕНИЯ Поскольку информационный процесс сохранения данных обеспечивает перемещение ин- формации во времени, данные можно доверить только такому сигналу, который пред- ставляет собой долговечный материальный носитель (хранитель) данных, даже если та- кой сигнал трудно перемещать в пространстве и подвергать обработке. Сигнал характеризуется информационной емкостью (наибольший объем данных, сохраняемых единовременно) и гарантированным временем хранения. Задача среды взаимодействия обеспечивать защиту сиг Российская Государственная библиотека -нала от помех. Она представляет собой хранилище дан -ных – датахранилище. Это определенным обра- зом организованная среда, защищающая сигналы от помех и увеличивающая время хранения данных на но- сителе. Типовая комната датацентра Яндекса Примерами датахранили- ща могут служить: 1) библиотека, в которой созданы условия для хранения и поиска бумажных книг, 2) компьютерный центр, в котором надежность хранения данных на цифровых носителях поддерживается гаранти- рованным электропитанием, системами кондиционирова- ния, пожаротушения, дублированием данных и др. Качество датахранилища определяют не только объем и надежность хранения, но и временя доступа к данным. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ПРИМЕРЫ ДОЛГОВЕЧНЫХ СИГНАЛОВ – ХРАНИТЕЛЕЙ ДАННЫХ Доисторический Клинопись шумеров (IV – III тысяч. до н. э. ) Самые мультфильм долговечные хранители информации – это камни Переговорный камень, Соловки Материальная природа сигналов – хранителей данных может быть различной. Здесь при- ведены примеры материальных носителей, которые успешно хранят данные сотни и ты- сячи лет. В современном компьютере используются магнитные, полупроводниковые и оптические носители. Папирус из египетской Русские бытовые «Велесова книга» древних славян «Книги мертвых» берестяные грамоты (V – IX вв, фото дощечки 16) (III- I тыс. до н. э. ) (XI – XY вв) Цифровая компьютерная память предоставляет новые возможности для сохранения данных. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

СИГНАЛЫ ДЛЯ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ Для распространения информации данные доверяют сигналу, способно- му переместиться в пространстве от источника к получателю информа- ции. Материальная природа сигналов различна – почтовые отправления, электрические колебания, радиоволны, свет и др. Соответственно, в ка- честве среды взаимодействия выступают транспорт, медный кабель ат- Оптические каналы отличаются мосфера, космос, толща Земли, светово- Воздействие помех длиной волны ды и др. В современных электрических сетях сигналы распростра- няются по каналам связи, которые образуются путем мультиплексирования линий связи. Сигнал в канале связи надо защищать от помех, но можно разрушить сразу же после его доставки на приемную сторону. К главным характеристикам сигналов для информационного процесса рас- пространения относятся время распространения от источника к получателю и количество данных, которое можно переместить при помощи сигнала. Предельное значение количества данных, перемещаемых по кана-лу связи в единицу времени, называют пропускная способность канала. свойством информационных сетей является Важным время доступа к линиям и каналам связи при отправке и приеме данных. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ПРИМЕРЫ СПОСОБОВ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ДЛЯ РАСПРОСТРОНЕНИЯ ДАННЫХ Важные изобретения XIX и XX веков связаны с использованием электро- магнетизма для формирования сигналов для взаимодействия на расстоянии. Телеприемник КВН, 1949 г. Телеграф (П. Л. Шиллинг, 1832 г. ) Радио (А. С. Попов, 1895 г. ) Здесь приведены примеры сигналов, которые используются для перемещения информации на расстояние. Современные коммерческие линии связи способны передавать данные без пере- приема на расстояние до ста километров на скорости 10 Тбит/с. Аналоговый и дискретный Телефон (А. Белл, 1876 г. ) Угольный микрофон сигналы Цифровые сети связи предоставляют другие возможности для распространения информации. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

СИГНАЛЫ ДЛЯ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ Алгоритмы обработки данных могут выполняться над сигналами, имеющими самую различную физическую природу: механическую, электрическую в виде постоянного тока или электрических дискретных сигналов, световую и др. Соответственно форме сигнала среда взаимодействия, обрабатываю- щая данные представляет собой: 1) механическое устройство – арифмометр, счеты или логарифми- ческая линейка; 2) электромеханическое устройство на базе электромагнитных реле; Арифмометр 3) процессор электронной вычислительной машины (компьютера); 4) оптический процессор, выполняющий операции обработки пу- тем манипуляции потоками оптического излучения; 5) квантовый процессор. Логическая функция на оптических элементах Главными характеристиками сигнала для информационного процесса обработки являются скорость обработки, т. е. количество эта- лонных операций, которое можно совершить над сигналом за единицу времени, и разнообразие операций, которые можно приме-нить к сигналу. Для процесса обработки большое значение имеет время доступа к обработчику данных при загрузке алгоритмов, при формировании Квантовый процессор исходных данных и при получении результатов. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ПРИМЕРЫ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Копирование данных Поиск данных Визуализация данных Представление данных Обработка данных является главным источником увеличения объема информационных ресурсов, поскольку в процессе обработки исходные данные не теряются. Для каждого процесса обработки разработан (или можно разработать) специальный данных. Сортировка алгоритм. Ввод данных Сбор данных Цифровые вычислительные устройства предоставляют другие возможности для обработки данных. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

РЕСУРСЫ ДЛЯ БАЗОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ Информация – это смысл, созданный коммуникантом и представленный им на каком-либо языке взаимодействия в виде последовательности знаков, имеющих физическую реализацию. Для сохранения данных последовательность физических объектов языка взаимодействия надо разместить в пространстве и защищать от разрушения (помех) их взаимное прост- ранственное расположение, поэтому для сохранения требуется пространство! Напри- мер, площадь компакт-дисков, необходимых для сохранения данных, произведенных человечоством в 1999 году, достигает цифры в ~ 22, 6 млн. м 2, а вес ~ 15, 7 тыс. т. Для распространения данных надо перемещать физические объекты языка взаимодейст- вия из текущей в какие-либо другие точки пространства. Последовательное перемеще- ние физических объектов не может произойти мгновенно, поэтому для распростране- ния требуется время! Например, чтобы передать на расстояние все данные, произведен- ные в 1999 году, по самому быстрому каналу связи (10 Тбит/с) потребуется ~16*106 сек. (более полугода), а по телефонному каналу (64 кбит/с) – около 80 тыс. лет. Для обработки данных надо изменять состав и (или) последовательность физических объектов языка взаимодействия. Любые действия, направленные на изменение структу- ры, формы или других качеств физических объектов требуют энергетических затрат. Энергия – это комплексная характеристика, выражающая способность произвести дейст- вия, в том числе и при обработке данных. Для обработки данных требуется энергия! Не случайно главными потребителями энергии в современном компьютере являются устройства обработки, такие как процессор или видеокарта. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

ВЫВОДЫ: ОСОБЕННОСТИ БАЗОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ Информационные процессы Сохранение Распространение Обработка Сигнал переносит Сигнал изменяет свою данные во времени, данные в пространстве физическую форму сохраняет данные Среда взаимодействия Датахранилище Канал связи Обработчик данных Основной ресурс для реализации Пространство Время Энергия Характеристики Информационная Время доставки, Скорость обработки, емкость, время пропускная разнообразие хранения способность алгоритмов 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.

Информационные процессы на материальном уровне не создают новой информации, они только преобразуют данные, изменяют временную, пространственную и физическую координаты их существования. Только мозг человека способен создать новую информацию путем исследования окружающего мира, воспринимая, фиксируя и анализируя первичную информацию при помощи органов чувств или специальных приборов. 4_Инфопроцессы. Обобщенная модель.