Раздел 1. Основные понятия информатики

Основные понятия информатики

. 1. Общие вопросы информатики

Все существующие системы, поддерживающие развитие и устойчивое состояние, должны получать и обрабатывать информацию из внешнего, по отношению к ним, мира. Особенности и характеристики этого мира определяют методы, способы, технологию, структуры и использование систем обработки информации. В этом смысле человек как биологический объект является одной из самых мощных систем.

Практически вся информация служит для получения новых знаний и создания возможности управления соответствующими системами. Естественно, что не всегда информация может использоваться для управления, так, например, обстоит дело в астрономии.

Однако только с развитием кибернетики стало возможным точно сформулировать структуру и процессы систем управления, в которой впервые было сформулирована и теоретически обоснована необходимость обратной связи (рис. 1.1), т.е. необходимость замкнутого цикла в любых системах с управлением. Такие системы имеют более общий характер, поэтому и рассматриваются в первую очередь.

Рис.1. 1. Замкнутый цикл систем управления

В системах управления должны существовать две взаимосвязанные системы: управляющая и управляемая (рис. 1.1), создающие возможности целенаправленного управления, что является основой естественных и искусственных управляемых систем.

Прямая связь (рис.1.1) несет информацию об объекте для создания управляющих воздействий и достижения заданной цели (на этом этапе будем использовать интуитивное понимание информации как сообщения),обратная связь - передает информацию и/или управляющие воздействия.

Процесс управления осуществляется последовательным выполнением необходимых функций. Длительное время основными считались только функции машин, механизмов, взаимодействие людей, выполнение расчетов и т. п.

Рассмотрим более детально пример управляющей системы (рис.1.2).

Рис.1.2. Система управления (Д1,Д2-датчики; И1,И2 - исполнительные устройства)

В системе, на рис.1.2., показано, что для получения информации используются датчики, которые в реальном случае могут быть совершенно различными и их количество произвольно. Действительно, объект может иметь множество точек, изменение значений в которых является существенным для управления или получения знаний. Например, такими являются температурные точки устройств, места, где меняются значения электромагнитного поля, давления и другие характеристики, такими же являются и места, где изменяется форма или содержание документов.

В общем случае датчиком может служить любой объект, из которого получают информацию, в том числе и человек (например, в социальных или экономических системах).

Объекты характеризуются проблемным назначением: различные двигатели (характеристики воды, топлива и т. п.), машины, энергетические, радиоэлектронные, биологические и др. системы. Текущее состояние любого из них определяется соответствующими характеристиками физических процессов и полей (электрический ток и/или напряжение, оптическое излучение, давление воздуха и/или некоторой среды, температура и т. п.), поэтому для получения информации требуется преобразовать их к виду, удобному для анализа и обработки. Именно такую роль выполняют датчики, которые приводят физические характеристики объектов к соответствующим электрическим параметрам.

Для достижения заданной цели необходимо представлять, каким должен быть идеальный управляемый объект, для чего создается модель объекта, (блок “Модель”), которая представляет некоторое математическое описание необходимого идеального объекта. В блоке производится сравнение информации реальной и математической (идеально необходимой) систем, в результате чего принимается решение (блок - “Система принятия решений”), реализуемое в виде выдачи управляющих воздействий на исполнительные устройства И1, И2 (реально их количество произвольно). Исполнительные устройства изменяют физические характеристики управляемого объекта.

В сложных кибернетических системах, множество функций существенно возрастает, но принципы построения их остаются одинаковыми.

В качестве примера рассмотрим более сложную кибернетическую систему (рис 1.3) с точки зрения реализуемых функций. Если человек находится в системе управления, такие системы называют автоматизированными.

Рис.1.3. Информационно - управляющая (кибернетическая) система

С объекта обязательно собирается информация обычно с помощью большого количества датчиков, например, температура с множества точек самолета; в системе воздушного движения - о состоянии значений большого количества характеристик каждого самолета; в компьютерных системах - о параметрах каждого терминала [2] (вспомогательного компьютера, подключенного к основному); в радиоэлектронных системах - о характеристиках и параметрах устройств и блоков; в банковских системах - о температуре точек всех помещений, излучениях, визуальной (оптической) информации; в помещениях - о работе устройств и машин и т.п.

В большинстве случаев это значительное число самых разнообразных характеристик.

Блоки 10¸12, 13 представляют подсистемы ввода информации, которую готовит внешняя система (это могут быть и люди).

В блоках 8 и 9 показаны функции подготовки и исполнения принятых решений. Здесь также остается возможность многообразия исполнительных устройств (все зависит от типа объекта). Естественно, что предусматривается передача и преобразование информации (форма и представление должны быть согласованы с исполнительными устройствами).

В теории и практике управления было показано и теоретически обосновано, что управление [3]

- целенаправленный процесс;

- функциональный процесс;

- все процессы происходят в замкнутом цикле.

В неуправляющих системах отсутствует только замкнутый цикл.

В общем случае систему на рис. 1.3 можно представить только в виде функций получения и всевозможной обработки информации. Из рис. 1.3 следует также, что большую долю занимают функции обработки информации (блоки 2¸7, 13, 14): сравнение, расчет, определение альтернативных вариантов решений, принятие оптимальных решений, отображение решений (документы, графика, результаты расчетов и т.п.).

Кроме того, после приема информации для обработки она должна передаваться не зависимо от расстояния между функциональными блоками. Естественно, что сложность передающих устройств зависит от расстояния, структуры, состава, количества информации и т. п. Кроме того, информация должна передаваться в виде, удобном для дальнейшей обработки, это подразумевается, и поэтому не всегда фигурирует в явном виде в функциональных блоках. Обычно выполняется средствами и методами преобразования, трансформации, представления, кодирования информации.

Анализ систем (в кибернетике теоретический анализ) показывает, что если методы, целевая и объектовая направленность математической и смысловой части расчетов и обработки бесконечно разнообразна, то средства и информационная сущность однотипна для многих систем.

Рассмотрим структуру такой системы (рис.1.4).

После датчиков в универсальных информационных системах необходимо производить преобразование получаемой информации к форме и виду, удобному для передачи и обработки. Действительно существует разница в процессе снятия датчиками температуры человека, турбины самолета или радиоэлектронного блока. Однако, вводя средства масштабирования, можно использовать одинаковые способы конечного представления информации.

Различные сигналы могут быть преобразованы к одинаковому типу (форме представления), что и реализуется блоками преобразователей. Аналогично обстоит дело и для исполнительных устройств, здесь обратная задача: однотипные сигналы необходимо привести к форме, требуемой объектом. Формы и методы представления будут рассмотрены ниже.

Поскольку датчиков в реальных системах достаточно много, то

информация с них собирается, преобразуется и формируется для передачи, в некоторых случаях требуется хранение информации. С одной стороны, нужны некоторые средства представления, обозначения информации - носители, с другой - хранения.

Формы и способы передачи информации определяются конкретными объектами, например, между людьми обмен может производиться звуковыми и оптическими сигналами, документами, электрическими сигналами по телефонным линиям, электромагнитными сигналами по радиоканалам или другими способами. Таким образом переносят сообщение сигналы в виде колебаний воздуха, светового (электромагнитного) излучения, документов или других сигналов, которые являются носителями информации в сообщении.

Под носителями ^Ì [1] понимаются некоторые материальные субъекты: бумажные носители, электрические и электромагнитные (в том числе и оптические) сигналы, звуковые колебания и т.п.

Сбор информации (блоки сбора) осуществляется как по многим датчикам, так и по множеству моментов времени съема информации, но самая большая доля хранимой информации приходится на системы обработки информации.

Из рис. 1.4 видно, что после преобразования необходимы сбор, передача и обработка информации.

Общность практически всех рассматриваемых систем заключается в выполнении действий (функций) с информацией, т.е. в них протекают информационные процессы.

Под информационным процессом понимается выполнение всех функций с информацией: прием, восприятие, преобразование, обработка, передача и т. д.

В любом случае для систем различного назначения используются свои информационные функции и соответствующие им устройства, которые и образуют информационную систему (ИС).

Информационные процессы протекают во всех выше приведенных системах с некоторым разнообразием, т.е. они являются набором обязательных действий в зависимости от типа системы.

Классифицируют ИС по различным признакам, например, по сфере применения, при этом выделяют: автоматизированные системы управления (АСУ, в основном организационного управления), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), системы автоматизации проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), интегрированные и др.

Проблемная направленность таких систем многообразна и включает системы инструментального типа, т.е. обеспечивающие управление информацией (системы управления базами данных – СУБД, обеспечения хранения информации, системы электронного документооборота и т.п.) и системы направленные на решение задач.

По степени автоматизации ИС могут быть “ручные”, автоматические и автоматизированные.

Если не выделяют каких-то особенностей систем, то их называют ИС. Понятие ИС имеет некоторый двузначный смысл: ранее под ИС понимались системы без управления, а в настоящее время - системы не зависимо от их вида и типа (Т.Е. ИС - широкое понятие).

В любой ИС можно выделить элементарные действия по работе с информацией, которые называют операциями.

Операция - совокупность элементарных действий по обработке информации на устройствах ИС, а логически законченная совокупность операций образует этап.

Выделенные понятия позволяют определить полный набор операций для ИС. Этот подход характерен для всех технологических процессов и, поэтому, в ИС процессы на основе поэтапной обработки информации с выделенными наборами операций называют информационной технологией (ИТ). Собственно любой набор операций обеспечивающий работу ИС представляет информационную технологию.

Технология обработки информации существует во всех ИС: “ручных”, автоматических и автоматизированных системах, естественно, со своими особенностями. Проблема заключается в разработке некоторых типовых, стандартных методов, операций и этапов. Оказывается такая стандартизация и разработка методов возможны и это является одной из задач информатики.

Подводя итог проведенного выше анализа, можно выделить несколько проблемных направлений в ИС: теория и методы информации и ИС, проблемы технических средств и систем, теория и методы информационных технологий. Все эти проблемы и являются предметом информатики. Естественно, что основой всех понятий, теории и средств является информация.

Информатика ^Ì - научное направление, занимающееся изучением законов, методов и способов накапливания, обработки и передачи информации с помощью вычислительных, цифровых систем и технических средств; совокупность теории, научных методов, средств и технологии обработки информации.

Понимание места информации в различных системах привело к коррекции в них теоретических основ. Информатика внесла следующее понимание в теорию управления. Всякое управление /3/:

- целенаправленный процесс;

- информационный процесс;

- производится в замкнутом цикле.

Поскольку информатика изучает /4/ все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи использования информации можно выделить /4/ восемь основных направлений.

1. Теоретическая информатика, использующая методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации. Является теоретическим фундаментом для всей информатики. Направление включает в себя теорию информации, теорию алгоритмов, теорию автоматов.

2. Кибернетика, являющаяся прикладной информатикой в области создания и использования автоматических и автоматизированных систем управления как отдельных объектов, так и различных сложных систем, вплоть до сообществ людей.

3. Программирование.

4. Искусственный интеллект.

5. Информационные системы.

6. Вычислительная техника.

7. Информатика в обществе.

8. Информатика в природе, изучающая информационные процессы, протекающие в биологических системах.

На основе проведенного анализа представим классификацию структуры информатики:

- теоретическая информатика;

- методы, системы и средства ИС;

- приложенческие аспекты информатики.

Раздел теоретической информатики включает дисциплины развивающиеся собственно для информатики и смежные, “пограничные” дисциплины, теоретические основы которых используются для информатики и имеют самостоятельное значение (для других направлений). Первый тип дисциплин возник и развивался как основы информатики и впоследствии переходил для общего использования и в других направлениях. К этому классу относятся дисциплины на базе математической логики, теории использующей бинарные (двоичные) значения: “истина” и “ложь”, да и нет, 1 и 0. Сюда входят теории автоматов, сетей, алгоритмов, вычислений и д.р.

Отдельный большой класс составляют теории информации и кодирования (способы и формы представления информационных единиц).

В настоящее время проходит становление и развитие теория и методология защиты информации и информационной безопасности / 5 /.

Разнообразие и количество смежных, пограничных дисциплин достаточно велико. (Большое и фундаментальное значение имеет дискретная математика: теория множеств, вычислительные математика и геометрия. Действительно, поскольку объемы принимаемой, хранимой, передаваемой и обрабатываемой информации конечны, то в теории информатики в основном изучаются методы на конечном множестве элементов, значений аргументов.)

Пограничное значение занимают методы моделирования, среди которых выделяются компьютерное моделирование , имитационное моделирование, теории массового обслуживания, принятия решений, игр , исследования операций , принятия решений и д. р.

Особое место занимает кибернетика, развитие которой как науки об управлении привело к пониманию всеобщности информации и информационных процессов и дало толчок к интенсивному исследованию и разработке информационно - управляющих систем и информатики в целом. (Кроме теорий управления и автоматического управления, в кибернетику входят теории распознавания образов, искусственного интеллекта, нейрокибернетики, вопросов бионики). Степень исследований в кибернетике для информатики столь велика, что ряд ученых относят ее даже к разделу информатики [2, 4].

В некотором смысле пограничными являются теория, методология и технология программирования. Это направление всецело обязано вычислительной технике и имеет самостоятельное значение, т.к. методы используются для внутренней структуры ЭВМ и отдельных аппаратных средств ИС. (Программирование немыслимо без разработки языков программирования, операционных систем, систем управления баз данных, протоколов связи информационных сетей и т.п.)

Такое же промежуточное положение занимает теория искусственного интеллекта, появившаяся в 70-х годах (нашего столетия), методы которой все шире используются для построения многих ИС.

Второе направление информатики связано с исследованием и разработкой методов, элементов, средств и систем информатики. Если проанализировать ИС, например, информационно-управляющую как самую сложную (рис.1.4) то можно видеть разнообразие требований в зависимости от объекта.

Как указывалось ранее, основное достижение информатики заключается в разработке стандартных методов и средств.

1. С математической точки зрения информация в ИС должна преобразовываться к дискетному виду, причем вид и форма представления должны быть одинаковы на всех этапах информационного процесса.

2. ИТ должна иметь набор отработанных операций.

3. Средства, функциональные устройства должны строиться на небольшом наборе аппаратных и программных элементов и устройств.

Первое требование привело к разработке теории, методов и средств представления всех видов информации в бинарном виде: сообщений, сигналов, символов, текстов, графики, чисел, высказываний и т.п.

Во втором случае технологические операции во всех возможных случаях отрабатываются одинаково, например, обработка документов на сканнерах, графика - на устройствах графопостроителях и т.п. (несмотря на разнообразие устройств, все они должны выдавать или получать информацию в дискретном представлении).

Третье требование выполняется использованием элементов аппаратуры с бинарным представлением информации - цифровой элементной базы. Управление работой этих элементов осуществляется с помощью программирования.

Оригинальные, не цифровые (аналоговые и др.), элементы используются в небольшом количестве точек информационного процесса, если нельзя обойтись без них. Действительно, датчики (рис 1.4) принимают сигнальную информацию носителей от источника и преобразовывают в электрические сигналы в соответствии с требованиями ИС. Подобная же ситуация и при передаче информации по каналам (радиоканалы, системы телекоммуникации). Далее преобразователи (рис. 1.4) полученную информацию приводят к виду, принятому в ИС. Такая информация представляется в двоичном виде - преобразование типа из аналоговой формы в цифровую (“аналого-цифровые” преобразователи). Противоположное представление (ввод информации в объект через носители) осуществляется в обратной связи: исполнительные устройства и системы преобразования (рис.1.4) ("цифро-аналоговые" преобразователи).

Бурное развитие цифровой элементной базы, методов и теории построения вычислительных систем привело к выбору ЭВМ в качестве стандартного средства обработки и хранения информации в ИС. Отметим, что это стало очевидным только при появлении ЭВМ последних поколений и в результате современных достижений в области теории и практики информатики. Эти же причины привели к появлению небольших устройств обработки, преобразования и хранения - микропроцессоры, транспьютеры и т.п., что дало возможность использовать их в качестве стандартных средств практически на всех этапах ИС.

Рассматриваемое второе направление ( методы, системы и средства ИС) состоит в исследовании и разработке:

- информационных систем;

- анализе и прогнозировании информационных потоков;

- способов и форм представления информации;

- технических средств преобразования и обработки информации;

- вычислительных систем;

- информационных технологий;

- информационных сетей;

- систем программирования;

- систем передачи информации (с информационных позиций);

- операционных систем;

- баз данных и знаний.

Таким образом, современные ИС имеют возможность их построения на базе стандартных: методов представления информации, элементной базы, средств обработки информации (ЭВМ). Здесь стандартизация рассматривается с информационной точки зрения. Следует подчеркнуть, что построение ИС возможно и другими различными методами, однако с точки зрения современного состояния теории информатики это не рационально!

Третье направление (приложенческие аспекты информатики) заключается в специализации информатики для различных приложений, что становится особенно важным в связи с переходом общества от индустриального к информационному.

Основные проблемы заключаются в исследовании и разработке:

- методов и средств построения специальных баз данных и знаний; информационных сетей и единой среды;

- профессиональных систем, например автоматизированных рабочих мест;

- обучающих систем;

- проблем социального, правового и технического характера с точки зрения информатики, в том числе информационной безопасности и др.

В это же направление входят исследования информационных процессов в природе, например, в биологических (бионика, биокибернетика) и природных (биогеоценология - поддержание, воздействие и сохранение равновесия) системах.

Из проведенного краткого анализа видно сколь разнообразны потребности в информатике и тенденции развития информационного общества.

Из сказанного ясно, что основным элементом информатики является информация, собственно информатика и есть наука по всем аспектам информации, и отсюда следует необходимость глубокого и всестороннего изучения всех аспектов информации.

.

.

Основные понятия и определения информации

Интуитивно мы понимаем, что такое информация и, поэтому, при получении сообщения используем различные выражения ее и ее ценности [3, 6-8], например:

“ это сообщение не дает мне никакой информации”,

что приводит к пониманию взаимоотношения между информацией и передаваемым сообщением.

В связи с этим и было введено первоначальное понятие: информация ^Ì (от латинского informatio) - разъяснение, изложение, осведомленность. В дальнейшем, в связи развитием информатизации общества понятие существенно расширилось и определяется в различных сферах его деятельности по-своему и каждое направление, из-за особенности информационных систем и процессов, старается отразить свое понимание.

Таким образом, широта применения информатики влечет за собой колоссально большую “емкость" понятия информации и, следовательно, большую степень неопределенности и избыточности.

Общее, целостное понимание информации определяет ее в двух общих направлениях (парадигмах) [3, 4-8], первое из них определяет информацию:

+[2] ²...как неотъемлемое свойство материи, ее атрибут (атрибутивное понимание, концепция)...", а второе

+- как неотъемлемая составляющая "...самоуправляемых (технических, биологических, социальных) систем, как функцию этих систем (функционально-кибернетическая концепция)".

В любом случае, во всех аспектах, для человека главным является также то, что информация необходима для познания мира, является "продуктом научного познания" (выделено автором - В.Г.) [2], средством изучения реальной действительности и интеллектуального развития общества и цивилизации в целом.

В ведущих странах распространена концепция "третьего мира" [3, 4] "согласно которой существуют три мира: первый - мир физических объектов, второй - состояний сознания и третий - мир знаний, теорий, идей, концепций, гипотез, экспериментов, художественных образов (мир объективного содержания мышления)". Собственно последний, как главную составляющую, имеет информацию.

Сфера приложений понятия информации столь велика, что для эффективного использования его в разных научных и практических приложениях дает свое достаточно точное определение и трактовку.

Для понимания сложности определения информации на рис. 1.5 приведен вариант связи элементов мира.

	Знания
Уровень развития информации	Сигналы
	Импульсы
	Зафиксированная структура
		Неживой Природы	Биологические	Технические	Социальные
	Системы объективного вида

Рис.1.5. Структуризация понятия информации [3]

Несмотря на то, что интуитивно информация понимается давно, только в наше время все более явно стало пониматься ее значение. Ценность информации столь значительно выросла, что ее ставят наряду с обычными овеществленными продуктами. Это привело к введению понятия информационного ресурса (ИР), который носит стратегический характер.

Действительно, представьте, какова ценность информации в банковских, промышленных, государственных и других учреждениях и системах!

Приведем, оценки последствий для коммерческих фирм при полном рассекречивании их информации /9/. По мнению экспертов, если это произойдет, то просуществуют: 16% крупных компаний - от нескольких часов до нескольких дней; средние компании: 20% - несколько часов, 48% - несколько дней, 32% - от нескольких часов до нескольких, дней; банки: ЗЗ% -несколько часов, 50% - несколько дней, 36% от нескольких часов до нескольких дней. Отметим также, что во многих случаях дать экономическую оценку информации бывает очень сложно (величина столь значительна, что она просто не поддается оценке, например, в военных конфликтах).

В связи с приобретением колоссальной ценности, в ряде стран для социально-экономической информации были приняты государственные законы определяющие компоненты информации.

Закон Российской Федерации / "Об информации, информатизации и защите информации", принят Государственной Думой 25.01.1995/ определяет информацию как

+”…- сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явлениях и процессах независимо от формы их представления.”

"…Федеральный закон регулирует отношения, возникающие при:

- формировании и использовании информационных ресурсов на основе создания, сбора, обработки, накопления, хранения, поиска распространения и предоставления потребителю документированной информации;

- создании и использовании информационных технологий и средств их обеспечения;

- защите информации, прав субъектов, участвующих в информационных процессах и информатизации".

Степень понимания важности и ценности информации впервые была сформулирована /Закон Российской Федерации/ через понимание информационных ресурсов и возможностью владения ими.

"...Информационные ресурсы:

+- отдельные документы и отдельные массивы документов, документы и массивы документов в информационных системах (библиотеках, архивах, фондах, банках данных, других информационных системах)…”;

- “…собственник информационных ресурсов, информационных систем, технологий и средств их обеспечения;

- субъект, в полном объеме реализующий полномочия владения, пользования, распоряжения указанными объектами;

- владелец информационных ресурсов, информационных систем, технологий и средств их обеспечения;

- субъект, осуществляющий владение и пользование указанными объектами и реализующий полномочия распоряжения в пределах, установленных законом;

- пользователь (потребитель) информации;

- субъект, обращающийся к информационной системе или посреднику за получением необходимой ему информации и пользующийся ею".

Закон определяет информацию с самых общих позиций независимо от направления и сферы применения.

Законы об информации уникальны тем, что впервые в жизни человечества определяют правовую основу ранее интуитивно понимаемым определениям и отношению к ним (информация перешла грань научного объекта и стала наравне с овеществленными объектами).

Технические информационные системы, представляющие здесь основной интерес, предполагают использование систем сбора, регистрации, передачи и преобразования с помощью некоторых технических средств, в основном строящихся на универсальных цифровых системах и преобразователях типа вычислительной техники.

Для этих систем информация - любые сведения, являющиеся объектом сбора, хранения, передачи и преобразования.