От встроенных систем к системам интеллектуальным

Информация, сигналы, данные, знания и управление

В XX веке слово "информация" стало термином во множестве научных областей, получив особые для них определения и толкования (О.Н. Граничин, В.И. Кияев, 2008).

Рис. 1.4. Что означает термин информация?

Обычно мы рассматриваем информацию как сообщение о том, что что-то произошло, т.е. одна из важнейших ее черт – изменение чего-то (объекта информации). Но информация возникает у кого-то или в чем-то (субъект информации).

Ценность информации определяется ее способностью "подтолкнуть" субъекта к определенным действиям, т.е. его способности на основании полученной информации сформулировать некоторое управляющее воздействие (табл. 1.1).

На самом деле два крайних термина в заголовке этого раздела неразрывно друг с другом связаны и не могут друг без друга существовать (как двуликий Янус или Инь и Янь в китайской философии). Информация, "не подталкивающая" к действию, – бессмысленна, так же как и бессмысленны какие-то действия без лежащей в их основе информации.

Норберт Винер более шестидесяти лет тому назад провозгласил начало эры новой науки "Кибернетики", одним из первых четко подметив, что "информационно-управленческая связь – это существенная часть любых явлений в живой и не живой природе".

Введем для информации обозначение x, а для управления – u. Процесс принятия управленческого решения формализовано может быть записан так

( 1)

где – некоторая функция от x. Часто информацию x отождествляют с вектором состояний исследуемой системы. В этом случае говорят, что соотношение (1) задает обратную связь по состоянию.

Связь между информацией и управлением можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 1.5. Реализация управления естественно влияет на информацию, способствуя новым изменениям объекта информации. Сформированное управление u поступает в систему и воздействует на состояние x, во многих случаях изменяя его.

Рис. 1.5. Информация и управление

Формализация процесса принятия решений приводит к необходимости определения понятий: сигналы, данные и знания.

Информация проявляет себя через изменения в тех или иных физических или социальных явлениях. Например, у заболевшего человека повышается температура тела. При падении дерева органы слуха фиксируют изменения в окружающих нас звуках, а глаза – изменения в отображаемой картинке. При движении подводной лодки от ее гребных винтов распространяются специфические акустические волны. При приближении самолета и попадании его в зону видимости нашего радара от него отражается посылаемая радаром электромагнитная волна. Социальные изменения проявляются через выборочные опросы, голосования и т. п.

Физические и социальные явления и процессы, изменение которых можно зарегистрировать с помощью органов чувств или приборов, называются сигналами . Результаты регистрации называются данными. Обозначим через – сигналы и через – данные. Схема процесса регистрации сигнала показана на рис. 1.6

Рис. 1.6. Схема регистрации сигнала (получения данных)

Если нам доступны только данные наблюдений, то процесс принятия решения – это выработка управляющего воздействия на основе зарегистрированных данных

( 2)

Законы управления такого типа называются обратными связями по наблюдениям.

До сих пор мы оставляли открытым вопрос о том, как выбирать функцию обратной связи. В классической теории управления вводятся понятия наблюдаемости и управляемости, соответствующие возможности восстановить состояние объекта по наблюдениям или перевести объект в произвольное заданное состояние. Здесь мы не будем детально останавливаться на этих вопросах. В последующих разделах книги будет делаться упор на программную и аппаратную реализацию тех или иных управляющих воздействий, способы выбора которых будут отдельно описываться для каждого из случаев.

Осознание связей между зарегистрированными данными и информацией, а также способы выбора управляющих воздействий в зависимости от той или иной информации будем называть знаниями.

Например, регистрация температуры тела человека дала значение более 38,5 градусов Цельсия. Это говорит о том, что пациент болен.

Информация о разливе Нила в определенный день по лунному календарю дала возможность создать первую крупную цивилизацию в Египте, позволив прогнозировать этот процесс и организовать посевы риса в строго определенное время.

В работоспособных системах имеющиеся знания позволяют на основании получаемых данных y формировать управляющие воздействия u, которые или дают какой-то выигрыш или позволяют как-то скомпенсировать негативную информацию. Без базы знаний постановка задачи о выработке обоснованных управляющих воздействий оказывается почти бессмысленной. Уточнение "почти" включено, т.к. при априорном отсутствии знаний их зачастую можно приобрести с течением времени.

Совокупность накопленных знаний называют онтологией.

Знания в онтологию поступают как "из вне" в виде постулируе-мых законов ("откровений"), так и формируются "внутри" системы при обработке данных. Процесс извлечения знаний из данных опре-деляет круг задач такой новой бурно развивающейся области как Data Mining.

В контексте задач управления онтология служит своеобразной базой данных (знаний), из которой выбирается наиболее адекватная текущей ситуации функция управления (см. рис. 1.7).

Рис. 1.7. Выбор функции управления U(x)

Изменение набора знаний со временем очень важная черта, позволяющая адаптироваться к изменяющимся условиям.

Реакция на информацию (управляющее воздействие) может быть ранее определена "из вне" в соответствии с некоторыми правилами (законами), записанными в онтологии, либо формироваться "изнутри", адаптируясь к изменениям (т.е. пытаясь найти лучшее решение для поведения в изменившейся ситуации).

Процессы управления и накопления знаний часто являются взаимно противоречивыми. Целью управления обычно является достижение какого-то устойчивого состояния (по возможности не из-меняющегося со временем). В этом состоянии "очень мало информации", и, следовательно, невозможно выявить или установить новые связи, значения и т.п. Например, о лежащем в пыли на обочине дороги камне мало что можно узнать при поверхностном осмотре.

Его неизменность дает мало информации (характеристик изменений). Камень надо перевернуть, поднять, толкнуть или расколоть для получения какой-то информации. Это приводит к тому, что при синтезе законов управления часто сталкиваются с проблемой недостаточной вариативности последовательности наблюдений. А.А. Фельдбаум сформулировал известный принцип "дуального управления": управляющие воздействия должны быть в известной мере изучающими, но, в известной мере, направляющими. Напри-мер, если цель адаптивного управления состоит в минимизации отклонения вектора состояния системы от заданной траектории, то это часто приводит к вырожденной последовательности наблюдений, в то время как для успешного проведения идентификации неизвестных параметров системы должно быть обеспечено "разнообразие" наблюдений.

Рис. 1.8. Наблюдения с помехами

На практике реальная ситуация осложняется еще и тем, что при получении данных в любом регистрационном устройстве к сигналам добавляются некоторые помехи (ошибки) (рис. 1.8).

Структурная схема системы с обратной связью при наблюдени-ях с помехами приведена на рис. 1.9.

Хорошо поставленный эксперимент при тщательном измерении позволяет в некоторых случаях свести ошибки к минимуму . Если первоначально "чистый" эксперимент не поставить, то стараются сделать его таковым с течением времени, т.е. .В других случаях в задачах о наблюдении физических явлений часто достаточно обоснованно предполагают статистическую природу помех, но возможны осмысленные постановки задачи и при произвольных внешних помехах (см. О.Н. Граничин, Б.Т. Поляк, 2003).

Рис. 1.9. Обратная связь по наблюдениям с помехами

На фундаментальность понятия "информация" указывал еще основоположник кибернетики Норберт Винер. Феномен информации оказался настолько неоднозначным, что по праву считается одной из сложнейших проблем современности. Уже сами попытки подобраться к понятию информации, различные его трактовки в трудах ученых и практиков заставляют задуматься о необычной роли информации в жизни развивающихся систем (В.А. Абчук, С. Ю. Трапицин, В.В. Тимченко, 2006).

Первые попытки осмысления этой категории сделали основоположники теории информации. Еще в 1927 году Р.В.Л. Хартли отмечал, что количество информации, заключенной в любом сообщении, тесно связано с количеством возможностей, данным сообщением исключающихся. Фраза "яблоки красные" несет намного больше информации, чем фразы "фрукты красные" или "яблоки цветные", так как первая фраза исключает все фрукты кроме яблок, и все цвета, кроме красного. Исключение других возможностей повышает информационное содержание (В.С. Готт, А.Д. Урсул, 1971).

У. Эшби предостерегал против попыток рассматривать информацию как "материальную или индивидуальную вещь": "Всякая попытка трактовать информацию как вещь, которая может содержаться в другой вещи, обычно ведет к трудным проблемам, которые никогда не должны были бы возникать" (У.Р. Эшби, 1959).

В 1949 году Шеннон и Уивер представили формулу вычисления количества информации, в которой информация возрастала с уменьшением вероятности отдельного сообщения. В их представлении информация определяется как мера свободы чьего-либо (или какой-либо системы) выбора в выделении сообщения (К. Шеннон, Л. Уивер, 1956).

Н. Винер определяет информацию как обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе приспособления к нему наших чувств. Вводя понятие о семантически значимой информации, Винер отмечает количественное и качественное отличие ЭВМ от человека: машины могут правильно работать в том случае, если получают от человека необходимую им информацию и в самой точной форме. Следовательно, характер информации, вводимой в машину, должен быть точно определён и заранее известен человеку. А живые организмы получают необходимую им информацию, благодаря постоянному взаимодействию с природой. Возникновение способности перерабатывать информацию в живых организмах есть исторически развивающийся процесс.

Н. Винер одним из первых показал, что сущность информации заключается в способности систем с памятью к саморазвитию. Другими словами, процессами развития управляет не только внешнее воздействие, но и память. По своей сути, память о прошлом представляет собой информацию, записанную в определенных структурах, которые могут передаваться, запоминаться, воспроизводиться.

В рассуждениях Н. Винера познание — это часть жизни, более того — самая ее суть. "Действенно жить — значит жить, располагая правильной информацией". При этом процесс познания, накопления информации непрерывен и бесконечен. "Я никогда не представлял себе логику, знания и всю умственную деятельность, как завершенную замкнутую картину. Я мог понять эти явления только, как процесс, с помощью которого человек организует свою жизнь таким образом, чтобы она протекала в соответствии с внешней средой. Важна битва за знание, а не победа. За каждой победой, т. е. за всем, что достигает апогея своего, сразу же наступают сумерки богов, в которых само понятие победы растворяется в тот самый момент, когда она достигнута" (Н. Винер,1958).

В 1968 году А.Д. Урсул указал на то, что информация неоднородна, она обладает качественными характеристиками, и два разных типа информации не могут сравниваться. Каждый уровень природы обладает собственной информацией. Для Урсула "человеческая" или "социальная" информация была одним типом, и в рамках ее он выделял еще два аспекта: семантический (содержание) и прагматический (ценность) [А.Д. Урсул, 1968].

Семантическая концепция преодолевает чисто вероятностный подход. Здесь количество информации, содержащейся в суждении по некоторой проблеме, определяется тем, насколько доказательство или допущение истинности этого суждения уменьшает энтропию, дезорганизованность системы.

При прагматическом подходе делается попытка установить зависимость между информацией и целью, которую ставит перед собой человек, работающий с информацией. Ценность информации определяется через разность между вероятностями достижения цели до и после получения информации. В соответствие с этим определением, информация измеряется всегда положительной величиной, а ценность ее может быть в известных случаях и отрицательной. Информация ценна, поскольку она способствует достижению поставленной цели. Информация может действительно иметь различную ценность, если критерием оценки избрать ее использование для различных целей.

Вопросом особой значимости является отношение информации и знания, первичности одного к другому. Понятия "знание" и "информация" часто отождествляются. В то же время знание рассматривают как высшую форму отражения действительности, а последнее, в свою очередь, как особое фундаментальное свойство материи. Говоря, что объект (или субъект) А отражает объект В, имеют в виду определенные изменения в А, которые соответствуют определенным изменениям в В и вызываются ими. Говоря об информации, подразумевается, прежде всего, особый способ взаимодействия, через который осуществляется передача изменения от В к А в процессе отражения, способ, реализующийся через поток сигналов, идущих от объекта к субъекту и особым образом в нем преобразуемых.

Уровень сложности и формы информации зависят, следовательно, от качественных характеристик объекта и субъекта, от типа передающихся сигналов, которые на самом высоком уровне реализуются в форме языковых знаковых систем. Наконец, говоря о знании, мы имеем в виду именно высший уровень информации, функционирующий в человеческом обществе. При этом в качестве знания выступает не вся информация, идущая от В и воспринимаемая А, а лишь та ее часть, которая преобразована и переработана А (в данном случае — человеком) особым образом.

В процессе переработки информация должна приобрести знаковую форму и выразиться в ней с помощью других знаний, хранящихся в памяти, она должна получить смысл и значение. Следовательно, знание — это всегда информация, но не всякая информация — знание. В превращении информации в знание участвует целый ряд закономерностей, включающих знание в систему общественных связей, в культурный контекст определенной эпохи. Благодаря этому "знание становится достоянием общества, а не только отдельных индивидов" систем (В.А. Абчук, С. Ю. Трапицин, В.В. Тимченко, 2006).

В то же время информация — не просто результат отражения, не просто данные или знание. Только взаимодействуя с потребителем, данные или знание приобретают характер сообщения, сведения, т. е. становится информацией. Информация — это данные, находящиеся в постоянном обороте и движении, это знания, которые собираются, хранятся, перерабатываются, передаются и используются развивающейся системой. Знание только тогда приобретает качество информации, когда оно действует или может действовать как основа регуляции, управления. Информация есть только там, где есть движение, преобразование, использование и управление.

Относительность информации проявляется в том, что системы с различным уровнем организации извлекают из одного и того же источника различную, но всегда соответствующую своему уровню информацию. Положение об извлечении и использовании информации для построения определенных программ поведения и действия принципиально. Именно оно является основой функциональной концепции информации, связывая последнюю с процессами управления. В связи с этим, Н.И. Жуков отмечает, что "информация является не субстанциональным свойством всей материи, а функциональным свойством систем управления, связью управляющих систем с управляемыми".

Между информацией и ее значением (смыслом) можно установить четкое различие. Информация — это неотъемлемая данность любых систем, взаимодействующих с человеком. Значение (смысл) достигается только тогда, когда обретенная информация помещается в определенный контекст, то есть информация становится значимой лишь после анализа, сравнения и интеграции с другой, уже существующей в воспринимающей системе информацией.