Часть I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Глава 1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ, ИХ СИНТЕЗ И АДАПТАЦИЯ

1.1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

В книге рассматривается широкий класс систем, которые можно назвать информационными. К ним будем относить динамические системы, выполняющие свои функции на основе использования некоторой информации о событиях, ситуациях, процессах и т. д., происходящих вне рассматриваемых систем либо в самих системах. (В последнем случае информация поступает от датчиков внутренних состояний системы.) Процессы, связанные с выполнением функций рассматриваемых систем, назовем информационными процессами. Таким образом, подчеркивается общая сущность разнообразных динамических систем и процессов, которая позволяет (как это будет видно далее) применять единые методы их анализа и синтеза.

Как известно [12], информация поступает в систему закодированной в физических агентах — разнообразных сигналах, являющихся носителями информации. Это могут быть электрические сигналы, передаваемые по проводам, радиосигналы, световые, звуковые сигналы, биохимические процессы и т. п.

Примерами информационных систем могут служить телеграф, телефон, радиосвязь и радиовещание, телевидение, радиолокация, системы управления космическими объектами, вообще любые системы управления различными объектами и процессами, живые существа, в частности человек, все человеческое общество и т. д. Разумеется, не все динамические системы можно отнести к информационным. Так, например, система планет, вращающихся вокруг Солнца, не является информационной, ибо выполняет свою функцию вне связи с какой-либо поступающей информацией. То же можно сказать относительно генератора с самовозбуждением и вообще о любой электрической или механической системе, находящейся в режиме свободных колебаний или автоколебаний. Более того, системы, совершающие вынужденные колебания под действием заданных и заранее известных внешних сил, также не относятся к информационным системам.

Для информационных систем характерно наличие случайных входных воздействий. Это объясняется двумя факторами. Во-первых, когда мы говорим о поступлении некоторой информации на входы системы, то при этом подразумеваем, что те или иные сведения, закодированные во входных сигналах, или величины, превращенные в параметры этих сигналов, заранее неизвестны. В большинстве случаев эти сведения и

величины следует считать случайными, подчиненными известным или неизвестным законам распределения вероятностей. Уже по этой причине входные воздействия информационных систем случайны, если даже сигналы — носители информации имеют детерминированный вид. Возможны, правда, случаи неизвестных, но не случайных величин или параметров, закодированных во входных сигналах. Это, однако, более редкие случаи, которые при теоретическом рассмотрении можно свести к воздействию некоторых случайных величин.

Во-вторых, природа устроена так, что физические сигналы — носители информации всегда случайны из-за наличия многих неучитываемых факторов случайного происхождения. Эти факторы приводят к появлению шумов и помех, с которыми взаимодействуют полезные сигналы. Сами сигналы при передаче по различным каналам, входящим в состав информационной системы, подвергаются случайным изменениям. Примерами таких изменений могут служить флюктуации радиосигналов при распространении радиоволн через ионизированные среды либо флюктуации радиолокационных сигналов в процессе их рассеяния объектами, совершающими случайные движения вокруг центров масс, и случайные перемещения одних элементов объекта относительно других при нежестких конструкциях. Впрочем, флюктуационные изменения сигналов при распространении радиоволн через ионизированные среды некоторых помех или шумов. Поэтому все случайные изменения сигналов можно связать с помехами. Обычные же виды шумов оказываются аддитивными по отношению к сигналам. К таким шумам прежде всего относятся шумы всевозможных приемников. Приемники и шумы в них в зависимости от вида сигнала совершенно различны. Например, радиоприемники с тепловыми шумами в сопротивлениях и дробовым эффектом в электронных лампах; приемники световых сигналов с дробовым эффектом в фотодетекторах и др.

Таким образом, ситуация при работе любой информационной системы состоит в том, что на ее вход (входы) поступает искаженный случайными помехами сигнал (сигналы), в котором закодированы некоторые сведения, величины параметров, реализации процессов. Эти сведения и параметры, в свою очередь, случайны. Информационная система содержит приемник (или приемники) сигналов — носителей информации, в котором происходят необходимые для извлечения информации преобразования. Вслед за ними совершается обработка информации, предназначенная для обеспечения выполнения системой ее функции (функций).

Указанные функции называют также решениями. Этим подчеркивается неопределенность ситуаций, заложенных в случайных входных сигналах, благодаря которой система должна произвести выбор из некоторого множества возможностей или, что то же самое, принять решение в пользу какой-то из них и на этой основе выполнить определенную функцию. Поэтому способы приема и обработки сигналов в информационных системах вплоть до формирования выходных эффектов или величин можно назвать правилами решений. Виды решений могут быть различными. Информационные системы в зависимости от этого можно относить к различным классам. Приведем самые распространенные из них.

1. Системы оценки некоторых величин, закодированных во входных сигналах. Оцениваемые величины могут быть скалярными или векторными либо представлять собой функции времени, пространственных

координат или любых других независимых переменных. К этому классу относятся системы, устройства, приборы, предназначенные для всевозможных физических и других измерений. Сюда относятся системы, осуществляющие фильтрацию реализаций случайных процессов из их смесей с мешающими случайными процессами; системы прогнозирования значений случайных величин или процессов, экстраполяции и интерполяции этих значений. Ясно, что данный класс охватывает весьма большое число всевозможных систем, существующих в природе, а также создаваемых человеком в процессе развития разнообразных областей техники. Характерной особенностью здесь является то, что случайные величины, в которых заложена информация, описываются непрерывными распределениями вероятностей.

2. Системы проверки некоторых фиксированных гипотез, информация о которых заложена во входных сигналах. Гипотезы эти могут быть двух- и многоальтернативными, простыми (не зависящими от дополнительных случайных или неизвестных факторов) и сложными. Физический смысл этих гипотез может быть самым разнообразным. К этому классу относятся, в частности, различные системы обнаружения сигналов в шумах и помехах. Это системы обнаружения объектов на основе приема создаваемых ими излучений различных диапазонов электромагнитных волн (световые, инфракрасные, радиоволны и т. д.); системы обнаружения, использующие радио- и лазерные локаторы, гидроакустические приборы и др.

Еще более широкой разновидностью систем, осуществляющих проверку гипотез, являются системы распознавания образов или, что то же, классификаторы различных ситуаций, процессов, объектов наблюдения. Можно привести огромное количество примеров, относящихся к распознаванию образов и имеющих отношение к разнообразным явлениям природы, видам человеческой деятельности, техническим системам различных назначений. Достаточно упомянуть, например, медицинскую диагностику заболеваний на основе наблюдения случайных признаков, принимающих те или иные значения у больных; распознавание объектов на основе анализа отраженных от них радиолокационных сигналов; распознавание людей по их голосам или почерку; выявление скрытых дефектов в металлических изделиях на основе анализа рассеянных ими радиационных облучений; определение видов животных по остаткам их костей и т. д.

Рассматриваемый класс систем и процессов характеризуется тем, что величины, несущие информацию, описываются дискретными распределениями вероятностей. Иначе можно сказать, что существует дискретное множество ситуаций (видов объектов наблюдения, процессов, принципиально отличающихся друг от друга состояний системы), одна из которых реализуется при работе системы. На основе наблюдения сигналов, поступающих на входы системы, она должна принять решение в пользу одной из всех ситуаций и в связи с этим выполнить определенные функции.

3. Системы проверки гипотез совместно с оценкой параметров сигналов или объектов наблюдения, соответствующих проверяемым гипотезам. Это, например, системы радиолокационного обнаружения объектов с определением их числа и измерением координат; системы различения видов передаваемых сигналов с целью извлечения информации, закодированной в их параметрах; диагностика заболеваний с измерением параметров, от величин которых зависит применение тех или иных

способов лечения, и др. При функционировании систем этого класса существуют некоторые величины, описываемые дискретными распределениями вероятностей, либо ситуации, различающиеся видами распределений вероятностей для соответствующих им сигналов, а также неизвестные параметры в связи с каждой такой ситуацией, описываемые непрерывными распределениями.

4. Системы управления различными объектами, наблюдениями или экспериментами. В первом случае существует объект, функционирование которого зависит от параметров, называемых управлениями, их значения определяются информацией о качестве выполнения объектом его функции, заложенной в случайных сигналах, поступающих по некоторым каналам. Управления выбираются для улучшения качества выполнения функций или, что то же, принятия решений.

Во втором случае наблюдаются сигналы, статистически зависящие не только от информативных параметров, в связи с которыми должны быть приняты определенные решения, но и от дополнительных выбираемых параметров — управлений. Последние выбираются системой так, чтобы обеспечить наилучшие качества принятия решений.

Системы управления объектами распространены очень широко, и читатель, безусловно, знает неограниченное число примеров таких систем. Сюда относятся системы автоматического управления самолетами, космическими объектами, кораблями, процессами в доменных печах и т. д.

К системам управления наблюдениями можно отнести, например, управление лучом антенны радиолокатора, осуществляющего обзор некоторой области пространства при наблюдении за объектами, расположенными в этой области.

Для всех систем управления характерно то, что законы распределения вероятностей некоторых сигналов, представляющих собой либо управляемые наблюдения, либо сигналы, несущие информацию о состояниях объекта управления, зависят от параметров, называемых управлениями и регулируемых системой в процессе ее работы.

5. Сложные или, как еще иначе говорят, большие системы, состоящие из большого числа частей, разобщенных в пространстве и времени и выполняющих разные функции на основе многообразных критериев качества. В эти функции входят и проверки гипотез, и оценки параметров, и фильтрация процессов, и управление объектами, процессами и наблюдениями. В целом такой системой выполняется некоторая единая комплексная функция (выносится комплексное решение), на качество выполнения которой влияют частные решения, принимаемые частями системы.

К таким системам может быть отнесена система народного хозяйства государства, система обороны и т. д.

Таким образом, мы использовали обобщающее понятие информационной системы. Введение подобных обобщающих понятий просто для классификации вряд ли оправдано, однако оно приобретает ясный смысл, когда удается обосновать единый метод анализа и синтеза, распространяющийся на весь обобщенный класс. Применение и развитие такого метода в условиях так называемой априорной неопределенности является основным содержанием этой книги.