Доррер Г.А.

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Г.А. Доррер

ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ

Учебное пособие

Красноярск - 2008

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Кафедра системотехники

Г.А. Доррер

ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ

Учебное пособие

для студентов специальности 230201.65 –
«Информационные системы и технологии»

Красноярск 2008

УДК 681.3

Доррер Г.А.

Теория информационных процессов и систем: Учебное пособие для студентов специальности 230201.65 - «Информационные системы и технологии» / Г.А. Доррер. – Красноярск: СибГТУ, 2008. – 202 с.

Пособие предназначено для студентов специальности 230201.65 при изучении дисциплины «Теория информационных процессов и систем».

Даны общие понятия, связанные с информационными процессами и системами, информационными ресурсами, приведено описание информационных систем как программ, а также архитектуры информационных систем. Рассмотрены отечественные и международные стандарты по информационным системам и информационным технологиям, основные характеристики открытых систем.

Изложены элементы теории информации и кодирования, в том числе теория оптимальных и корректирующих кодов. Даны понятия сигнала и канала передачи сигналов. Рассмотрены Фурье-преобразования случайных сигналов, их спектральный анализ, в том числе быстрое преобразование Фурье, вейвлет - преобразования, методы прогнозирования временных рядов.

Описаны методологии моделирования реальности в информационных системах. Приведена классификация математических моделей систем: D, F, P, Q, N, A – схемы, рассмотрены модели, относящиеся к каждому из перечисленных классов.

Рассмотрены методы оценки параметров информационных процессов и систем. Даны понятия машинного эксперимента, описаны построение моделей систем методами линейной регрессии и оценка достоверности и качества регрессионных моделей. Приводится оригинальный материал, связанный с оценкой параметров цепей Маркова по экспериментальным данным.

В пособие включен цикл из восьми лабораторных работ, а также инструкции к выполнению курсовой работы.

Книга может быть полезна студентам и аспирантам других специальностей и направлений подготовки.

Рекомендована к изданию научно-методическим советом СибГТУ

Рецензенты: д.т.н. проф. С.В.Ченцов (Сибирский федеральный университет)

© ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», 2008

© Г.А. Доррер, 2008

Введение

Дисциплина «Теория информационных процессов и систем» формирует теоретические знания и профессиональное мышление специалистов по информационным системам и технологиям. Этим определяется ее важность для будущего специалиста и актуальность ее изучения. По указанной причине дисциплина включена в учебный план специальности 230201.65 – «Информационные системы и технологии» в качестве дисциплины общепрофессионального цикла.

Дисциплина базируется на курсах: «Информатика», «Математика», «Дискретная математика», «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы», «Технология программирования».

Дисциплина читается в пятом и шестом семестрах, предусмотрены лекции, лабораторные работы, курсовая работа, зачет и экзамен.

Настоящее пособие написано на основе лекций и лабораторных работ, которые автор совместно с коллегами вел в Сибирском государственном технологическом университете в 2006 – 2008 годах.

Материал книги составлен с учетом Государственного образовательного стандарта по направлению 654700 – «Информационные системы и технологии», специальности 071900 (по новой классификации – 230201.65) – «Информационные системы и технологии» 2000 года (код дисциплины ОПД.Ф.05) и Рабочего учебного плана специальности 071900, утвержденного ректором СибГТУ в 2003 году.

Как показывает анализ учебных пособий и рабочих программ данного курса, разработанных в различных университетах России [1, 2, 5–8], существуют принципиально разные концепции курса – от полностью основанных на формальном математическом аппарате до чисто описательного изложения, лишенного математики. На наш взгляд, истина лежит между этими крайностями. Курс теории информационных процессов и систем, ориентированный на будущих инженеров, по необходимости содержит в себе как концептуальный описательный материал, так и математические методы и модели. Материал курса иногда пересекается с содержанием других дисциплин таких, например, как «Основы теории управления», «Моделирование систем», «Проектирование информационных систем». В этом случае мы ограничиваемся по возможности кратким изложением основных положений соответствующего раздела, полагая, что подробное изложение материала будет дано в специальном курсе. В ряде глав использованы результаты, полученные автором и его сотрудниками.

Теоретическая часть пособия состоит из семи глав.

В первой главе рассмотрены общие понятия, связанные с информационными процессами и системами – основные термины, понятие об информационных ресурсах, информационных технологиях и связанных с ними видах деятельности. Описан жизненный цикл информационных ресурсов, дан обзор современного состояния и перспективя развития информационных технологий.

Вторая глава посвящена рассмотрению информационных систем как программ, их классификации по различным признакам, разновидностям архитектуры информационных систем.

Третья глава посвящена проблеме стандартизации в области информационных технологий. Рассмотрены отечественные и международные стандарты по информационным системам и информационным технологиям, основные характеристики открытых систем.

В четвертой главе рассмотрены элементы теории информации и кодирования. Даны определения количества информации и энтропии, рассмотрены вопросы кодирования сигналов, в том числе оптимальные и корректирующие коды.

Теория обработки сигналов рассмотрена в пятой главе. Здесь даны понятия сигнала и канала передачи сигналов. Рассмотрены детерминированные и случайные модели сигналов, наиболее распространенные операции по их преобразованию, свойства сигналов. Рассмотрены Фурье-преобразования случайных сигналов, их спектральный анализ, в том числе быстрое преобразование Фурье, вейвлет-преобразования. В этой же главе рассмотрены методы прогнозирования временных рядов.

В шестой главе рассмотрены некоторые математические модели информационных процессов и систем. Даны общие определения систем, описаны методологии моделирования реальности в информационных системах. Приведена классификация математических моделей систем по Б.Я. Советову [8]: D, F, P, Q, N, A – схемы; кратко рассмотрены модели, относящиеся к каждому из перечисленных классов.

Седьмая глава посвящена оценке параметров информационных процессов и систем. Здесь рассматриваются понятия машинного эксперимента, построение моделей систем методами линейной регрессии. Приводятся методы оценки достоверности и качества регрессионных моделей. В данной главе также содержится оригинальный материал, связанный с оценкой параметров цепей Маркова по экспериментальным данным.

Далее в пособии приведены руководства по выполнению цикла из восьми лабораторных работ, основанных на изложенном теоретическом материале, а также инструкция к выполнению курсовой работы и варианты заданий к ней.

Автор благодарен коллегам А.А. Попову и К.А. Сысенко за совместную работу по постановке и апробации данного курса, рецензенту рукописи д.т.н. проф. С.В. Ченцову, а также Л.И. Макаровой, за помощь в оформлении работы.

Глава 1 Информационные процессы и системы –

общие понятия

1.1 Термины и определения

Полный перечень терминов, относящихся к автоматизированным системам, в том числе к информационным системам, содержится в Государственном стандарте ГОСТ 34.003-90 – Автоматизированные системы. Термины и определения [28]. Этот стандарт в основном предназначен для разработчиков автоматизированных систем и создания технической документации. В настоящем курсе наряду с определениями, принятыми в указанных стандартах, используется терминология, принятая в современной научной литературе.

1.1.1 Понятие информации

Информация является одним из ценнейших ресурсов общества наряду с такими традиционными материальными видами ресурсов, как нефть, газ, полезные ископаемые и другие, а значит, процесс ее переработки по аналогии с процессами переработки материальных ресурсов можно воспринимать как технологию [27, 28].

Мы примем следующие определения.

Данные - любыесведения, зафиксированные на каком-либо носителе.

Информация – данные, обработанные и представленные в форме, удобной для восприятия человеком. Информация отражает смысл, который присвоен данным. Информация рассматривается как приращение наших знаний об окружающем нас мире на основе имеющихся данных. Информация неотделима от процесса информирования пользователя. Именно полезность информации отличает ее от данных. Данные преобразуются в информацию только в момент использования и осознания их значения: активные используемые сведения – информация; пассивные, законсервированные сведения – данные.

Информация как объект представляет собой данные, записанные на каком либо носителе, и воспринятые с целью содержательной интерпретации потребителем.

Более узкое понятие информации как сигнала рассматривается в третьей главе.

1.1.2 Информация как ресурс

Под ресурсами обычно понимают материальные средства. Однако информация также является важнейшим ресурсом любой деятельности, а развитие информационной инфраструктуры определяет развитие технологий и цивилизации в целом [3].

Среди специфических особенностей, присущих информации как ресурсу, отметим следующие:

· практически не убывающая потенциальная эффективность (потенциальная эффективность сырья уменьшается по мере его использования, в случае возобновляемых ресурсов их потенциальная эффективность может восстанавливаться через некоторое время, потенциальная эффективность искусственных технических систем также имеет предел - срок службы),

· тиражируемость и многократность использования (труд, затрачиваемый на размножение информации незначителен и им можно пренебречь при оценке эффективности использования информации),

· коммулятивность (т.е. усиление при накоплении),

· зависимость фактической реализуемости и эффективности от степени использования информации (в отличие от к.п.д. оборудования или коэффициента использования сырья), информация существует только когда есть источник, канал передачи и приемник - потребитель, желающий и способный воспринять информацию.

Информационная сфера предприятия (организации) должна включать весь спектр различных видов информации, отображающей состояние и функционирование предприятия (организации), а именно:

· с точки зрения взаимодействия с окружающей средой - входящая и исходящая;

· в зависимости от сроков хранения постоянная, условно-постоянная и переменная (регулярно обновляемая);

· по характеру обработки - машинная и внемашинная;

· по уровням управления - цеховая, производственная, заводская, корпоративная и т.д.;

· по характеру деятельности - бухгалтерская, учетно-отчетная, плановая, конструкторская, технологическая, диспетчерская,

· по логической организации - фактографическая, документальная, геоинформационная и другие.

Информационный процесс – процесс работы с информацией. Наиболее распространенные виды информационных процессов - сбор, передача, обработка, систематизация, хранение, защита, поиск, представление.

1.2 Информационные ресурсы

Бурное развитие информационных процессов и систем потребовало законодательного обеспечения этой области человеческой деятельности. В частности, был принят ряд законов, регламентирующих эту деятельность. Объектом информационных процессов является информационный ресурс. В Законе РФ 1993 года " Об информации, информатизации и защите информации" информационные ресурсы определены как отдельные документы и отдельные массивы документов, документы и массивы документов в информационных системах, предназначенные и самостоятельно оформленные для распространения среди неограниченного круга лиц, либо служащий основой для предоставления информационных услуг.

В более широком смысле под информационным ресурсом (ИР) понимаются «знания, подготовленные людьми для социального использования в обществе и зафиксированные на материальных носителях в виде документов, баз данных и знаний, алгоритмов, компьютерных программ, а также произведений искусства, литературы и науки» [1, 3, 6]. Информационные ресурсы страны, региона, организации рассматриваются как стратегические ресурсы, аналогичные по значимости запасам сырья, энергии и т.п.

Информационные ресурсы служат основой для создания информационных продуктов и оказания информационных услуг. Под информационным продуктом понимается совокупность данных, сформированных производителем для распространения в вещественной или невещественной форме с помощью информационных услуг. Перечень услуг определяется объемом, качеством и сферой применения информационных ресурсов.

Приведенное определение отражает ключевые признаки, которыми должна обладать информационная сущность для того, чтобы быть представленной в общедоступном каталоге ИР. Во-первых, ИР – это продукт, предназначенный для распространения среди неопределенного круга лиц, для которых он представляет интерес, т.е. имеет потребительскую ценность. Второй ключевой признак ИР – оформление, обеспечивающее возможность самостоятельного распространения.

Решение большинства задач систематизации ИР связано с использованием метаданных. Под метаданными понимается информация, характеризующая какую-либо другую информацию. Система метаданных выступает в качестве центрального звена любой информационной системы. Метаданные могут быть как частью ИР, так и храниться отдельно от него.