Морфологическое описание систем.

Состав элементов Морфологическое описание системы должно давать представление о строении системы, ее подсистемах и элементах. Оно не может быть исчерпывающим. Глубина описания, уровень детализации, т.е. выбор элементов, внутрь которых описание не проникает, определяется назначением описания. Морфологическое описание иерархично. Конкретизация морфологии дается на стольких уровнях, сколько их требуется для создания представления об основных свойствах системы. В иерархии описания может существовать такая ступень, где прежние описания, применявшиеся на более высоких ступенях, становятся непригодными и необходимо применить принципиально новый способ описания. Изучение морфологии начинается с элементного состава (рис. 2.). Под элементом в данном случае понимается подсистема, внутрь которой описание не проникает. Элементный состав может быть гомогенным (содержать однотипные элементы), гетерогенным (содержать разнотипные элементы) и смешанным. Однотипность не означает полной идентичности и определяет только близость основных свойств. Гомогенности, как правило, сопутствуют избыточность и наличие скрытых возможностей, дополнительных, неиспользованных ресурсов. Гетерогенные элементы специализированы. Они экономичны и могут быть эффективными в узком диапазоне внешних условий, но быстро теряют эффективность вне этого диапазона. Гомогенные системы стоят выше гетерогенных по уровню организации. Иногда элементный состав определить не удается, и его считают неопределенным.

Свойства элементов Важным признаком морфологии является назначение (свойства) элементов. Выделяют информационные, энергетические и вещественные элементы. Передача информации требует энергии, перенос энергии невозможен без информации. Важно отметить, что преобладает. Расход энергии в системах электрической связи ничтожен по сравнению с переносом энергии по линиям электропередачи, а количество информации, которое переносится силовыми потоками электронов, ничтожно по сравнению с тем, которое передается средствами связи. Информационные элементы предназначены для приема, запоминания и преобразования информации. Это преобразование может состоять: 1. В изменении вида энергии, который несет информацию. Например, электромагнитная энергия световых лучей, несущих изображение, преобразуется в электрическую энергию при помощи кинескопа или глаза.

2. В изменении способа кодирования информации. Например, музыкальный код преобразуется в код электрических импульсов, которые передаются от уха в головной мозг.

3. В сжатии информации сокращением избыточности. Например, уменьшение разрешающей способности, отбор признаков.

4. В принятии решения (распознавание, выбор поведения).

Пример. Столкновение молекул может привести к изменению направления и скорости их движения (энергетическое и информационное преобразование), к химической реакции (изменение вещества, преобразование энергии и информации), но может ни к чему не привести. Предусмотреть результат действия молекул можно только в статистическом виде, а когда речь идет об элементе, состоящем из двух или нескольких молекул, предусмотреть их исход невозможно. Точно так же невозможно предусмотреть и определить назначение таких элементов, как атом твердого тела, планета в Солнечной системе или звезда в Галактике.

Морфологические свойства системы существенно зависят от характера связей. Выделим информационные, энергетические и вещественные связи, определив их в том смысле, в каком были определены информационные, энергетические и вещественные свойства. Энергетические связи предназначены для переноса энергии между элементами, а информационные – для переноса информации. Связи для передачи материала переносят вещество, но одновременно энергию и информацию, так что характер связи определяется удельным весом соответствующего компонента.

Возможны и смешанные связи. Выделим прямые, обратные и нейтральные связи. Прямые связи предназначены для передачи вещества, энергии, информации или комбинаций от одного элемента к другому в соответствии с последовательностью выполняемых функций. Качество связи определяется ее пропускной способностью и надежностью. Обратные связи в основном имеют функцию управления процессами. Наиболее распространены информационные обратные связи. Обратная связь предполагает некоторое преобразование компонента, поступающего по прямой связи, и передачу результата преобразования обратно, т.е. в направлении, противоположном функциональной последовательности (и прямой связи) к одному из предыдущих элементов системы. Преобразование может быть тождественным (информации в информацию) или нетождественным (изменение состава вещества преобразуется в информацию или энергию).

 

Определение. Морфологическое описание есть четверка: SM={S, V,?, K}, где S={Si}i – множество элементов и их свойств (под элементом в данном случае понимается подсистема, вглубь которой морфологическое описание не проникает); V ={Vj}j – множество связей;? - структура; К – композиция.

Все множества считаем конечными.

Будем различать в S: Состав: гомогенный, гетерогенный, смешанный (большое количество гомогенных элементов при некотором количестве гетерогенных); неопределенный.

Свойства элементов: информационные, энергетические, информационно-энергетические, вещественно-энергетические, неопределенные (нейтральные).

Будем различать во множестве V: Назначение связей: информационные, вещественные, энергетические.

Характер связей: прямые, обратные, нейтральные.

Будем различать в?: Устойчивость структуры: детерминированная, вероятностная, хаотическая.

Построения: иерархические, многосвязные, смешанные, преобразующиеся.

Будем различать во множестве К: Композиции: слабые, с эффекторными подсистемами, с рецепторными подсистемами, с рефлексивными подсистемами, полные, неопределенные.

Морфологическое описание, как и функциональное, строится по иерархическому (многоуровневому) принципу путем последовательной декомпозиции подсистем. Уровни декомпозиции системы, уровни иерархии функционального и морфологического описания должны совпадать. Морфологическое описание можно выполнить последовательным расчленением системы. Это удобно в том случае, если связи между подсистемами одного уровня иерархии не слишком сложны. Наиболее продуктивны (для практических задач) описания с единственным членением или с небольшим их числом. Каждый элемент структуры можно, в свою очередь, описать функционально и информационно. Морфологические свойства структуры характеризуются временем установления связи между элементами и пропускной способностью связи. Можно доказать, что множество элементов структуры образует нормальное метрическое пространство. Следовательно, в нем можно определить метрику (понятие расстояния). Для решения некоторых задач целесообразно введение метрики в структурном пространстве.

 

 

23. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ Понятие информации Информационное описание должно давать представление об организации системы. Термин информация имеет несколько значений: 1. совокупность каких либо сведений, знаний о чем-либо; 2. сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и переработки; 3. совокупность количественных данных, выражаемых при помощи цифр или кривых, графиков и используемых при сборе и обработке каких-либо сведений; 4. сведения, сигналы об окружающем мире, которые воспринимают организмы в процессе жизнедеятельности; 5. в биологии – совокупность химически закодированных сигналов, передающихся от одного живого организма другому (от родителей - потомкам) или от одних клеток, тканей, органов другим в процессе развития особи; 6. в математике, кибернетике – количественная мера устранения энтропии (неопределенности), мера организации системы; 7. в философии – свойство материальных объектов и процессов сохранять и порождать определенное состояние, которое в различных вещественно-энергетических формах может быть передано от одного объекта другому; степень, мера организованности какого-либо объекта (системы).

Информация об организации системы – это количественная характеристика возможности предвидения ее состояния (поведения) на соответствующем уровне детализации системы. Информация о среде - количественная характеристика возможности предвидения воздействия среды. Информация об организации системы составляет часть ее внутренней информации. Теория информации занимается проблемами обработки и передачи информации с учетом избыточности, шумов, потерь и кодирования. Ценность информации рассматривается с позиций поставленной цели, эффективности решения задачи. Для любой системы ценность имеет то, что определяет ее дальнейшую судьбу – существование, поведение, развитие. Этот критерий можно применить и к информации: если закодировать расположение элементов системы и отделить ту часть кода, которая определяет перспективу системы, то ее можно назвать "полезной информацией" и оценивать полезность степенью влияния на перспективу. Такой подход вытекает из единства энтропии и информации и не требует сторонней оценки и участия в ней надсистемы. Таким образом, информация выражает свойства организации. Особенно ценна та информация, которая образовавшись в результате случайного взаимодействия или привнесенная извне, способна к самосохранению и самопрограммированию, т.е. увеличению влияния на перспективу системы.

Некоторая структурная форма может быстро и бесплодно разрушиться, тогда ценность ее равна нулю, сколько бы бит информации она ни содержала. Другая структурная форма может оказаться устроенной таким образом, что, несмотря на воздействие среды, сохранит себя длительное время, стабилизируя свойства системы и направляя их изменение. Информация как сущность материи должна оцениваться именно с таких прогностических позиций. В то же время, для сторонней системы (в том числе надсистемы) ценность может иметь совсем другая информация, в частности, быстро разрушающаяся и не имеющая значения для первой рассматриваемой системы.

Внутренняя информация системы есть информация самосохранения, это и дает право говорить об информации как о неотъемлемом свойстве материи.

Поскольку информация связана с вероятностной мерой состояния системы, то можно утверждать, что ценность информации возрастает с увеличением ее влияния на вероятность события, которое она представляет. Наивысшую ценность имеет информация, которая делает это событие почти достоверным при условии, что в отсутствие информации оно почти невозможно.

Таким образом, отображающая информация – концептуальное понятие, ценность информации – конкретное понятие, относящееся к конкретной задаче.

Чтобы система действовала и взаимодействовала со средой, она должна потреблять информацию из среды и сообщать информацию среде. Этот процесс мы называем "информационным метаболизмом". Количество и ценность информации – обобщенные понятия, которыми можно пользоваться применительно к информации определенного качества, но не вообще.

Функциональные процессы в системе тесно связаны с информационными. Источником информации для функционирования системы является внутренний ресурс и среда, а носителем – вещество (морфологическая информация) и энергия (сигналы). Восприятие и использование информации из среды также требует внутренней информации. Пример 2. Живые существа воспринимают морфологическую информацию через пищу и используют ее для восстановления и развития организма. Информация, определяющая функции пищеварения и усвоения морфологической информации, сосредоточена главным образом в ДНК, РНК и ферментах пищеварительных органов. Пример 3. Человек воспринимает образную и семантическую информацию, поступающую от рецепторов, благодаря понятийному и категорийному аппарату, выработанному ранее.

Связь между функциональным и информационным описаниями отражает эффективность и энтропию, закон изменения эффективности от времени отражает энтропийные свойства. Связь между морфологическим и информационным описаниями отражает изменение морфологических свойств во времени.

Совокупность функционального, морфологического и информационного описаний позволяет отразить главные свойства систем.