Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.2. Данные, информация, знания в системном анализе
1. Данные, информация и знания.
2. Методы получения и актуализации информации.
1. Данные, информация и знания
Процесс познания – это иерархическая система актуализации информации, в которой знания на каждом следующем уровне иерархии являются интегральным результатом актуализации знаний на предыдущем уровне. Это процесс интеграции данных, информационных ресурсов, получаемых с помощью от простого чувственного восприятия, до сложных аксиоматических и абстрактных теорий.
Данные – синтаксические сигналы, образы, актуализируемые с помощью некоторого источника данных. Они рассматриваются безотносительно к семантическому их смыслу.
Понятие информации – одно из основных, ключевых понятий не только в системном анализе, но и в информатике, математике, физике и др. В то же время, это понятие – плохо формализуемое, из-за его всеобщности, объемности, расплывчатости, и трактуется как:
– любая сущность, которая вызывает изменения в некоторой информационно-логической (инфологической – состоящей из сообщений, данных, знаний, абстракций, структурных схем и т.д.) модели, представляющей систему (математика, системный анализ);
– сообщения, полученные системой от внешнего мира в процессе адаптивного управления, приспособления (теория управления, кибернетика);
– связи и отношения, устраняющие неопределенность в системе (теория информации);
– вероятность выбора в системе (теория вероятностей);
Мы будем рассматривать системное понимание этой категории, ничуть не отрицая приведенные выше понятия и, более того, используя их по мере надобности.
Информация – это некоторая последовательность сведений, данных, которые актуализируемы (получаемы, передаваемы, преобразуемы, сжимаемы, регистрируемы) с помощью некоторых знаков символьного, образного, жестового, звукового, сенсомоторного типа.
Информация – это данные, рассматриваемые с учетом некоторой их семантической сущности.
Знания – информация, обеспечивающая достижение некоторой цели и структуры.
Информация с мировоззренческой точки зрения – отражение реального мира, приращение, развитие, возникающее в процессе целеполагающей интеллектуальной деятельности человека.
Никакая информация, никакое знание не появляется сразу: появлению их предшествует этап накопления, систематизации опытных данных, мнений, взглядов, их осмысление и переосмысление. Знание – продукт этого этапа и такого системного процесса.
Информация (в системе, о системе) по отношению к окружающей среде (окружению) бывает трех типов: входная, выходная и внутренняя.
Входная информация – та, которую система воспринимает от окружающей среды. Такого рода информация называется входной информацией (по отношению к системе).
Выходная информация (по отношению к окружающей среде) – та, которую система выдает в окружающую среду.
Внутренняя, внутрисистемная информация (по отношению к данной системе) – это тип информации, которая хранится, перерабатывается, используется только внутри системы, актуализируется лишь подсистемами системы.
Пример 1.1. Человек воспринимает, обрабатывает входную информацию, например, данные о погоде на улице, формирует выходную реакцию – ту или иную форму одежды. При этом используется внутренняя информация, например, генетически заложенная или приобретенная физиологическая информация о реакции, например, о «морозостойкости» человека.
Внутренние состояния системы и структура системы влияют определяющим образом на взаимоотношения системы с окружающей средой – внутрисистемная информация влияет на входную и выходную информацию, а также на изменение самой внутрисистемной информации.
Пример 1.2. Информация о финансовой устойчивости банка может влиять на его деятельность. Накапливаемая (внутрисистемно) социально-экономическая негативная информация (проявляемая, например, социальной активностью в среде) может влиять на развитие системы.
Информация по отношению к конечному результату проблемы бывает:
– исходная (на стадии начала использования актуализации этой информации);
– промежуточная (на стадии от начала до завершения актуализации информации);
– результирующая (после использования этой информации, завершения ее актуализации).
Пример 1.3. При решении системы линейных алгебраических уравнений информация о методах решения, среде реализации, входных данных (источники, точность и т.д.), размерности системы и т.д. является исходной информацией; информация о совместности системы уравнений, численных значениях корня и т.д. – результирующая; информация о текущих состояниях коэффициентов уравнений, например, при реализации схемы Гаусса – промежуточная.
Информация по ее изменчивости при актуализации бывает:
– постоянная (не изменяемая никогда при ее актуализации);
– переменная (изменяемая при актуализации);
– смешанная – условно-постоянная (или условно-переменная).
Возможна также классификация информации и по другим признакам:
– по стадии использования (первичная, вторичная);
– по полноте (избыточная, достаточная, недостаточная);
– по отношению к цели системы (синтаксическая, семантическая, прагматическая);
– по отношению к элементам системы (статическая, динамическая);
– по отношению к структуре системы (структурная, относительная);
– по отношению к управлению системой (управляющая, советующая, преобразующая);
– по отношению к территории (региональная, местная, относящая к юридическому лицу, относящаяся к физическому лицу);
– по доступности (открытая или общедоступная, закрытая или конфиденциальная);
– по предметной области, по характеру использования (статистическая, коммерческая, нормативная, справочная, научная, учебная, методическая и т.д., смешанная) и другие.
Основные свойства информации (и сообщений):
– полнота (содержит все необходимое для понимания информации);
– актуальность (необходимость) и значимость (сведений);
– ясность (выразительность сообщений на языке интерпретатора);
– адекватность, точность, корректность интерпретации, приема и передачи;
– интерпретируемость и понятность интерпретатору информации;
– достоверность (отображаемого сообщениям);
– избирательность;
– адресность;
– конфиденциальность;
– информативность и значимость (отображаемых сообщений);
– массовость (применимость ко всем проявлениям);
– кодируемость и экономичность (кодирования, актуализации сообщений);
– сжимаемость и компактность;
– защищенность и помехоустойчивость;
– доступность (интерпретатору, приемнику);
– ценность (предполагает достаточный уровень потребителя).
Информация может оказаться и вредной, влияющей негативно на сознание, например, воспитывающей восприятие мира от безразличного или же некритического – до негативного, неадекватного. Информационный поток может оказаться достаточно сильным раздражителем.
Пример 1.4. Негативной информацией могут быть сведения о крахе коммерческого банка, о резком росте (спаде) валютного курса, об изменении налоговой политики и др.
Информация не существует без других типов ресурсов: энергии, вещества, организации, как и они не могут существовать без информации. Любые взаимодействия систем (подсистем) – взаимодействия всегда материо-энерго-информационные. Выявление (систематизация, структурирование), описание (формализация), изучение, применение инвариантов этих взаимодействий и составляет основную задачу науки как человеческой деятельности.
2. Методы получения и актуализации информации
Методы получения и использования информации, которые используются при исследолвании систем, можно разделить на три группы, иногда разграничиваемые лишь условно:
1. Эмпирические методы или методы получения эмпирической информации (эмпирических данных);
2. Теоретические методы или методы получения теоретической информации (построения теорий);
3. Эмпирико-теоретические методы (смешанные, полуэмпирические) или методы получения эмпирико-теоретической информации.
Рассмотрим краткую характеристику эмпирических методов:
1. Наблюдение – сбор первичной информации или эмпирических утверждений о системе (в системе).
2. Сравнение – установление общего и различного в исследуемой системе или системах.
3. Измерение – поиск, формулирование эмпирических фактов.
4. Эксперимент – целенаправленное преобразование исследуемой системы (систем) для выявления ее (их) свойств.
Кроме классических форм их реализации, в последнее время используются и такие формы как опрос, интервью, тестирование и другие.
Охарактеризуем кратко эмпирико-теоретические методы.
1. Абстрагирование – установление общих свойств и сторон объекта (или объектов), замещение объекта или системы ее моделью. Абстракция в математике понимается в двух смыслах:
а) абстракция, абстрагирование – метод исследования некоторых явлений, объектов, позволяющий как выделить основные, наиболее важные для исследования свойства, стороны исследуемого объекта или явления, так и игнорировать несущественные и второстепенные;
б) абстракция – описание, представление объекта (явления), получаемое с помощью метода абстрагирования; особо важно в информатике такое понятие как абстракция потенциальной осуществимости, которое позволяет нам исследовать конструктивно объекты, системы с потенциальной осуществимостью (т.е. они могли бы быть осуществимы, если бы не было ограничений по ресурсам); используются и абстракция актуальной бесконечности (существования бесконечных, неконструктивных множеств, систем и процессов), а также абстракция отождествления (возможности отождествления любых двух одинаковых букв, символов любого алфавита, объектов, независимо от места их появления в словах, конструкциях, хотя их информационная ценность при этом может быть различна).
2. Анализ – разъединение системы на подсистемы с целью выявления их взаимосвязей.
3. Декомпозиция – разъединение системы на подсистемы с сохранением их взаимосвязей с окружением.
4. Синтез – соединение подсистем в систему с целью выявления их взаимосвязей.
5. Композиция – соединение подсистем в систему с сохранением их взаимосвязей с окружением.
6. Индукция – получение знания о системе по знаниям о подсистемах; индуктивное мышление: распознавание эффективных решений, ситуаций и затем проблем, которые оно может разрешать.
7. Дедукция – получение знания о подсистемах по знаниям о системе; дедуктивное мышление: определение проблемы и затем поиск ситуации, ее разрешающей.
8. Эвристики, использование эвристических процедур – получение знания о системе по знаниям о подсистемах системы и наблюдениям, опыту.
9. Моделирование (простое моделирование) и/или использование приборов – получение знания об объекте с помощью модели и/или приборов; моделирование основывается на возможности выделять, описывать и изучать наиболее важные факторы и игнорировать при формальном рассмотрении второстепенные.
10. Исторический метод – поиск знаний о системе путем использования ее предыстории, реально существовавшей или же мыслимой, возможной (виртуальной).
11. Логический метод – метод поиска знаний о системе путем воспроизведения ее некоторых подсистем, связей или элементов в мышлении, в сознании.
12. Макетирование – получение информации по макету объекта или системы, т.е. с помощью представления структурных, функциональных, организационных и технологических подсистем в упрощенном виде, сохраняющем информацию, которая необходима для понимания взаимодействий и связей этих подсистем.
13. Актуализация – получение информации с помощью активизации, инициализации смысла, т.е. переводом из статического (неактуального) состояния в динамическое (актуальное) состояние; при этом все необходимые связи и отношения (открытой) системы с внешней средой должны быть учтены (именно они актуализируют систему).
14. Визуализация – получение информации с помощью наглядного или визуального представления состояний актуализированной системы; визуализация предполагает возможность выполнения в системе операции типа «передвинуть», «повернуть», «укрупнить», «уменьшить», «удалить», «добавить» и т.д. (как по отношению к отдельным элементам, так и к подсистемам системы). Это метод визуального восприятия информации.
Кроме указанных классических форм реализации теоретико-эмпирических методов, в последнее время часто используются и такие формы как мониторинг (система наблюдений и анализа состояний
системы), деловые игры и ситуации, экспертные оценки, имитация (подражание), верификация (сопоставление с опытом и заключение об обучении) и другие формы.
Рассмотрим основные характеристики теоретических методов.
1. Восхождение от абстрактного к конкретному – получение знаний о системе на основе знаний о ее абстрактных проявлениях в сознании, в мышлении.
2. Идеализация – получение знаний о системе или о ее подсистемах путем мысленного конструирования, представления в мышлении систем и/или подсистем, не существующих в действительности.
3. Формализация – получение знаний о системе с помощью знаков или же формул, т.е. языков искусственного происхождения, например, языка математики (или математическое, формальное описание, представление).
4. Аксиоматизация – получение знаний о системе или процессе с помощью некоторых, специально для этого сформулированных аксиом и правил вывода из этой системы аксиом.
5. Виртуализация – получение знаний о системе созданием особой среды, обстановки, ситуации (в которую помещается исследуемая система и/или ее исследующий субъект), которую реально, без этой среды, невозможно реализовать и получить соответствующие знания.
Эти методы получения информации системно применяются в любой сфере деятельности (рис. 1.1).
Пример 1.5. Для построения модели планирования и управления производством в рамках страны, региона или крупной отрасли, нужно решить проблемы:
– определить структурные связи системы (как вертикальные, так и горизонтальные), уровни управления и принятия решений, ресурсы; при этом чаще используются методы наблюдения, сравнения, измерения, эксперимента, анализа и синтеза, дедукции и индукции, эвристический, исторический и логический, макетирование и др.;
– определить гипотезы, цели, возможные проблемы планирования; наиболее используемые методы: наблюдение, сравнение, эксперимент, абстрагирование, анализ, синтез, дедукция, индукция, эвристический, исторический, логический и др.;
– конструирование эмпирических моделей системы; наиболее используемые методы: абстрагирование, анализ, синтез, индукция, дедукция, формализация, идеализация и др.;
– поиск решения проблемы планирования и просчет различных вариантов, директив планирования, поиск оптимального решения;
используемые чаще методы: измерение, сравнение, эксперимент, анализ, синтез, индукция, дедукция, актуализация, макетирование, визуализация, виртуализация и др.
Рис. 1.1. Структура познания системы
Информация, таким образом, может быть рассмотрена как кортеж:
А = ⟨Х, Y, f ⟩,
где носитель X – сведения, знания о предметной области; множество Y – сообщения, отражающие эти сведения; отношение f – отношение кодирования между элементами X, Y, т.е. их актуализации.
Пример 1.6. Пусть X = {арифметические операции}, Y = {«– (взятие противоположного числа)», «+ (сложение)», «– (вычитание)», «× (умножение)», «/ (деление)», «√ (извлечение квадратного корня)»}, f определим как установление соответствия «унарная операция».
Таким образом, основная задача науки состоит в построении, исследовании, актуализации или хранении множеств с заданным классом X однотипных задач, Y – классом структур и ресурсов, связываемых с этими задачами, и f – процессами их сопоставления и актуализации с помощью некоторых ресурсов.
Такие задачи мы решаем в ежедневной жизни, но в то же время часто правило f нельзя отыскать или построить явно или конструктивно. В этом случае приходится заменять искомый закон f с помощью подходящих явных или конструктивных представлений f, X, Y и/или Z
(см. рис. 1.2) и применять эти представления всякий раз.
Рис. 1.2. Инвариант всех решаемых проблем науки
Правило ϕ задает правило кодирования или интерпретации входного алфавита, правило ψ – правило декодирования или интерпретации выходного алфавита, т.е. входной и выходной коды (правила, функции). При этом справедливы законы:
у = f(х) = ψ(f*(ϕ(х))).
Правило f* подбирают так, чтобы, в отличие от f, его можно было бы найти и/или исследовать, применить. Для каждого сообщения х из Х определена триада:
(х, у*, у):х* = ϕ(х); y* = f*(x*); y = ψ(y*).
Информация – содержание сообщения, сообщение – форма проявления или актуализации информации. Информация всегда имеет носитель, актуализация информации связана с изменением носителя, ресурсов.
Заключение. Системно рассмотрены понятия данные, информация и знания, дана классификация информации, рассмотрено отличие информации от сообщения (данных), изложены основные методы получения информации и исследования систем.
Контрольные вопросы
1. Что такое информация? Как классифицируется информация? Чем отличается информация от сообщения?
2. Каковы основные эмпирические методы получения информации?
3. Каковы основные теоретические методы получения информации?
Задачи и упражнения
1. Для задачи решения квадратного уравнения указать входную, выходную, внутрисистемную информацию, их взаимосвязи.
2. Построить тактику изучения (исследования) эпидемии гриппа в городе только эмпирическими (теоретическими, смешанными) методами?
3. Эмпирическими (теоретическими, эмпирико-теоретическими) методами получить информацию о погоде (опишите в общих чертах подходы).