на синтактическом уровне рассматривают внутренние свойства текстов, т.е. отношения между знаками, отражающие структуру данной знаковой системы. Внешние свойства текстов изучают на семантическом и прагматическом уровнях;
на семантическом уровне анализируют отношения между знаками и обозначаемыми ими предметами, действиями, качествами, т.е. смысловое содержание текста, его отношение к источнику информации;
на прагматическом уровне рассматривают отношения между текстом и теми, кто его использует, т.е. потребительское содержание текста, его отношение к получателю.
Учитывая определенную взаимосвязь проблем передачи информации с уровнями изучения знаковых систем, их разделяют на проблемы синтактического, семантического и прагматического уровней.
Проблемы синтактического уровня касаются создания теоретических основ построения систем связи, основные показатели функционирования которых были бы близки к предельно возможным, а также совершенствования существующих систем с целью повышения эффективности их использования. Это чисто технические проблемы совершенствования методов передачи сообщений и их материального воплощения - сигналов. Иначе говоря, на этом уровне интересуют проблемы доставки получателю сообщений как совокупности знаков, при этом полностью абстрагируемся от их смыслового и прагматического содержания [16].
Основу интересующей нас теории информации составляют результаты решения ряда проблем именно этого уровня. Она опирается на понятие "количество информации", являющееся мерой частоты употребления знаков, которая никак не отражает ни смысла, ни важности передаваемых сообщений. В связи с этим иногда говорят, что теория информации находится на синтактическом уровне.
Проблемы семантического уровня связаны с формализацией смысла передаваемой информации, например, введением количественных оценок близости информации к истине, т.е. оценок ее качества. Эти проблемы чрезвычайно сложны, так как смысловое содержание информации больше зависит от получателя, чем от семантики сообщения, представленного в каком-либо языке. Информация заложена в сообщении, но проявляется она только при взаимодействии с получателем, так как может быть зашифрована. Из полученной телеграммы адресат может извлечь совершенно другую информацию по сравнению с той, которая будет доступна работнику телеграфа. Если получатель - человек, то и незашифрованное (или правильно расшифрованное) сообщение может быть понято по-разному. Основная причина состоит в том, что различное понимание того или иного слова может сильно изменить смысл переданной информации. Кроме того, восприятие человеком информации зависит от его эмоционального состояния, накопленного жизненного опыта и других факторов.
Следует отметить, что мы еще не умеем измерять семантическую информацию. Имевшие место подходы к ее измерению пока носили весьма частный характер.
На прагматическом уровне интересуют последствия от получения и использования данной информации абонентом. Проблемы этого уровня - это проблемы эффективности. Основная сложность здесь состоит в том, что ценность или потребительская стоимость информации может быть совершенно различной для различных получателей. Кроме того, она существенно зависит от истинности и прогностичности информации, своевременности ее доставки и использования. Высокие требования в отношении скорости доставки информации часто диктуются тем, что управляющие воздействия должны осуществляться в реальном масштабе времени, т.е. со скоростью изменения состояния управляемых объектов или процессов. Задержки в доставке или использовании информации могут иметь катастрофические последствия.
В направлении количественного определения прагматического содержания информации сделаны лишь первые шаги. Предложен ряд количественных мер, которые еще недостаточно конструктивны, чтобы найти широкое практическое применение. В связи с созданием информационно-вычислительных сетей ведутся интенсивные исследования в области оценки старения информации, т.е. потери ее ценности в процессе доставки [26].
Возникновение теории информации связывают обычно с появлением фундаментальной работы американского ученого К. Шеннона "Математическая теория связи" (1948). Однако в теорию информации органически вошли и результаты, полученные другими учеными, например Р. Хартли, впервые предложившим количественную меру информации (1928), акад. В.А. Котельниковым, сформулировавшим важнейшую теорему о возможности представления непрерывной функции совокупностью ее значений в отдельных точках отсчета (1933) и разработавшим оптимальные методы приема сигналов на фоне помех (1946), акад.А.Н. Колмогоровым, внесшим огромный вклад в статистическую теорию колебаний, являющуюся математической основой теории информации (1941).
В последующие годы теория информации получила дальнейшее развитие в трудах советских ученых (А.Н. Колмогорова, А.Я. Хинчина, В.И. Сифорова, Р.Л. Добрушина, М.С. Пинскера, А.Н. Железнова, Л.М. Финка и др.), а также ряда зарубежных ученых (В. Макмиллана, А. Файнстейна, Д. Габора, Р.М. Фано, Ф.М. Вудворта, С. Гольдмана, Л. Бриллюэна и др.).
К теории информации в ее узкой классической постановке относят результаты решения ряда фундаментальных теоретических вопросов, касающихся повышения эффективности функционирования систем связи. Это в первую очередь:
анализ сигналов как средства передачи сообщений, включающий вопросы оценки переносимого ими "количества информации";
анализ информационных характеристик источников сообщений и каналов связи и обоснование принципиальной возможности кодирования и декодирования сообщений, обеспечивающих предельно допустимую скорость передачи сообщений по каналу связи, как при отсутствии, так и при наличии помех.
Прикладные результаты приводятся здесь только для пояснения основ теории. При более широкой трактовке теории информации результаты рассмотрения указанных вопросов составляют ее основу.
Если расширение связано с приложением теории в технике связи - рассмотрением проблемы разработки конкретных методов и средств кодирования сообщений, то совокупность излагаемых вопросов называют теорией информации и кодирования или прикладной теорией информации.
Другая точка зрения состоит в том, что глобальной проблемой теории информации следует считать разработку принципов оптимизации системы связи в целом. В этом случае к ней относят все локальные проблемы систем связи, включая, например, проблему оптимального приема и др.
В соответствии с третьей крайней точкой зрения к компетенции теории информации относят все проблемы и задачи, в формулировку которых входит понятие информации. Ее предметом считают изучение процессов, связанных с получением, передачей, хранением, обработкой и использованием информации. В такой постановке она затрагивает проблемы многих наук (в частности, кибернетики, биологии, психологии, лингвистики, педагогики) на всех трех уровнях (синтактическом, семантическом и прагматическом).
Попытки широкого использования идей теории информации в различных областях науки связаны с тем, что в основе своей эта теория математическая. Основные ее понятия (энтропия, количество информации, пропускная способность) определяются только через вероятности событий, которым может быть приписано самое различное физическое содержание. Подход к исследованиям в других областях науки с позиций использования основных идей теории информации получил название теоретико-информационного подхода. Его применение в ряде случаев позволило получить новые теоретические результаты и ценные практические рекомендации. Однако не редко такой подход приводит к созданию моделей процессов, далеко не адекватных реальной действительности. Поэтому в любых исследованиях, выходящих за рамки чисто технических проблем передачи и хранения сообщений, теорией информации следует пользоваться с большой осторожностью. Особенно это касается моделирования умственной деятельности человека, процессов восприятия и обработки им информации.
Содержание данной книги ограничивается теорией информации в первой трактовке, вопросами теории и практики кодирования и некоторыми примерами применения теории информации в областях, смежных с техникой связи.
Прикладная теория информации является одним из фундаментальных курсов при подготовке инженеров - системотехников, специализирующихся в области автоматизированных систем управления. Функционирование таких систем существенным образом связано с получением, подготовкой, передачей, хранением и обработкой информации, поскольку без осуществления этих этапов невозможно принять правильное решение, а, следовательно, и осуществить требуемое управляющее воздействие, которое является конечной целью функционирования системы.
Контрольные вопросы
1. В чем сущность принципиальных различий в трактовке понятия информации?
2. Каковы основные этапы обращения информации?
3. Охарактеризуйте разновидности информационных систем и тенденции их развития.
4. Совокупность, каких объектов составляет систему передачи информации?
5. Что понимают под сообщением и сигналом?
6. В чем различие между линией и каналом связи?
7. Объясните разницу в уровнях проблем передачи информации.
8. Каковы основные задачи теории информации?
9. В чем сущность теоретико-информационного подхода к исследованиям?
Как указывалось во введении, понятие "сигнал" имеет неоднозначное толкование. В широком смысле слова под сигналом понимают материальный носитель информации. При этом к сигналам относят как естественные сигналы, так и сигналы, специально создаваемые с определенной целью. Естественными являются, например, световые сигналы, позволяющие видеть окружающий мир, космические сигналы. Примером специально создаваемых могут служить сигналы, генерируемые с целью извлечения информации об изменениях в объекте или процессе (эталонные сигналы).