В современных условиях научно-технического прогресса можно выделить несколько научных направлений, которые, по мнению специалистов, имеют определяющую роль в развитии науки, экономики и культуры. Среди них, безусловно, следует упомянуть два: теорию информации и теорию систем. Особенность указанных научных направлений состоит в их всеобщности. Несложно заметить, что оба направления имеют прямое отношение ко многим наукам инженерного и естественнонаучного профиля, к явлениям любой физической природы, да и вообще ко всем видам деятельности человека. Это объясняет появление такого категорического определения:
«Информация есть всеобщее свойство материи и мера организации образующих ее систем».
Весь комплекс наук об информации развивался как совокупность дисциплин, имеющих направления от философского, математического до чисто прикладного технического характера. Однако не меньший интерес в этом плане представляют и физические аспекты, поскольку в технических приложениях основную роль выполняют материальные объекты и системы. Хорошо известно, так же, что роль своеобразных «органов» чувств-рецепторов в технических устройствах выполняют, так называемые, первичные преобразователи, свойства которых базируются на разнообразных физических эффектах и процессах. Последние и будут являться предметом внимания и изучения в настоящем курсе. Обсуждаемые вопросы будут рассматриваться с позиций именно их применения и значимости в информационном обмене.
Производственная и бытовая деятельности людей связаны с использованием материалов, энергии и информации. Соответственно этому развивались и научные дисциплины, отражающие вопросы технологии, энергетики и информационного обмена. По сравнению с другими областями, информационные науки, несмотря на обширные применения в самых разнообразных областях теории и практики, еще не получили своего полного развития. В настоящее время существуют только отдельные ее ветви. Одной из центральных ветвей является теория связи, созданная К.Шенноном на основе теории вероятности [1].
По отношению к кибернетике информационные науки и техника занимают подчиненное положение, так как кроме чисто информационных процессов (сбор, передача, переработка, хранение и представление информации) в кибернетике рассматривают объекты, цели, технологические процессы, оптимизацию управления, обратные связи и т.д.
Существует целый ряд новых дисциплин как, например, исследование операций, системотехника, административное управление, в которых научным положениям и категориям информационного плана принадлежит ведущее место.
К информационной технике относятся средства, служащие для восприятия, подготовки, передачи, переработки, хранения и представления какой-либо информации получаемой от человека, природных явлений, электронных устройств и просто механизмов, т.е. вообще от каких-либо объектов наблюдения и управления. Комплексное применение этих объектов приводит к созданию больших и сложных информационных систем.
Известно большое число определений понятия информации, начиная от наиболее общего философского (информация есть отражение реального мира) до менее общего, узкого, практического (информация объединяет все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования). С позиций конструктивизма, при необходимости, удобно пользоваться различными из них.
Понятие информации обычно тесно связывается для реальных объектов с различными моделями, отражающими их сущность в той степени, в какой это необходимо для практических целей. Это согласуется и с философской концепцией отражения вещей друг в друге и в живых организмах с помощью сознания.
Таким образом, под информацией нужно понимать не сами предметы и процессы, а их представительные характеристики, отражение или отображение в виде чисел, формул, описаний, чертежей, символов и других абстрактных характеристик. При таком подходе сама по себе информация может быть отнесена к области абстрактных категорий, подобных, например, математическим формулам. Однако проявляется она всегда в материально-энергетической форме в виде сигналов. Структурная схема процесса образования сигналов показана на рис.1.1.
С передачей и обработкой информации связаны действия любого автоматического устройства, поведение живых существ, творческая деятельность человека, развитие науки и техники, экономические и социальные преобразования в обществе и, в конечном итоге, сама жизнь.
Рис. 1.1
Как в свое время понятие энергии привело к единой и прогрессивной точке зрения на физические явления и природу, так понятие информации является объединяющим для инженерных, психологических и других аспектов современной техники.
Упомянутый процесс «взаимодействия» между массой, энергией и информацией можно, условно, представить в виде структурной схемы (см. рис.1.2):
Рис. 1.2
Если материальные объекты (вещества) и энергия, а, значит, и связи между ними изучены к настоящему времени сравнительно полно, а своеобразной вершиной научного обобщения в данной сфере можно признать знаменитую формулу Эйнштейна: 
. То знания о способах получения, преобразования и использования информации, а тем более о ее связях с массово-энергетическими категориями еще являются «неизвестной» областью, таящей много неожиданных проявлений и открытий (?!).
Сущность информационного обмена составляют постоянно образующиеся процессы формирования, передачи, обработки и др. информации. Рассмотрим имеющее интуитивно осознаваемый циклический характер взаимодействие процессов восприятия, передачи, использования и других способов преобразования информации, например, с целью управления произвольным объектом.
Поскольку материальным носителем информации, как правило, является сигнал, то цикл обращения информации можно рассматривать и как цикл преобразования сигналов, несущих информацию (см. рис.1.3).
Восприятие состоит в том, что формируется образ объекта, производится его опознание и оценка. При восприятии нужно отличать полезную информацию от шумов, что в некоторых случаях может представлять значительные технические трудности. В результате восприятия получается сигнал в форме, удобной для передачи или обработки. В фазу восприятия может включаться операция подготовки информации, ее нормализации, квантования, кодирования, модуляции сигналов и построения моделей.
Рис. 1.3
Трансляция (передача-прием) информации состоит в переносе ее на расстояние посредством сигналов различной физической природы, соответственно, по механическим, акустическим, оптическим, электрическим или электромеханическим и радиоканалам. Прием информации на другой стороне канала имеет характер вторичного восприятия со свойственными ему операциями «борьбы» с шумами.
Обработка информации заключается в решении задач, связанных с преобразованием информации, независимо от функционального назначения. Промежуточным этапом обработки является хранение. Извлечение информации из запоминающих устройств также имеет характер восприятия и связано с борьбой с помехами.
Представление информации требуется в основном тогда, когда в цикл обращения включается человек. Оно заключается в демонстрации перед человеком-оператором условных изображений, содержащих качественные и количественные характеристики выходной информации. Для этого используются устройства, способные воздействовать на органы чувств человека.
Из устройств обработки информация может выводиться не только оператору, но и непосредственно воздействовать на органы чувств человека.
Воздействие заключается в том, что сигналы, несущие информацию, производят регулирующие или защитные действия, вызывая изменения в самом объекте.
Не все информационные системы замкнуты. Существуют и разомкнутые системы, в которых информация передается от источника к приемнику или потребителю.
Активное воздействие на отбираемую от источника информацию может оказывать либо сам источник, либо потребитель (см. рис.1.4). Часть системы, оказывающую активное воздействие на ее работу, называют субъектом, а пассивную – объектом (рис. 1.4).
Рис.1.4.
Как объектом, так и субъектом может быть человек (Ч) или машина (М). Возможные отношения между ними в разомкнутой информационной системе приведены на рис.1.4. Любой объект как источник информации неисчерпаем («…электрон также неисчерпаем, как и атом»).
Но подавляющая часть потоков информации, отображающей состояния объекта, рассеивается, и только небольшая часть, отвечающая потребностям системы и определяемая принятым в информационной системе языком, поступает к приемнику в виде параметров наблюдения Х или управления Y (при этом часть информации также рассеивается).
I.1.2. Виды информации
Информацию можно различать по областям знаний (биологическая, техническая, экономическая и др.), по физической природе восприятия (зрительная, слуховая, вкусовая и др.), а также по структурно-метрическим свойствам.
Классификация информации по областям знаний является предметом изучения профессионального книгоиздания и разработчиков баз данных, в частности, используемых для «машинной» обработки текстов и т.д.
Классификация информационных потоков по физической природе тесно связана с проблемой определения параметров и устройством у человека сенсорных (рецепторных) систем, «отвечающих» за их восприятие: зрительная информация – видеосенсоры, аудиоинформация – слуховые сенсоры, тактильная информация – барорецепторы, информация о температуре – терморецепторы, информация о запахах – одорорецепторы, информация о вкусе - химические рецепторы.
По общему признанию, большая часть (по некоторым данным до 90 % и более) служебной (и не только) информации воспринимается человеком-оператором с помощью зрительных и слуховых сенсоров [1]. В последнее время появляется все больше сведений о важности и других сенсорных систем человека. В частности, опубликованы данные американских психологов о необходимости поддержания «тонуса» нервной системы с помощью ежедневных процедур, содержащих не менее двухсот «элементарных тактильных воздействий». Можно указать и случаи безусловного проявления важности информации, получаемых и от других рецепторных систем. Однако, в итоге, следует согласиться с тем, что в настоящее время не все сенсорные системы человека используются равномерно, и процессы инновационной деятельности в этом направлении будут развиваться.
В технических приложениях наиболее пригодной и распространенной является структурно-метрическая классификация, приводимая ниже (см. таб.1.1).
Таблица 1.1
| Вид информации | Обозначение | Форма представления информации | ||
| топологическая | абстрактная | лингвистическая | ||
| Событие | Ф0 | Точка | Суждение | Знак |
| Величина | Ф1 | Линия | Понятие | Буква |
| Функция | Ф2 | Поверхность | Образ | Слово |
| Комплекс | Ф3 | Объем | Система | Предложение |
| … | … | … | … | … |
| Поле | Фn | Пространство | Универсум | Фонд |
В данной таблице виды информации можно разделить по размерности информационных множеств. Информацией нулевого порядка (нульмерной информацией) принято называть такую, которая соответствует образу («мощности») точки, первого порядка (одномерная информация) - линии, второго порядка (двумерная информация) - поверхности, третьего порядка (трехмерная информация) - объема, … n-го порядка (n-мерная информация) - n-мерное пространство.
Таким образом, структуру информации можно изменять, переходя от одного вида информации к другому. Все виды информации можно интерпретировать геометрическими образами, что бывает удобно на практике.
Если, собственно, фактологическая информация обладает количественными характеристиками, то такая информация называется параметрической. К параметрической информации относятся наборы численных оценок значений каких-либо параметров (измеренных величин), результаты количественных определений при исследовании, анализе, контроле и учете. Параметрической информацией удобно выражать результаты измерений в науке и технике.
К чисто топологической можно отнести - геометрические образы, различные плоские изображения и объемные объекты. Топологической информацией удобно выражать образы и ситуации, подлежащие распознаванию.
Абстрактную информацию применяют в исследованиях на высоком теоретическом уровне, когда нужны отвлечения, обобщения и символизация.
В инженерной практике широкое распространение имеет именно параметрическая информация, которая существует в четырех основных формах: событие, величина, функция и комплекс. Им соответствуют введенные ниже дополнительные обозначения для физической реализации множеств.
Событие. Первичным и неделимым элементом информации является элементарное событие по бинарному алгоритму (да-нет). «-» выбор из утверждения или отрицание истины или лжи; наличие или отсутствие какого-либо явления и т.д. Событием может быть также сведение об импульсе или паузе (напряжение) в электрической цепи, попадание или непопадание в цель, наличие или отсутствие команды управления и т.д. Двоичная структура события позволяет его условие в геометрической символике точной и пробелом: ● или ○. В арифметической символике – 1 или 0, в сигнальной символике: ↑- высокий уровень и ↓- низкий уровень.
Событие является категорией нулевой меры, т.е. оно как бы не имеет геометрических измерений. Поэтому графически оно и представлено точкой. Другие категории информации могут быть представлены как совокупность различных событий.
Величина – есть упорядоченное в одном измерении (по шкале значений) множество событий, причем каждое из них отвечает принятию величиной какого-либо одного значения. Величина может быть или дискретной или непрерывной. В первом случае множество событий счетно, а во втором – несчетно. Геометрически «величину » можно представить «линией ».
Функция Х(t) есть соотношение между величиной Х и переменной (t). В этом смысле функцию можно трактовать как двумерное поле событий.
Комплекс. Полный комплекс информации X (T, N) есть соответствие между величиной X и двумя переменными (например, временем и координатой). Таким образом, полный комплекс информации - трехмерное поле событий.
Указанные величины удобно интерпретировать графически (см. рис.1.5, а) - событие; б) – величина; в) – функция; г) – комплекс). Таким образом, информация может быть представлена моделями с различной размерностью. Отвлекаясь от конкретного вида координат (параметр X, время Т, пространство N), и вводя обобщенную величину информации Ф, можно установить следующую классификационную систему: Ф0 – нульмерная информация – событие; Ф1 – одномерная информация – величина; Ф2 – двумерная информация – функция; Ф3 – трехмерная информация – комплекс; … Фn – n-мерная информация (n -мерное пространство).
а)
 да
 нет
|
    б)
X | 
|  г)
|
Рис. 1.5.
Здесь верхний индекс указывает условную «размерность» или «порядок» информации. Наиболее часто встречающиеся на практике разновидности научной и технической информации теперь могут выражаться структурными информационными формулами, которые отличаются от абстрактных математических и физических формул тем, что в них указываются лишь условная «размерность» и компоненты информации, а не функциональные зависимости между компонентами (см. табл. 1.2).
Единственное событие есть «нульмерная» информация. Совокупность пронумерованных подряд событий будет занимать уже одно измерение.
Время Т само по себе не содержит информации. Множество событий во времени можно упорядочить, относительно координат N и Т, в виде функции N(T).
Чаще всего параметрическая информация сообщает о различных физических величинах, оцениваемых по индивидуальным шкалам измерения. Эти физические величины обычно называются параметрами. Информация об одной скалярной величине – параметре – одномерна.
Информация о функциональной зависимости между двумя величинами, например, 
занимает два измерения в соответствующих координатах. Более сложные соотношения между многими величинами представляются n-мерными категориями или образами (полями). Информация об изменении параметров во времени занимает от 2 до n измерений, в зависимости от числа параметров.
Таблица 1.2
Виды структурных информационных формул
| События Ф0(А) Ф1(А 1, А 2,… А n) | Пространство событий Ф1(N) Ф2(N 1, N 2) Ф3(N 1, N 2, N 3) |
| События во времени Ф1(А, Т) Ф2(А 1, А 2,…, А n, Т) | Пространство событий во времени Ф2(N, T) Ф3(N 1, N 2, T) Ф4(N 1, N 2, N 3, T) |
| Параметры Ф1(Х) Ф2(Х1, Х2) Ф3(Х1, Х2, Х3) ……………….. Фn(Х1,…,Хn) | Параметрические пространства Ф2(X, N) Ф3(X, N1, N2) Ф4(X, N1, N2, N3) |
| Параметры во времени Ф2(Х, Т) Ф3(Х1, Х2, Т) ……………… Фn(Х1, Х2….Хn-1, Т) | Параметрические пространства во времени Ф3(Х, N, T) Ф4(X, N1, N2, T) Ф5(X, N1, N2, N3, T) |
Геометрические объекты (линии, плоскости, объемы) образуют информационные категории только в тех случаях, когда они определяют местоположение событий. Пространства, отнесенные к определенному времени, также имеют информационный смысл только в связи с описанием событий (например, при перемещении цели в окружающей среде).
Параметрические пространства могут содержать информацию о распределении параметров по линии, плоскости, объему. К ним относятся одномерные, двумерные, трехмерные физические поля, данные измерения которых могут быть представлены, соответственно, матрицей-столбцом, обычной матрицей или трехмерным массивом.
Параметрические пространства, отнесенные к определенному времени, могут содержать информацию об изменении множества величин, упорядоченных относительно одной (N 1), двух (N 1, N 2) или трех (N 1, N 2, N 3) пространственных координат и приведенных к одной общей унифицированной шкале измерения. Примером могут служить изменения практически всех физических полей во времени.
Структура информации
В разных процессах информация может иметь различное строение, то есть претерпевать различные структурные преобразования. Эти преобразования в своей последовательности могут значительно отличаться друг от друга. Существующие структурные преобразования иллюстрируются табл. 1.3.
Натуральная информация отражает реальное состояние объекта. Она имеет, как правило, аналоговую форму, засорена шумами и не оптимальна по диапазонам и началам отсчетов. Все эти качества (ограничения) обусловлены физическими свойствами объектов. С формализованных позиций натуральная информация представляется как совокупность величин Х, моментов времени Т и точек пространства N в виде множеств { X }, { T }, { N }.
Нормализованная информация отличается от натуральной тем, что каждое множество { X }… уже приведено к единому масштабу, диапазону, началу отсчетов и нормализованным характеристикам. Формально это следствие действия операторов: М - масштабного, D – диапазонного, L – локализующего.
Комплексированная информация образуется в результате приведения всей информации к полному комплексу, т.е. к трехмерной системе { Х, T, N }. Таким образом, она представляет собой связанное и координированное множество Х, T, N.
Изменение числа измерений структуры и расположения элементов приводит к форме декомпонированной информации. Наиболее часто проводят два вида декомпозиции:
1. Приведение физического пространства трех измерений (объема) физических полей к пространствам двух измерений и одного измерения.
2. Приведение полного комплекса информации Х, T, N к плоскостям XT, XN, NT или осям X, T, N координат измерений.
Декомпонированная информация декоррелирована - то есть в ней нарушены (удалены) связи между отдельными элементами информации (показано в таблице).
Таблица 1.3
| Условные обозначения | Структура | Характеристика структуры |
| { X }, { T }, { N } | Натуральная | Первоначальная форма и содержание информации |
| M, D, L [{ X }, { T }, { N }] | Нормализованная | Приведение к единому масштабу, диапазону и началу отсчета. |
| { Х, T, N } | Комплексированная | Приведение к комплексу с обобщенными координатами |
      XT X
   { X, T, N } XN T
  TN N
| Декомпонированная | Преобразование числа измерений, структуры и расположения |
| G A{ X, T, N } | Генерализованная | Устранение избыточности |
| X *, T *, N * | Дискретная (квантованная) | Установление отсчетов в «прерывной» форме |
| q X, q T, q N | Безразмерная | Приведение дискретных отсчетов к безразмерной форме |
| …………… | Кодированная | Приведение к знаково-цифровой форме представления информации |
Генерализованная информация не содержит второстепенных частей, данные обобщены и укреплены. Генерализация проводиться как по параметрам, так и по моментам и точкам отсчетов.
Дискретная (квантованная) информация совпадает с исходной, натуральной информацией по физической размерности, но отличается от нее прерывным характером.
Безразмерная информация отличается от натуральной универсальной, безразмерной, числовой формой. Число, отображающее безразмерную информацию, получается как отношение любой координаты к интервалу дискретности:
; 
; 
.
Из бесконечного множества физических процессов, протекающих в объектах наблюдения, с помощью специальных систем первичных преобразователей выделяются сигналы, формирующие первичную информацию.
Наконец, кодированная информация отличается используемым законом преобразования исходного алфавита в код. Ясно, что форма представления будет зависеть от системы кодирования.
Поскольку исходная, натуральная информация, как следует из определения, «хаотична», то любое ее упорядочение приводит к устранению избыточности. Схема устранения избыточной информации путем обогащения исходной представлена на рис.1.6.
Рис. 1.6.
На рис. 1.6 уменьшение интенсивности информационного потока соответствует, условно, уменьшению плотности отображающих графических элементов. При этом выделяются следующие этапы: этап 1 - структурное преобразование; этап 2 – при статистическом преобразовании учитываются вероятностные характеристики информации; этап 3 – при семантических превращениях происходит выделение смыслового содержания; этап 4 – после фазы формирования решений и действий формируется практически «однородный» поток информации.