Информационные процессы

Понятие информационного процесса

Мир погружен в информационные процессы благодаря полям, среди которых познанные наукой физические поля, по-видимому, в меньшинстве по сравнению с непознанными. Но поля – всего лишь носители информации, как лошади – носители седоков, которые, в свою очередь, – тоже носители (одежды, бактерий, знаний, званий и т.д.). Традиционное понятие информационного процесса и представляется как перенос информации посредством носителя-поля.

Рассмотрим элементарный информационный процесс – одностороннюю связь (в виде стрелок, соединяющих источник с потребителем информации через структуры-посредники): источник (смысл1 в латентных символах) → кодер (коды-знаки сообщения) → передатчик (сигнал с сообщением) → среда (сигнал, помехи) → приемник (коды-знаки сообщения) → декодер (смысл2 в символах) → потребитель (В скобках указаны формы информации на выходе предшествующей структуры и на входе следующей. ) . Данный процесс фундаментален, т.к. включен во все более сложные межсистемные и внутрисистемные информационные процессы (двусторонний, интерактивный, иерархический, многосвязный, сотовый, циркулярный, кольцевой и др.). Именно поэтому мы его исследуем.

Информационный процесс начинается с предъявления источником части своей внутренней информации (смысл1) по требованию потребителя или по собственной инициативе источника. "Смысл1" инициируется последним в скрытой (нематериальной) форме символов (Существует много трактовок понятия "символ". Здесь мы будем следовать трактовкам А.Ф. Лосева (символ – "неразвернутый знак", "идеальная конструкция вещи") и Э. Кассирера (символ – "чувственное восприятие идеального") только потому, что у нас нет лучшего термина для определения неведомых нам скрытых знаков, кодов, используемых для хранения идеальных смыслов. ) . Если информационный процесс явлен в материально-энергетической форме, то данная форма обнаруживает себя впервые в кодере, который преобразует нематериальные символы в материальные коды (знаковую интерпретацию "смысла1") и формирует из кодов сообщение. Иными словами, внутренняя идеальная информация источника проявляется во внешней материально-энергетической информации на этапе кодирования. В безэнергетических (несиловых) информационных процессах этап кодирования скрыт, структуры кодеров и формируемых ими сообщений, скажем откровенно, науке неизвестны. Выскажем предположение, что, возможно, и надобности в кодерах (и кодировании) нет – символы выполняют функции кодов напрямую, без промежуточных преобразований.

Вернемся к привычным материально-энергетическим процессам. Закодированное сообщение поступает в передатчик, задача которого – сформировать сигнал как кооперацию материально-энергетического носителя и сообщения ("тандем лошади и седока"). Например, при использовании электромагнитного поля как носителя передатчик содержит генератор колебаний (волн) такого поля и модулятор, на вход которого поступает закодированное сообщение с выхода кодера. В результате совместной работы генератора и модулятора на выходе передатчика образуется сигнал с сообщением – колебания поля, промодулированные кодами. В несиловых информационных процессах сигналы безэнергетические или малоэнергетические (неощутимые), если носитель сообщений – информационное поле.

Среда – та область пространства-времени между передатчиком и приемником, где сигнал встречается с помехами – возмущающими воздействиями среды на сигналы. Помехи имеют разнообразную природу. Полностью избежать их искажающего воздействия на сигналы невозможно ( "см. разделы 7.3, 7.5" ). В теории информации среда часто отождествляется с понятием линии связи, а совокупность передатчика, линии связи и приемника называется каналом связи.

Искаженный помехами сигнал поступает на вход приемника, задача которого – восстановить, по возможности, коды-знаки исходного сообщения для их последующего декодирования. Однако восстановленные коды, скорей всего, не те, что были в исходном сообщении, и не только из-за влияния помех в линии связи ( "см. раздел 7.4" ). Поэтому на выходе декодера, превращающего принятые коды-знаки в информационные символы, образуется "смысл2", не совпадающий со "смыслом1" исходной информации, посланной источником ("смысл2"≠"смысл1"). Проблема смысла усугубляется еще и тем, что потребитель не только открывает для себя смысл информации источника, но и способен привнести свой смысл в декодированный "смысл2".

Из предъявленной схемы связи, пограничными структурами которой являются источник и потребитель информации, а пограничными информационными феноменами – исходный и конечный смыслы, следует: связь как процесс есть акт достижения понимания потребителем посланной источником информации, а если короче, то установление понимания источника потребителем информации. Связь как результат есть понимание источника потребителем. При двусторонней связи устанавливается взаимопонимание – в процессе двусторонней связи каждый из двух взаимодействующих источников есть одновременно и потребитель информации. При интерактивной связи между несколькими источниками информации информационный процесс "дробится" на соответствующее число подпроцессов одно- или двусторонней связи с установлением индивидуализированного или совокупного понимания (взаимопонимания).

Отсюда проблема связи есть герменевтическая проблема понимания. Полное (неискаженное) понимание как цель связи возможно лишь при а) адекватности кодов символам, б) сообщений, переданных сигналами, закодированным сообщениям, в) принятых сообщений переданным и, наконец, г) при адекватности смыслов посланной и полученной информации.

Данные утверждения в определенной мере расходятся с общепринятым понятием связи как коммуникации. Возможно, такое представление о связи обусловлено этимологической полисемией словарей: в частности, английскому слову communication соответствуют более десятка русских слов, в том числе связь (как процесс); возможно, это представление перекочевало из кибернетики, теорий информации и связи, устойчиво ориентированных на процессуальную роль связи как передачу сообщений. Приведенное выше философско-герменевтическое понятие связи представляется нам шире его процессуальной интерпретации.

Таким образом, информационный процесс – установление понимания источника потребителем информации или установление взаимопонимания источников. Установление понимания есть коммуникативный процесс, для которого важны надежность и быстродействие.

Кодирование

Первым преобразователем в схеме информационного процесса является кодер (Кодеры входят в связные (коммуникационные) структуры как естественных, так и искусственных систем, приобретая самые причудливые, а часто латентные формы, о которых мы можем только догадываться.) . "Что посеешь, то пожнешь" – для информационного процесса это означает: как вначале закодируешь информацию, так в конце ее и поймешь. Важно, чтобы язык кодера был согласован с языком источника (сохранял информационное разнообразие источника), был понятен передатчику (согласован с ним) и в то же время был прост и краток. Простой код прост в реализации, краткий код нужен для обеспечения быстродействия информационного процесса. Лаконичность кода (краткость его кодовых комбинаций в сообщениях) чрезвычайно важна для "смертных" систем, существующих в конечном времени. От длительности информационных процессов зависит их жизнь – скорость развития во враждебной среде, конкурентоспособность, быстрота реакций на возмущения, адаптивность. Чем лаконичнее закодированные сообщения в информационном процессе, тем быстрее процесс и система жизнеспособнее; чем длиннее сообщения, тем система уязвимее. С другой стороны, простота кода и краткость кодируемых сообщений взаимно противоречивы.

Пример 1. В системах живой природы, начиная с биоклетки и выше, существует тенденция нарастания сложности кодов (по объему алфавита): от генетического (четырехзначного нуклеотидного) к белковому (20-значному аминокислотному), от белкового к тканевому, от тканевого к кодам органов и далее – вплоть до языков общения популяций. Это естественно – чем сложнее система, тем богаче ее внутренняя информация, тем сложнее код, отображающий эту информацию. Простым кодом можно закодировать сложный текст, но это потребует неумеренно длинных кодовых комбинаций. Достаточно в двоичном алфавите "а" и "б" создать вразумительный текст, чтобы убедиться в этом. А ведь "словам должно быть тесно, мыслям – просторно", "краткость – сестра таланта". Поэтому алфавитные и, тем более, иероглифические языки используют сложные коды для создания умеренно кратких сообщений о сложных объектах и явлениях окружающего мира.

На каждом уровне иерархии биосистем возникает проблема выбора кода. Допустим, для кодера надо сделать выбор из четырех типов целочисленных кодов: единичного (знак 1), двоичного (знаки 0, 1), четверичного (знаки 0, 1, 2, 3) и десятичного (знаки 0…9 (Кодовые знаки в принципе могут быть любые; здесь выбраны общепринятые в теории числовых кодов.) ). Представим число "семь" каждым кодом: 1111111 – единичный, 111 – двоичный, 13 – четверичный, 7 – десятичный. Кодовый знак десятичного кода информативнее кодовых знаков остальных кодов, поэтому для кодирования одной и той же информации в десятичном коде нужно меньше знаков, чем при кодировании в более простых кодах, знаки которых менее информативны. Но десятичный кодер по своему устройству сложнее остальных трех – для его реализации нужны структуры, умеющие однозначно распознавать десять знаков. В двоичном кодере нужна структура, уверенно распознающая всего два знака (например, в современном компьютере это триггер с двумя устойчивыми состояниями; в нанокомпьютере – микрочастица с двумя спинами: левосторонним и правосторонним). А в единичном кодере надо распознавать только один знак – проще некуда!

Таким образом, чем код проще, тем длиннее кодовые комбинации, а значит, тем дольше их надо передавать, тем продолжительнее информационный процесс. Для биосистем, борющихся за выживание, принципиально важно, чтобы внутрисистемные информационные процессы протекали как можно быстрее. Опоздание реакции системы на возмущение среды смертельно опасно. Но за быстродействие жизнедеятельных процессов биосистемам приходится расплачиваться сложностью своих кодеров, которая, в свою очередь, обусловлена необходимостью сохранности информации (здесь и далее "сохранность" понимается как идентичность кодового отображения и отображаемой первичной информации).

Для выхода из данного противоречия природа при создании своих кодеров "решала, не подозревая об этом", оптимизационные задачи:

1. для генетического кодера "выбрала" четверичный код – самый лаконичный из известной в информатике триады оптимальных целочисленных кодов (двоичного, троичного и четверичного (Строго говоря, из целочисленных кодов оптимален троичный код, два остальных квазиоптимальны, немного уступая троичному коду по мультипликативному критерию оптимальности "значность*лаконичность". Теоретически оптимален код значности е≈2,718281828459…) );
2. для остальных кодеров "выбирала" коды, максимизирующие быстродействие процессов при заданном уровне сохранности информации.

Не являются ли приемлемыми для решения второй оптимизационной задачи "быстрые" образные, интуитивные, под- и надсознательные коды – языки парапсихологического общения в диалогах "человек – человек", "человек – информационное поле" с кодовыми символами в виде гештальтов (целостных образов) и с сообщениями в виде последовательностей ассоциативно связанных гештальтов? Ведь гештальт более информативен, чем любой числовой код.

Пример 2. В частотных словарях естественных подъязыков (разговорных, публицистических, литературных, научно-технических) и, значит, в языке в целом наибольшие частоты соответствуют использованию самых коротких частей речи – предлогов, союзов, артиклей, частиц, местоимений, междометий. Возможно, данный эффект – наследие животного генезиса человека. Ведь в языках фауны преобладают по частоте тоже короткие "словоформы", в частности междометия, что подтверждает зоопсихология. Таким образом, и в лингвистике прослеживается императив быстродействия общения (при некотором допустимом уровне сохранности кодируемой информации).

Пример 3. В современных компьютерах генетическим является двоичный код, уступающий "первоприродному" генетическому коду по быстродействию. Что ж, инженеры-конструкторы этого не знали и оказались глупее природы? Всё-то они знали, но времени на выбор кода у них было намного меньше, чем у природы. Пришлось выбирать код, простейший для реализации в импульсной технике ХХ в. и хорошо известный в дискретной математике – им оказался квазиоптимальный двоичный код (Оптимальный троичный код был реализован всего в двух компьютерах за всю историю вычислительной техники (СССР, Япония). Но троичный кодер оказался настолько ненадежным (в распознавании трех состояний), а троичная арифметика настолько не развитой, что от идеи троичного компьютера пришлось отказаться до лучших времен.) . В двоичном коде, понятном компьютеру, кодируются тексты, десятичные числа, специальные знаки (лингвистические, математические), изображения, звуки и пр. В общем, "второприродным" искусственным генным технологиям еще слишком далеко до аналогичных естественных технологий. Представить 10-значный, 27-значный, 33-значный коды и кодеры – это же ночной кошмар для разработчиков вычислительной техники!

Пример 4. В технике связи известны так называемые эффективные (экономные) коды (коды Морзе, Шеннона–Фано, алфавитных клавиатур и др.), используемые для кодирования текстов. Длина кодовых комбинаций эффективного кода зависит от частот использования в тексте букв алфавита и знаков пунктуации: чем больше частота, тем короче комбинация. Цель эффективного кодирования – все то же быстродействие связи; код тем эффективнее, чем короче кодируемые им сообщения.

Пример 5. С другой стороны, код должен обладать некоторой избыточностью (например, за счет повторения кодовых знаков, вставки разделительных знаков между информационными), чтобы передаваемое сообщение могло противостоять разрушительному влиянию помех в канале связи (помехоустойчивое кодирование). Понятие информационной избыточности сообщений (в приведенном смысле) – не изощренная техническая выдумка, а разумное следование привычным проявлениям избыточности, будь то извержение вулкана или речь политика, поворот руля или смена парадигмы, мысль или слово. Помехоустойчивое кодирование удлиняет кодовые комбинации и тем самым снижает быстродействие связи, зато увеличивает ее надежность. Значит, помехоустойчивый и эффективный виды кодирования взаимно противоречивы.

Из приведенных примеров следует, что искусство кодирования информации состоит в выборе оптимальных стратегий в кругу взаимных противоречий выбора значности кода, методов кодирования и требований к кодеру.

Отдельного внимания заслуживает проблема согласованности языка кодера с языком источника. Данная проблема неразрешима при дискретности языка кодера и континуальности языка источника. Знаки принципиально дискретны, а символы – не обязательно. Раз так, исходная информация (ее смысл) может подвергаться искажению, начиная с этапа кодирования (Дискретность как негатив рассудочного знания рассмотрена в теме 6 (раздел 6.3).) , а на последующих этапах вступают в силу другие искажающие факторы.

Кодирование информации – обязательный подпроцесс любого информационного процесса – полевых взаимодействий, языковых практик природы, созерцаний, действий и т.д. Всеобщность кодирования обусловливает его философскую предметность независимо от природы информационного процесса, тем более что именно при кодировании идеальная внутренняя информация, материализуясь, проявляется во внешней информации; т.е. механизм кодирования работает на стыке "тонкого" (скрытого) и "грубого" (явленного) миров.

Передача

"Упакованный" код поступает в передатчик, где преобразуется в сообщение, готовое для передачи в форме сигнала. Сигнал с выхода передатчика поступает в линию связи – среду распространения, где он неизбежно подвергается влиянию помех.

Пример 6. Внутренний шум свойствен любому объекту. Он обусловлен естественным теплообменом элементов объекта, хаотическим движением зарядов при ионизации атомов и молекул (термоэмиссия, инжекция и др.), квантовой природой излучений. Внешний шум обусловлен аналогичными процессами в среде распространения, а также помехами искусственного происхождения. Шумы вредны для связи, и их всегда стараются уменьшить. Однако наши возможности в этом ограничены. Мы не можем снизить температуры участников информационного процесса и среды до абсолютного нуля (-273,16°C), когда теплообмен и наличие свободных электронов исключены (Согласно третьему началу термодинамики (В. Нернст) абсолютный нуль температуры недостижим.) . Ведь даже реликтовое излучение вселенной, которому столько же лет, сколько и ей, не остыло ниже -270°C.

Внутри каждой сложной системы происходят внутренние информационные процессы, мешающие внешним информационным процессам, в которых участвует система. Так, человек как сложная система постоянно подвержен внутрисистемным помехам на уровне тканей и органов, информационно взаимодействующих друг с другом помимо воли хозяина и даже во сне. Мозг как сложная система постоянно "шумит", мешая восприятию информации.

Кроме объективных природных помех, на информационный процесс могут воздействовать умышленные (организованные) помехи субъективного происхождения. Безопасность информации постоянно подвергается испытаниям ( "см. раздел 7.5" ). Есть и другие (помимо помех) негативные факторы, связанные со средой распространения. Известно, что в N-мерном макропространстве сила полевых взаимодействий объектов обратно пропорциональна (N-1)-й степени от расстояния между ними. В нашем трехмерном макропространстве (N=3) этот закон сводится к закону обратных квадратов (Указанный закон справедлив для гравитационного, электромагнитного и др. полей, действующих в N-мерном макропространстве. В микропространстве атомов данный закон нарушается.) . Ему подчиняются и сигналы в информационных каналах связи: мощность сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния от передатчика. Кроме того, любой сигнал "вязнет" (теряет мощность, в том числе за счет искажения частотного спектра) в среде в степени, зависящей от природы среды (твердотельной, воздушной, водной, органической, проводной и т.д.).

Помимо ограничения, налагаемого на качество связи помехами и природой среды, канал связи имеет и другое фундаментальное ограничение – конечность пространственно-временных параметров передатчика и приемника.

Пример 7. Природа соотношений неопределенности в физике и ее технических приложениях, по большому счету, заключается в пространственно-временной конечности физических объектов. Таковы, например, соотношение неопределенностей в квантовой физике (невозможность одновременно точного измерения положения и импульса элементарной частицы), соотношение неопределенностей в эхо-локации (невозможность одновременно точного измерения координат и скорости лоцируемого объекта). Вообще в системах эхо-локации (радары, сонары, летучие мыши, дельфины и др.) абсолютно точное измерение координат (дальности, азимута и угла места (высоты)) потребовало бы передатчиков с бесконечной мощностью, параболических антенн с бесконечно большой апертурой (площадью раскрыва), абсолютно бесшумных приемников с бесконечно широкой полосой пропускания. Некоторые из этих гипотетических устройств не обязательны при совместном использовании, но даже одного из них достаточно, чтобы повергнуть конструкторов в мистический ужас. Другой пример: в математической статистике неизвестно истинное среднее значение случайной величины в доверительном интервале, построенном по ограниченной выборке этой величины. Ограниченность объема выборки обусловлена пространственно-временными рамками сбора статистических данных, будь то естественно-научные или социально-гуманитарные исследования.

Передача сообщения в канале связи конечна во времени. У любого конечного процесса есть начало и конец в виде некоторых скачков (в материальном мире из "небытия в бытие" (начало) или наоборот – из "бытия в небытие" (конец)). В моменты идеальных мгновенных скачков, когда длительность скачка равна нулю, крутизна процесса бесконечна. Значит, частотный спектр этого процесса включает бесконечную спектральную составляющую (частота обратна длительности), и, следовательно, ширина спектра конечного во времени процесса бесконечна, что нереально. Если ограничить ширину спектра сигнала некоторой конечной максимальной частотой, свойственной реальному частотному спектру передатчика, то сигнал, строго говоря, не имеет начального и конечного скачков и поэтому бесконечен во времени, что тоже нереально. Иными словами, в природе противоестественны процессы, одновременно конечные по длительности и спектру. Но поскольку и длительность, и спектр сигналов в материально-энергетических каналах связи ограничены, конечны в силу пространственно-временной конечности параметров каналов, точное воспроизведение конечных сообщений невозможно любыми сигналами в любом канале связи. Примем это положение, вытекающее из известной теоремы Котельникова–Шеннона, в качестве принципа неопределенности сигнала и смиримся с тем, что даже в идеальном (без помех) канале связи переносимые сигналами закодированные сообщения искажены по сравнению с теми же сообщениями на входе передатчика (об искажениях в приемнике "см. раздел 7.4" ).

Представляется важным для философского осмысления сопоставить, на первый взгляд, несопоставимое – принцип неопределенности сигнала и логику связи. Если сигнал по длительности и спектру не противоречит своей реализуемости, он не полон в одном из смыслов (спектральном или временнoм) или в обоих сразу. Если же сигнал полон в указанных смыслах, он противоречив в своей реальности, ибо он не может быть одновременно и даже порознь (во времени и/или по спектру) реально бесконечным. Подобная аналогия между физикой и логикой (между неполнотой и противоречивостью, с одной стороны, сигнала, а с другой стороны, математической логики) наводит на размышление, что известные физические соотношения неопределенности, проистекающие из эмпирических реалий конечного пространства-времени и обобщаемые на общенаучном языке математики теоремой Гёделя о неполноте арифметической логики, приоткрывают завесу над латентной квазибесконечной "логикой" Универсума, данной нам лишь частично в своей конечной (дискретной) неполноте и кажущейся противоречивости. Из изложенного также следует, что природа "логики" Универсума, предположительно, информационна и континуальна (непрерывна).