Информация в природных системах
В первоначальном значении понятие «информация» применялось лишь по отношению к человеку и обществу, под информацией подразумевался обмен сведениями между людьми. С возникновением количественной теории информации это понятие начали употреблять в основном при рассмотрении технических средств связи в качестве их существенной характеристики. К. Э. Шеннон в качестве первого условия использования разработанной им математической теории связи вызывает наличие цепи, состоящей из источника информации, передатчика, канала связи, приемника и адресата. Однако ясно, что понятие количества информации применимо не только к коммуникационной технике. В настоящее время внедрение теории информации и практического использования ее методов в науки о Земле ни у кого не вызывает сомнений. Необходимо только отметить, что об информации имеет смысл говорить том случае, когда количество энергии, необходимое для ее передачи, пренебрежимо мало по сравнению с последствиями этой передачи, оцениваемыми с энергетической точки зрения. В противном случае информация будет играть второстепенную роль и на первый план выступят чисто физические воздействия: перемещение от объекта к объекту вещества и энергии.
Для осуществления взаимодействия между системами между ними должно существовать механическое, электрическое или другое реальное взаимодействие с течением времени, достаточного для передачи. Вместе с тем информационное взаимодействие не может быть сведено ни к передаче вещества, ни к передаче энергии. Рассмотрим примеры информационных и физических связей между системами:
|
|
|
- Передача информации совместно с материальным носителем и содержащейся в нем энергией в новое место пространства. Перенос обломка горной породы, перенос гальки по руслу реки и отложение в толще осадочных пород.
- Перемещение информации отдельно от вещества. Волна, проходящая в однородной среде или на границе двух сред, представляет передачу энергии и информации, в то время как носитель никуда не перемещается. В этом случае информацией является специфическая замкнутая траектория частиц вещества, приведенных в колебательное движение.
Примеры не противоречат утверждению о том, что без переноса вещества или энергии не может быть передачи информации, но показывают возможность сведения одного к другому.
Причиной потерь информации при ее передаче является и ограниченная возможность систем к восприятию качественно различных внешних воздействий. При этом величина импульса должна быть заключена в определенных пределах: выше порога чувствительности системы, но не превышать ее предела прочности. Энергия, поступившая к приемнику в иной качественной форме или в недопустимом (большом или малом) количестве, не будет воспринята системой как порция информации.
|
|
|
Таким образом, реально существующие системы из всего потока энергии, приходящего из внешнего мира и несущего информацию, воспринимают и фиксируют лишь часть ее, соответствующую их возможностям.
Динамические модели природных комплексов представляют в виде уравнений баланса – радиационного, водного, химических элементов и т.д. Изучается возможность по аналогии составить баланс информации для конкретного объекта.
Как вещество и энергию, так и информацию, можно анализировать с качественной или с качественной и количественной сторон. При построении модели, прежде всего, необходимо выяснить, какие виды вещества, энергии и информации поступают на входы и снимаются с выходов моделируемой системы. При построении информационной модели природной системы первым шагом после предварительного определения объекта изучения является составление списка входов, или существенных факторов, и выходов, или показателей состояния системы. Например, экологическая система «дерево-среда» может изучаться с таким набором входных и выходных переменных:
|
|
|
Таблица 2.1.–Пример экосистемы «дерево»
| Входы: | Выходы: | ||
| А1 | Колебания освещенности | В1 | Сомкнутость листовой поверхности |
| А2 | Колебания температуры воздуха | ||
| А3 | Изменение содержания углекислого газа в воздухе | В2 | Высота ствола |
| А4 | Изменение содержания питательных солей в почве | В3 | Густота корней |
| А5 | Колебания влажности почвы | В4 | Продукция семян |
| А6 | Колебания численности вредных насекомых | ||
В зависимости от детальности задач исследования и наличия исходных данных количество и состав переменных могут быть разными. Обычно первый качественный вариант модели принимает форму блок-схемы. Переменные соединяются стрелками, показывающими прямые и обратные (если они есть) связи.
Рисунок 2.1 – блок-схема системы «дерево»
Материал эмпирических наблюдений позволяет превратить эту качественную модель в количественную, т.е. охарактеризовать числовыми характеристиками каждую стрелку на схеме. Для этого вычисляются показатели плотности или силы связи.
Особенностью изучаемых экосистем является их вероятностный характер. Под этим подразумевается то обстоятельство, что из-за большого количества входов поведение систем может быть предсказано лишь в среднем, приблизительно. Чем большее число входов учитывается в модели, тем точнее будет прогноз, но при этом возрастет сложность модели и количество вычислений. В подобных условиях наиболее приемлемы методы математической статистики, которые позволяют выявить влияние основных факторов (входов), а прочие отбрасывают и передаваемую ими информацию рассматривают как случайные отклонения, или «шум».
|
|
|
Влияние каждого из принятых во внимание входов оценивается путем вычисления показателей плотности или силы связи. При этом необходимо иметь для каждой пары вход-выход представительный ряд величин, где каждому значению Аi соответствует свое значение Bj.
Существуют различные способы оценки плотности связи, но смысл их сводится к одному. Если вариации переменных представить в виде графиков, то полученные кривые могут быть в большей или меньшей степени сходны по форме. Сходство кривых показывает, насколько тесно связано колебание значений одного показателя от других. При полной зависимостиВ от А форма кривых будет подобна, допустимы лишь различия в амплитудах и положении кривых на оси времени. Возможно также зеркальное подобие при наличии отрицательной зависимости между переменными.
При отсутствии связи сходства не наблюдается. Если зависимость частичная, то графики повторяют друг друга не полностью. Именно эту степень подобия кривых, а следовательно и подобия поведений систем Аi и Bj и отражают величины плотности связи.
Рисунок 2.2 – Графики зависимых (а, б) и независимых (в) переменных
Математическая статистика позволяет охарактеризовать силу связи через коэффициент корреляции и путем сравнения дисперсий (частных и общей). Соответствующий показатель для случая взаимодействия двух элементов называется корреляционное отношение.
Возможны три существенно различных типа связи между элементами системы:
Тип 1. А В
Тип2. С
А В
Тип 3. А В
Пример связи первого типа – наследственность. В этом случае числовой показатель связи, каким бы способом он не был получен не может отражать ничего, кроме количества информации, поступившей от передатчикаА к приемнику В. Это может быть зависимость между количеством насекомых (А6) и сомкнутостью листовой поверхности (В1).
Если зависимость имеет тип 2, то сходство междуА и В – это сходство братьев. Они получают одинаковое количество информации порознь от родителей, но не друг от друга.
При наличии третьего типа связи информация передается в обоих направлениях. Взаимное влияние друг на друга оказывают густота корней (В3) и влажность почвы (А5), а также другие элементы системы.
Как уже отмечалось, взаимодействие экосистем с окружающей средой может изучаться в трех плоскостях: энергетической, вещественной и информационной. При моделировании может учитываться какая-то одна сторона процесса, но можно представить и полную модель системы, и тогда это будет очень сложная модель. Три самостоятельных потока поступают в систему часто по одним и тем же каналам и так же выводятся из него. Вместе с тем есть и специализированные каналы. Степень специализации входов и выходов возрастает в целом от менее организованных к более организованным системам.
Рассмотренные на примерах модели представляли собой «черный ящик». При таком подходе изучается количественная сторона обмена энергией, веществом и информацией между системой и окружающей средой, но остается невыясненным качественный аспект, вопрос о том, как происходит превращение этих субстанций из одной формы в другую. Ряды параллельных наблюдений дают возможность определить математическую форму зависимости между входами и выходами. Математическая статистика позволяет подобрать наилучшее уравнение регрессии, чтобы связать состояния входов как аргументов с выходами – функциями. При этом в соответствии с вероятностным характером природных систем определяется не единственно возможное, а наиболее вероятное состояние функции. Одновременно вычисляются доверительные интервалы, в пределах которых может оказаться численное значение выхода при заданных состояниях входов.
Индуктивные модели дают материал для сопоставлений, размышлений, догадок, которые преобразуются в модели дедуктивные, теоретические.
Разработка методов системного анализа как научной дисциплины ведется по нескольким направлениям. Одним из важнейших из них является создание принципов построения и использования моделей, имитирующих протекание реальных процессов, способов их объединения в системы и такого представления в ЭВМ, которое обеспечивало бы простоту их использования без потери адекватности. Другое направление связано с изучением организационных структур и прежде всего систем, обладающих иерархической организацией.
Вопросы для самоконтроля:
1. Определение и свойства системы.
2. Определение структуры, состояний и поведения системы.
3. Способы передачи информации в экосистемах.
4. Типы связей между элементами системы.
5. Способы передачи вещества, энергии и информации между элементами системы.
Рекомендуемая литература: [2-3, 10,12-15 ]
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 490; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!