Информационная служба и затраты энергии. 2

     Министерство  образования и науки Российской Федерации 
Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«Сибирский государственный аэрокосмический университет 
имени академика М. Ф. Решетнева» (СибГАУ) 
 
 

     КУРСОВАЯ  РАБОТА

     на  тему:

     Информационная  служба и затраты энергии. 
(Вариант № 13) 
 
 
 
 

     Выполнила: студентка гр. Э – 01

     Шарифулина  В.В. 

     Проверил: доцент, к.т.н. 
Снежко А.А. 
 
 
 
 

Красноярск 2011

Оглавление

Введение. 4

Понятие информации. 5

Информационные  системы. 9

Связь информации с энтропией. 17

Энергия и энтропия. 24

Заключение. 26

Список  использованной литературы. 27 

Шарифулина  В.В., студент гр. Э – 01

       Информационная  служба и затраты  энергии. Курсовая работа по дисциплине «Теоретические основы прогрессивных технологий». – Красноярск: Сибирский государственный аэрокосмический университет, 2011 . – с.

     В курсовой работе рассмотрены вопросы, связанные с понятием информации, ее видами, способами передачи, информационными системами (Интернет, навигационные системы GPS, ГЛОНАСС и т.д.), рассматривается связь информации с энтропией и с энергией, затраченной на передачу и кодировку (раскодировку) информации (формула Шеннона).

     Список литературы из 9 наименований

Введение.

       Связь информации и сохранения энергии  сложно охарактеризовать однозначно. Идеологи информатизации утверждают, что оптимизация всех жизненных процессов, снижение транзакционных издержек при пользовании высокотехнологичными информационными ресурсами – и есть долгожданный путь к рационализации использования земной энергетики.

       Однако  информационно-технократическое общество несет для человечества и безусловную опасность. Раздвижение границ жилых пространств человеческих общин, глобальная интеграция, неуправляемость информационными потоками, информационный бум и невозможность структурировать все беспорядочные потоки сведений даже за несколько человеческих жизней. Все это далеко не способствует разумному расходованию сил человека.

       Для того, чтобы более ясно понять все  противоречивые тенденции эпохи  информатизации, необходимо окинуть  взглядом основные современные технологии связи, а также теории социальных последствий расширения массовых коммуникаций.

       Целью настоящей работы является исследование понятия энтропии и его применения для описания реальных явлений, взаимосвязь энтропии и информации. 

       В связи с поставленной целью можно формулировать следующие задачи исследования: 

1. дать определение термина «информация» и рассмотреть ее свойства, виды;
2. рассмотреть виды информационных систем;
3. рассмотреть, как экономия энергии зависит от энтропии.

Понятие информации.

       Понятие информация является первичным понятием, точное определение которому дать невозможно. Поэтому ограничусь лишь некоторыми его толкованиями.

       Информация  – это сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринятых человеком[1].

       Информация  – это понимание смысла, представлений, интерпретаций, возникающее в аппарате мышления человека после получения  им данных, взаимосвязанное с предшествующими  знаниями и понятиями в совокупности сведений[2].

       Поэтому в дальнейшем под информацией  мы будем понимать то, что содержится в совокупности сведений, находящихся  в книгах, компьютерах, библиотеках  и т.д.

       Основные виды информации по ее форме представления, способам ее кодирования и хранения, что имеет наибольшее значение для информатики, это:

• Графическая или изобразительная - первый вид, для которого был реализован способ хранения информации об окружающем мире в виде наскальных рисунков, а позднее в виде картин, фотографий, схем, чертежей на бумаге, холсте, мраморе и др. материалах, изображающих картины реального мира;
• Звуковая - мир вокруг нас полон звуков и задача их хранения и тиражирования была решена с изобретением звукозаписывающих устройств в 1877 г. ; ее разновидностью является музыкальная информация - для этого вида был изобретен способ кодирования с использованием специальных символов, что делает возможным хранение ее аналогично графической информации;
• Текстовая - способ кодирования речи человека специальными символами - буквами, причем разные народы имеют разные языки и используют различные наборы букв для отображения речи; особенно большое значение этот способ приобрел после изобретения бумаги и книгопечатания;
• Числовая - количественная мера объектов и их свойств в окружающем мире; особенно большое значение приобрела с развитием торговли, экономики и денежного обмена; аналогично текстовой информации для ее отображения используется метод кодирования специальными символами - цифрами, причем системы кодирования (счисления) могут быть разными;
• Видеоинформация - способ сохранения «живых» картин окружающего мира, появившийся с изобретением кино;
• Существуют также виды информации, для которых до сих пор не изобретено способов их кодирования и хранения - это тактильная информация, передаваемая ощущениями, органолептическая, передаваемая запахами и вкусами и др. [3].

       Для передачи информации на большие расстояния первоначально использовались кодированные световые сигналы, с изобретением электричества  - передача закодированного определенным образом сигнала по проводам, позднее - с использованием радиоволн.

       Дополним  описанные понятия информации некоторыми характеристиками информации:

1. Представляет собой очень важный ресурс современного производства, снижающий потребности в расходе сырья, энергии, капитала и т.д.;
2. Является товаром, причем продавец информации после продажи ее не теряет;
3. Придает дополнительную ценность другим ресурсам: чем интеллектуальнее труд, вложенный в разработку интегральной схемы, тем больше новых возможностей ожидать от ее использования;
4. Нематериальна, но проявляется в форме материальных носителей дискретных знаков или первичных сигналов;
5. Имеет объективную количественную сторону и не имеет смысловой, так как важность последней может оценить только человек, а не техническое устройство;
6. Отражает содержание сообщения, понижающего неопределенность некоторого опыта с неоднозначным исходом [2].

       Как и всякий объект, информация обладает свойствами. Характерной отличительной  особенностью информации от других объектов природы и общества, является дуализм: на свойства информации влияют как  свойства исходных данных, составляющих ее содержательную часть, так и свойства методов, фиксирующих эту информацию.

       С точки зрения информатики наиболее важными представляются следующие  общие качественные свойства: объективность, достоверность, полнота, точность, актуальность, полезность, ценность, своевременность, понятность, доступность, краткость  и пр.

1. Объективность информации. Объективный – существующий вне и независимо от человеческого сознания. Информация – это отражение внешнего объективного мира. Информация объективна, если она не зависит от методов ее фиксации, чьего-либо мнения, суждения.

Пример. Сообщение «На улице тепло» несет  субъективную информацию, а сообщение  «На улице 22°С» – объективную, но с точностью, зависящей от погрешности  средства измерения.

Объективную информацию можно получить с помощью  исправных датчиков, измерительных  приборов. Отражаясь в сознании человека, информация может искажаться (в большей  или меньшей степени) в зависимости  от мнения, суждения, опыта, знаний конкретного  субъекта, и, таким образом, перестать  быть объективной.

2. Достоверность информации. Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Объективная информация всегда достоверна, но достоверная информация может быть как объективной, так и субъективной. Достоверная информация помогает принять нам правильное решение. Недостоверной информация может быть по следующим причинам:
• преднамеренное искажение (дезинформация) или непреднамеренное искажение субъективного свойства;
• искажение в результате воздействия помех («испорченный телефон») и недостаточно точных средств ее фиксации.
3. Полнота информации. Информацию можно назвать полной, если ее достаточно для понимания и принятия решений. Неполная информация может привести к ошибочному выводу или решению.
4. Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п.
5. Актуальность информации – важность для настоящего времени, злободневность, насущность. Только вовремя полученная информация может быть полезна.
6. Полезность (ценность) информации. Полезность может быть оценена применительно к нуждам конкретных ее потребителей и оценивается по тем задачам, которые можно решить с ее помощью.

       Самая ценная информация – объективная, достоверная, полная, и актуальная. При этом следует  учитывать, что и необъективная, недостоверная информация (например, художественная литература), имеет  большую значимость для человека. Социальная (общественная) информация обладает еще и дополнительными свойствами:

• имеет семантический (смысловой) характер, т. е. понятийный, так как именно в понятиях обобщаются наиболее существенные признаки предметов, процессов и явлений окружающего мира.
• имеет языковую природу (кроме некоторых видов эстетической информации, например изобразительного искусства). Одно и то же содержание может быть выражено на разных естественных (разговорных) языках, записано в виде математических формул и т. д.

       С течением времени количество информации растет, информация накапливается, происходит ее систематизация, оценка и обобщение. Это свойство назвали ростом и  кумулированием информации. (Кумуляция  – от лат. cumulatio – увеличение, скопление).

       Старение  информации заключается в уменьшении ее ценности с течением времени. Старит информацию не само время, а появление  новой информации, которая уточняет, дополняет или отвергает полностью  или частично более раннюю. Научно-техническая  информация стареет быстрее, эстетическая (произведения искусства) – медленнее.

       Н. Винер подчеркивал, что общество простирается до тех пределов, до каких  распространяется информация.

Информационные  системы.

       Интернет - это не единая сеть, а совокупность более мелких сетей, связанных друг с другом общими каналами и стандартами. Таких сетей превеликое множество: огромные территориальные сети, раскинувшиеся  на целые области, штаты и государства, и ведомственные сети, объединяющие родственные организации, и локальные  компьютерные сети отдельных организаций, и так называемые кампусные сети - сети, объединяющие компьютеры одного или нескольких близлежащих районов  города. Благодаря проложенным между ними каналам высокоскоростной связи, они составляют единое целое, имя которому Интернет.

       Даже  частные пользователи, подключающиеся к Интернету по модему, выделенной линии или поддерживающему такую  возможность сотовому телефону, тоже по сути дела являются частью Сети. Так  что когда мы включаем наш модем  и дозваниваемся до нашего интернет-провайдера (организации, предоставляющей пользователям  доступ в Интернет), то приобщаемся  к единому целому.

       Сеть  Интернет имеет одну замечательную  особенность - она очень устойчива  к сбоям. Так, если где-то порвется провод, мы этого не заметим. А все потому, что данные, которые мы запрашиваем, пойдут в этом случае по другому  проводу. Специалисты говорят, что  Интернет децентрализован - он не имеет единого центра, из которого ведется управление пересылкой данных, поэтому в случае аварии автоматически переконфигурируется и продолжает нормально работать.

       Еще одна замечательная особенность  Интернета - его глобальность, всемирное  распространение. Не вставая из-за компьютера, мы можем совершить путешествие  по всему миру, побывать в США, Австралии, Германии, Зимбабве, на Огненной Земле и даже в Антарктиде. Для этого нужно всего лишь набрать нужный нам адрес.

       Интернет  имеет достаточно долгую и бурную историю. Он появился еще в первой половине 70-х годов XX века, когда  американское Министерство обороны  финансировало проект создания компьютерной сети, устойчивой к сбоям. Разумеется, создавалась эта сеть для нужд обороны, да и название имела другое - ARPANET. Позднее же, в начале 80-х, эта  сеть отошла к ученым, а военные  приступили к созданию другой сети, которой пользуются до сих пор. И  в то же самое время ARPANET был переименован в Internet.

       Первоначально, еще во времена ARPANET, эта сеть использовалась для пересылки электронной почты и обмена файлами. Web-странички, ради которых мы, в основном, и путешествуем по Сети, появились только в конце 80-х. Именно тогда Интернет и "пошел в народ", перестав быть сетью ученых и превратившись в сеть для всех.

       В Россию, точнее, в СССР, Интернет пришел в 1990 году, но популярность среди широких  масс компьютерщиков приобрел только в середине 90-х. В настоящее время  в России, наверное, и не найти  человека, не слышавшего об Интернете.

Система GPS.

       Система GPS (Система Глобального Позиционирования) используется для определения местоположения объектов на всей поверхности земли с очень высокой координатной точностью и временем, с помощью нескольких спутников, расположенных на промежуточной орбите вокруг Земли.

       Система GPS была создана и управляется  Министерством Обороны Соединенных  Штатов, но может быть использована любым человеком и абсолютно  бесплатно. Система GPS делится на три  сегмента: космос, управление и пользователь. Сегмент космоса состоит из спутников, которые осуществляют передачу сигналов GPS. Сегмент управления состоит из наземных станций приема сигнала. Они  находятся по всему миру и получают сигнал со спутника, синхронизируя  его с атомными часами, которые  расположены на спутнике и корректирует передаваемые спутником данные. Сегмент  пользователя представляет собой GPS приемник, который используется в военных  или гражданских целях. GPS ресивер  декодирует сигнал нескольких спутников  и калькулирует свое положение путем "трилатерации".

       У GPS-ресивера нет точных часов, но должны быть часы с хорошей стабильностью  хода в течение короткого времени, а также возможность получить сигналы с минимум четырех  спутников, для определения своей широты, долготы и уровня над морем в определенное время. Ресивер калькулирует расстояние до каждого из четырех спутников путем расчета разницы во времени между сигналами спутника и местным временем. Это расстояние называется "псевдодальность". Местоположение спутника определяется сравнением его сигнала с внутренней базой данных. Ресивер должен быть расположен в месте пересечения четырех сигналов с радиусом, который равен одинаковой задержке времени между спутником и ресивером, помноженной на скорость радиосигнала. Но у ресивера нет точных часов и он, не может знать задержку времени. Но, тем не менее, он может измерять очень точно разницу между получениями сигналов. Необходимо знать три гиперболоиды вращений двух частей, чья точка пересечения дает точную информацию о положении ресивера. Поэтому минимум четыре спутника необходимо для определения своего положения. Менее трех спутников дают 2гиперболоиды и точка их пересечения неточна, поскольку неизвестен уровень над морем. Если он известен, то тогда трех сигналов достаточно для определения местоположения.

         Несколько примеров: Местное время  неизвестно по причине отсутствия  точных часов в ресивере. Радио  сигналы проходят через ионосферу  медленнее, а ресивер может  двигаться(например, в автомобиле). Для предотвращения неточностей,  ресивер берет за начало отсчета  местное время так, чтобы сферы  пересеклись в одной точке. Как только местоположение получено примерно, программный метод проводит задержку в ионосфере математическим способом, которая минимальна, если спутник находится прямо над головой или дальше от горизонта, поскольку сигнал проходит больший слой ионосферы. Поскольку автомобильные приемники двигаются, они определяют сферы сигнала как линейный сегмент. В приемнике расположена математическая модель, которая рассчитывает подобное влияние. Также спутники передают некоторую информацию, которая помогает приемникам рассчитывать правильную скорость распространения сигнала. Высококачественные ресиверы, которые используются в приборах CARMAN i , используют две частоты L1 и L2 для атмосферных задержек сигналов. Поскольку ионосфера воздействует на скорость распространения радиоволн в зависимости от их частоты.

       Для того чтобы рассчитать задержку между спутником и приемником, спутник посылает 1,023 битный сигнал в псевдо произвольном порядке. Ресивер знает порядок сигнала, конструирует идентичный сигнал и контролирует его до тех пор, пока два сигнала не повторятся. Разные спутники используют разный порядок сигнала, что позволяет всем им передавать сигналы на одной частоте, а приемник может по типу сигнала понять, какой спутник его передает. Этот принцип называется CDMA и часто используется в сотовой связи. Используются две частоты: 1575,42МГц (равна L1) и 1227,60МГц(L2). L1 несет в себе код, доступный всем, с грубыми данными (С/А) так же как и код Р (Y). Сигнал L2 обычно только несет в себе код Р(Y). Ключи, которые используют коды Р (Y) являются государственной тайной правительства США и используются только в военных целях. Ключи, которые не имеют доступа к Р (Y) не используются обычными автомобильными навигационными приемниками, хотя некоторые производители GPS приемников сделали раскодировщики этих кодов для очень точного определения и удаления влияния ионосферы.

       Еще один нюанс в том, что атомные  часы на борту спутников настроены  на "время GPS", которое отсчитывается  с первых секунд полночи 5 января 1980года. Они идут вперед по сравнению с "Всеобщим Скоординированным Временем", поскольку  не считают "скачущих секунд". Ресиверы корректируют время, фактор которого время  от времени передается с данными, и определяют местное время, а  затем выводят его на дисплей. Часы на спутниках принимают во внимание разные факторы и идут медленнее, если бы они шли на поверхности Земли. Это вызывает разницу в 38 микросекунд в день, которая корректируется электронно на каждом спутнике. Такой зазор является явным доказательством относительности реального времени на Земле, как это было предсказано Эйнштейном, в рамках экспериментальной аккуратности.

       1 Мая 2000 года президент США Бил Клинтон анонсировал отмену искажения сигналов. Поэтому сейчас все владельцы ресиверов могут использовать сигналы спутников с точностью определения координат менее чем 20метров.

       С 1 Мая 2000 года сигналами GPS могут пользоваться все желающие, возможное частичное кодирование, глушение или изменение сигнала в определенном месте, например, в зоне войны во имя военных целей, не позволяет использовать систему в полной мере. Поэтому европейцы разрабатывают свою собственную систему позиционирования GALILEО, а Россия имеет свою собственную систему GLONASS, которая насчитывает 12 спутников.

       Военные (и некоторые гражданские) пользователи пока могут пользоваться некоторыми техническими преимуществами, которые дают быстрое определение сигнала и повышенную аккуратность. Аккуратность, как правило, создается за счет двухчастотного приемника, которые определяют задержку сигнала в ионосфере. Коммерческие ресиверы также имеют погрешность в определении высоты над уровнями морем, что делает их невозможным для использования в крылатых и баллистических ракетах. Многие синхронизирующие системы используют GPS как источник аккуратного времени для генераторов кодов или NTP часов. Например, датчики детонации, которые используются в сейсмологии, оснащены GPS приемниками, которые дают возможность определения точного времени записи о катаклизме и т.д [3].

Система GLONASS.

       Глобальная  Навигационная Спутниковая Система  разработана в начале 80-х годов  и принадлежит Российским Аэрокосмическим  Силам. На пике своей эффективности  система гарантировала аккуратность измерения местоположения в 55 метров по горизонтали и 70 метров по вертикали в общедоступном стандарте С/А. Точный сигнал (Р) доступен только для военных нужд.

       Группировка спутников состоит из 24 штук. Из них 21 работают на трех орбитальных планах и 3 находятся в законсервированном состоянии, чтобы заменить те, которые вышли из строя. Каждый орбитальный план состоит из 8 спутников, которых объединяет номер "слота": 1-8, 9-16, 17-24. Планы отделены друг от друга на 120 градусов и каждый спутник на 45 градусов друг от друга. Орбиты спутников ГЛОНАСС почти круглые с наклоном в 34,8 градуса и удалены от Земли на 19100 км, т.е. находятся ниже спутников GPS. Каждый спутник совершает круг вокруг Земли за 11 часов 15 минут. Спутники расположены так, что минимум пять сигналов может быть принято ресивером.

       Все спутники были запущены с космодрома Тюратам в Казахстане. Первые три  в октябре 1982года. Прием первых сигналов начался в декабре 1983года. Полностью  система должна была начать функционирование в 1991году, но реально заработала только в сентябре 1993года. Посное укомплектование  спутниками произошло только в декабре 1995года.

       Для системы ГЛОНАСС характерен повтор орбит спутниками каждые 8 дней. Поскольку каждый план состоит из 8 спутников, каждый из них занимает место предыдущего через несколько дней. GPS такой принцип не использует.

       В связи с плохим финансированием  программы к апрелю 2002года на орбите осталось только 8 работающих спутников, что сделало их использование неприемлемым. Сейчас разрабатывается новая программа ГЛОНАСС-М. В марте 2004года спутников на орбите стало 12 и полностью система начнет работу к 2007 году [3].

Система GALILEO.

       Решение о начале развития системы GALILEO было принято 26 мая 2003года совместно Европейским  Союзом и Европейским Аэрокосмическим  Агентством. Система предназначена только для гражданского использования, в отличие от системы GPS, которая принадлежит военным США, и они оставляют за собой право частично заглублять сигнал или вовсе его отключать когда им заблагорассудится.

       Однако  развитию системы GALILEO мешают разногласия  европейских стран в финансировании программы. Например, Франция активно  поддерживает ее развитие, что означает для этой страны независимость от технологий США. Другие страны считают, что выгоднее использовать бесплатно  систему GPS. Начальные капиталовложения в систему GALILEO насчитывают около 1,1 миллиарда Евро. По плану на орбиту должно быть выведено около 30 спутников в период 2006-2008годов. Полностью программа должна обойтись Европейским странам в 3миллиарда Евро, включая стоимость инфраструктуры на Земле. Две трети капиталовложений будут сделаны частными компаниями и инвесторами, а одна треть Европейским Союзом и Европейским Аэрокосмическим Агентством. Планируется, что система будет бесплатна для всех, но точные сигналы будут передаваться за деньги.В сентябре 2003 Китай также присоединился к системе GALILEO и инвестирует 296миллионов долларов в проект в течение 2004-2005годов. В июле 2004года партнером GALILEO стал Израиль [3].

Связь информации с энтропией.

       Впервые на связь информации и энтропии в  термодинамике при изучении тепловых процессов указал Л.Больцман, давший статистическое определение энтропии в 1887 году и заметивший, что термодинамическая энтропия характеризует недостающую информацию. Но эта фаза еще долго оставалась без внимания, пока спустя 70 лет К. Шеннон не сформулировал постулаты теории информации, а затем было замечено , что формула Больцмана инвариантна информационной энтропии, и была выявлена их системная связь, доказана системность этих фундаментальных понятий[7].

       В каждом элементарном сообщении для  получателя содержится определенная информация, представляющая совокупность сведений о состоянии источника сообщения. Определяя количественную меру этой информации, мы не учитываем ее смысловое  содержание, так же как и ее важность для конкретного получателя. Очевидно, что при отсутствии сведений о  состоянии источника имеется  неопределенность относительно того, какое сообщение u_i из числа U возможных им выбрано, а при наличии этих сведений данная неопределенность полностью исчезает. Поэтому естественно количество информации, содержащейся в сообщении, измерять величиной исчезнувшей неопределенности. Введем меру этой неопределенности, которую можно рассматривать и как количественную меру информации. При этом эта мера должна возрастать с увеличением возможностей выбора, т.е. с увеличением объема алфавита источника N. Кроме того, нужно, чтобы вводимая мера обладала свойством аддитивности, заключающемся в том, что если 2 независимых источника с объемом алфавита N и M рассматривать как один источник, одновременно реализующий пары состояний n_i  и m_i , то в соответствии с принципом аддитивности неопределенность объединенного источника должна равняться сумме неопределенность исходных источников. Поскольку объем алфавита объединено источника NЧM, то искомая функция при равной вероятности состояний источников должна удовлетворять условию f(NЧM) = f(N) + f(M). Можно математически строго показать , что единственной функцией , при перемножении аргументов которой значения функции складываются, является логарифмическая функция. Поэтому перечисленные требования выполняются, если в качестве меры H(U) неопределенности источника с равновероятным состояниями и характеризующие его ансамбля U принять логарифм объема алфавита источника.

       В первые данная мера

       H (U) = log N                                 (1.1)

       Была  предложена Р.Хартли в 1928 г. Основание  логарифма в (1.1) не имеет принципиального  значения и определяет только масштаб  или единицу количества информации. Чаще всего в качестве основания  используют число 2, при этом единица  количества информации называется двоичной единицей, или битом, и представляет собой информацию, содержащуюся в одном дискретном сообщении источника равновероятных сообщений с объемом алфавита, равным двум. При выборе в (1.1) основания логарифма равным 10 получаем единицу, называемую дитом. Иногда используют натуральную единицу количества информации, называемую натом, при этом основание логарифма в (1.1) равно е = 2, 7182. Наибольшее распространение имеет значение основания логарифма равное 2.