Синергетические и кибернетические основания ИАР

Министерство  образования и науки Российской федерации

ГОУ ВПО  «Самарский Государственный Университет» 

Механико-математический факультет 
 

Кафедра безопасности информационных систем

Специальность «Компьютерная безопасность» 
 
 
 
 

Синергетические и кибернетические основания ИАР 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент

 курса  5 группы 20501.10

Дементьев Андрей Юрьевич 
 
 
 

Самара 2011 
 
 
 

СИНЕРГЕТИКА

(от греч. synergeia — сотрудничество, содействие, соучастие) — междисциплинарное направление научных исследований, в рамках которого изучаются общие закономерности процессов перехода от хаоса к порядку и обратно (процессов самоорганизации и самопроизвольной дезорганизации) в открытых нелинейных системах физической, химической, биологической, экологической, социальной и др. природы. Термин «С.» был введен в 1969 Г. Хакеном. С. как научное направление близка к ряду др. направлений, таких, как нелинейная динамика, теория сложных адаптивных систем, теория диссипативных структур (И. Пригожин), теория детерминированного хаоса, или фрактальная геометрия (Б. Мандельброт), теория автопоэзиса (X. Матурана и Ф. Варела), теория самоорганизованной критичности (П. Бак), теория нестационарных структур в режимах с обострением (А.А. Самарский, С.П. Курдюмов). Термин «С.» иногда используется как обобщенное название научных направлений, в рамках которых исследуются процессы самоорганизации и эволюции, упорядоченного поведения сложных нелинейных систем. С. можно рассматривать как современный этап развития идей кибернетики (Н. Винер, У.Р. Эшби) и системного анализа, в т.ч. построения общей теории систем (Л. фон Берталанфи).

Суть подхода  С. заключается в том, что сложноорганизованные системы, состоящие из большого количества элементов, находящихся в сложных  взаимодействиях друг с другом и  обладающих огромным числом степеней свободы, могут быть описаны небольшим числом существенных типов движения (параметров порядка), а все прочие типы движения оказываются «подчиненными» (принцип подчинения) и могут быть достаточно точно выражены через параметры порядка. Поэтому сложное поведение систем может быть описано при помощи иерархии упрощенных моделей, включающих небольшое число наиболее существенных степеней свободы.

В замкнутых, изолированных  и близких к равновесию системах протекающие процессы, согласно второму началу термодинамики, стремятся к тепловому хаосу, т.е. к состоянию с наибольшей энтропией. В открытых системах, находящихся далеко от состояний термодинамического равновесия, могут возникать упорядоченные пространственно-временные структуры, т.е. протекают процессы самоорганизации. Структуры-аттракторы показывают, куда эволюционируют процессы в открытых и нелинейных системах. Для всякой сложной системы, как правило, существует определенный набор возможных форм организации, дискретный спектр структур-аттракторов эволюции. Критический момент неустойчивости, когда сложная система осуществляет выбор дальнейшего пути эволюции, называют точкой бифуркации. Вблизи этой точки резко возрастает роль незначительных случайных возмущений, или флуктуаций, которые могут приводить к возникновению новой макроскопической структуры. Структуры самоорганизации, обладающие свойством самоподобия, или масштабной инвариантности, называют фрактальными структурами. Будучи междисциплинарным направлением исследований, С. влечет за собой глубокие мировоззренческие следствия. Возникает качественно иная, отличная от классической науки картина мира. Формируется новая парадигма, изменяется вся концептуальная сетка мышления. Происходит переход от категорий бытия к со-бытию, событию; от существования к становлению, сосуществованию в сложных эволюционирующих структурах старого и нового; от представлений о стабильности и устойчивом развитии к представлениям о нестабильности и метастабильности, оберегаемом и самоподдерживаемом развитии (sustainable development); от образов порядка к образам хаоса, генерирующего новые упорядоченные структуры; от самоподдерживающихся систем к быстрой эволюции через нелинейную положительную обратную связь; от эволюции к коэволюции, взаимосвязанной эволюции сложных систем; от независимости и обособленности к связности, когерентности автономного; от размерности к соразмерности, фрактальному самоподобию образований и структур мира. В новой синергетической картине мира акцент падает на становление, коэволюцию, когерентность, кооперативность элементов мира, нелинейность и открытость (различные варианты будущего), возрастающую сложность формообразований и их объединений в эволюционирующие целостности. С. придает новый импульс обсуждению традиционных филос. проблем случайности и детерминизма, хаоса и порядка, открытости и цели эволюции, потенциального (непроявленного) и актуального (проявленного), части и целого. 

КИБЕРНЕТИКА 

В медицине. Кибернетика  — наука об общих законах управления в системах любой природы —  биологической, технической, социальной. Основной объект исследования в К. — кибернетические системы, рассматриваемые вне зависимости от их материальной природы. Методы К. развиваются вместе с общей теорией систем, теорией автоматического управления, методами математического моделирования и др. Общие законы управления и обобщенные характеристики систем применяются к конкретным областям: биологические объекты исследуются в биокибернетике, медицинские системы и методы управления состоянием организма — в медицинской кибернетике и т.д.

Исторический  очерк. Проникновение кибернетических  методов в биологию и медицину началось после выхода в 1948 г. книги  американского математика Н. Винера «Кибернетика, или управление и связь  в животном и машине», ознаменовавшего  появление кибернетики как науки. В этой книге впервые была выявлена общность процессов в природе и технике, причем ряд исходных концепций К. базировался на наблюдениях за биологическими объектами. В нашей стране развитие К. было необоснованно заторможено, она была объявлена буржуазной лженаукой, хотя независимо от этого прикладное направление К. — разработка отечественных ЭВМ и первых кибернетических систем — велась под руководством академика С.А. Лебедева с 1949 года. В конце 50-х гг. справедливое положение К. в системе наук было восстановлено, и в 1959 г. усилиями академика А.И. Берга при Президиуме АН СССР был создан научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика». Одним из важных направлений работы совета стало развитие биологической и медицинской К. Важную роль в становлении биологической и медицинской кибернетики в СССР сыграли В.В. Ларин и Н.М. Амосов.

 В нашей  стране в 60-х гг. уже работали  экспериментальные автоматизированные  медицинские системы. Первая в  СССР диагностическая система  на основе ЭВМ была создана  в 1964 г. в лаборатории кибернетики Института хирургии им. А.В. Вишневского. Эта система автоматически устанавливала диагноз врожденных пороков сердца. В 1969 г. в Институте сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева была разработана система автоматической диагностики поражения клапанов сердца.

 В 1970 г.  в НИИ социальной гигиены и  организации здравоохранения им. Н.А. Семашко были созданы первые  автоматизированные системы управления (Автоматизированная система управления), а в 1972 г. в рамках системы  АСУ «Больница» была принята в эксплуатацию первая в СССР АСУ медицинского назначения «Аптека». К середине 70-х гг. были разработаны автоматизированные системы для использования в клинике (мониторно-компьютерная система «Симфония» для слежения за состоянием больного во время хирургической операции — 1973 г., автоматизированная система обеспечения решений врача АСОРВ — 1974 г.).

 С 1969 г.  в ряде медицинских институтов  читался факультативный курс  «Основы медицинской кибернетики», а в 1979 г. медико-биологический  факультет 2-го Московского медицинского института им. Н.И. Пирогова выпустил первых в СССР врачей-кибернетиков.

 С середины 80-х гг. кибернетические методы  в медицине и здравоохранении  получают все большее распространение.  Появляются автоматизированные  центры диагностики, системы диспансеризации и медицинских осмотров населения. В крупных больницах создаются автоматизированные системы обработки медицинских данных, осуществляется компьютерный учет коечного фонда, в приемных отделениях журнал приема больных ведется на основе ЭВМ.

К концу 80-х гг. только в Москве прямой доступ к  ЭВМ получили несколько тысяч  врачей и медработников. Например, в  Институте сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева, где разработана  и функционирует система автоматизированного  ведения историй болезни, в 1988 г. с компьютерами работало более 400 врачей.

 В последние  годы роль и место К. в  системе наук изменились. Отпочкование  от нее информатики (см. Информатика,  в качестве самостоятельной научной  и практической области деятельности, вобравшей в себя проблемы создания и использования средств вычислительной техники, вернуло К. в ее классическое русло — науки об общих законах управления.

Основные понятия  кибернетики. К. исследует процессы управления, протекающие в живой  природе, технических, социальных и других объектах. Главным предметом изучения является система — совокупность элементов, образующих определенную структуру, которая функционирует для достижения какой-либо цели.

 Кибернетика  изучает общие свойства систем, прежде всего с точки зрения способов управления ими. Особую роль в биологических и медицинских применениях К. играют динамические системы, в которых с течением времени происходят существенные изменения. Элементы системы и связи между ними образуют ее структуру. Внешнее проявление присущих системе свойств, характерные для нее процессы являются функцией системы. Способность систем сохранять свою структуру и функцию в меняющихся условиях характеризуется понятиями надежности и устойчивости. Под устойчивостью системы понимают ее способность с течением времени возвратиться к исходному (или близкому к нему) состоянию после какого-либо возмущения.

 На ранних  этапах развития К. для описания  систем использовался метод черного  ящика — описание систем в  виде преобразователя входных  сигналов в выходные со скрытой внутренней структурой. Понятие черного ящика оказалось неудовлетворительным для описания динамических систем, т.к. оно не учитывает важнейшее их свойство: характер преобразования входных сигналов в выходные меняется в зависимости от текущего внутреннего состояния системы. Поэтому широкое распространение в К. получил метод так называемого пространства состояний, в котором система представлена не только входом и выходом, а тремя характеристиками — входом, состоянием, выходом (см. Математические методы).

Сохранение неизменности состояния системы при действии возмущении называется гомеостазом. Наиболее широко понятие гомеостаза применяется  при анализе физиологических  систем. В отличие от обычной устойчивости (возвращение системы к исходному состоянию после снятия возмущения) гомеостаз означает сохранение исходного (или близкого к нему) состояния системы и во время действия возмущающих факторов.

 Одной из  важнейших функций систем является  управление. Целями управления могут  быть сохранение структуры, поддержание гомеостаза, реализация различного рода программ. При синтезе систем в К. используются и другие термины, по смыслу близкие к понятию управление, например регуляции (в частности, физиологическая) и регулирование (простые формы управления, в основном в технических системах).

 Управление  может осуществляться либо полностью  без участия человека — автоматическое, либо человеком с использованием  технических средств (например, вычислительной  техники) — автоматизированное (см. Автоматизированные системы управления (Автоматизированная система управления)). Общие свойства управляемых систем, в т.ч. и автоматических систем управления, изучаются методами теории управления.

 Ведущим понятием  К., широко используемым в медицине  и биологии, является обратная связь. Если в какой-нибудь системе удается выделить направление «прямой» передачи сигнала, т.е. от входа системы к ее выходу, то любая передача сигналов в противоположном направлении (от выхода ко входу) называется обратной связью. В биологических и медицинских системах, как правило, можно выделить множество прямых и обратных связей. Поэтому в целях упрощения в системе анализируют лишь главную (иногда рассматриваемую в качестве единственной) цепь обратной связи. Обратная связь может быть положительной (когда поступающий обратно с выхода на вход сигнал увеличивает эффект входного воздействия) или отрицательной (когда этот эффект уменьшается). Положительная обратная связь обычно способствует потере устойчивости в системе, а отрицательная повышает устойчивость и обеспечивает поддержание гомеостаза.

 В биологических  системах, в частности в организме,  отрицательная обратная связь  встречается в различных формах, а механизмы ее реализации  имеют различную природу —  гуморальную, нервную и др.

 Простейшей  формой отрицательной обратной связи в К. является обратная связь по рассогласованию (рис. 1). Прямой канал представлен цепочкой вход — регулятор — объект — выход, обратная связь — передача выходного сигнала V с выхода системы ко входу. Если входной сигнал равен Х (любое постоянное значение входного сигнала называется установкой), а выходной сигнал Y ему не равен, то в системе возникает сигнал рассогласования Σ = Х — Y. Этот сигнал усиливается регулятором и преобразуется в сигнал управления Ц, который поступает на вход объекта, изменяя его состояние до тех пор, пока рассогласование не исчезнет. В этом случае достигается желаемое соотношение Y — X. Если на систему действует возмущение V, то это соотношение нарушится, и механизм обратной связи снова заработает, возвращая изменившееся значение к заданному уровню.