Кибернетика

1)

Кибернетика (греч. kybernetike [techne] - искусство управления) - наука о самоуправляющихся машинах, в частности о машинах с электронным управлением ("электронный мозг"); получила самое широкое распространение в последней трети 20 в. и сейчас находит широкое применение также в биологии и социологии; "отец кибернетики" американский учёный Норберт Винер в труде "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине" (1948) показал, что человеческий мозг действует наподобие электронных вычислительных машин с двоичной системой счисления.

 

 

Кибернетика - наука о сложных  системах

 

Наука — это неустанная многовековая работа мысли свести посредством  системы все познаваемые явления  нашего мира.

 А. Эйнштейн

 

Самым значительным шагом  в формировании идеи системного метода было появление кибернетики как  общей теории управления в технических  системах, живых организмах и обществе. В рамках кибернетики впервые  было ясно показано, что процесс  управления с самой общей точки  зрения можно рассматривать как  процесс накопления, передачи и преобразования информации. Само же управление можно  отобразить с помощью определенной последовательности точных предписаний  — алгоритмов, посредством которых  осуществляется достижение поставленной цели.

 Наука, которая  занимается исследованиями процессов  управления сложными системами  с обратной связью, получила название  кибернетики (от греч. kybernetik— искусство управления). Она возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии, и ее интересует целый класс как живых, так и неживых систем, в которых существуют механизмы обратной связи. Основателем кибернетики считается американский математик Н. Винер, выпустивший в 1948 г. книгу "Кибернетика".

 Кибернетика изучает  способы связи и модели управления, и в этом исследовании ей  понадобилось ввести понятие  информации (от лат. informatio— ознакомление, разъяснение) как меры организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности. Понятие информации имеет такое большое значение, что оно вошло в заглавие нового научного направления, возникшего на базе кибернетики — информатики (соединение слов информация и математика).

 С повышением энтропии  уменьшается информация (поскольку  все усредняется) и, наоборот, понижение энтропии увеличивает  информацию. Связь информации с  энтропией свидетельствует и  о связи информации с энергией. Энергия (от греч. energia— деятельность) характеризует общую меру различных видов движения и взаимодействия.

 Информация характеризует  меру разнообразия систем. Хотя  информация и энергия относительно  обособлены друг от друга, тем  не менее они связаны между собой. Информация растет с повышением разнообразия системы. Одним из основных законов кибернетики является закон необходимого разнообразия: эффективное управление какой-либо системой возможно только в том случае, когда разнообразие управляющей системы больше разнообразия управляемой системы. Значит, чем больше мы имеем информации о системе, которой собираемся управлять, тем эффективнее будет проходить этот процесс.

 Общее значение  кибернетики обозначается в следующих  направлениях:

 

Философское значение —  дает новое представление о мире, основанное на роли связи, управления, информации, организованности, обратной связи, целесообразности, вероятности.

Социальное значение — дает новое представление об обществе как организованной целой  системе.

Общенаучное значение —  дает новые понятия управления, методы исследования, формирует гипотезы о  внутреннем составе и строении систем.

Методологическое значение — изучая простые технические  системы, выдвигает гипотезы о работе сложных систем (живых организмов, мышления людей).

Техническое значение —  создание ЭВМ, роботов, персональных компьютеров. ЭВМ и персональные компьютеры облегчают  умственный труд, заменяя человеческий мозг в его наиболее простых и  рутинных функциях. ЭВМ работают по принципу "да-нет", и этого оказалось достаточно для того, чтобы создать вычислительные машины, хотя и уступающие мозгу в гибкости, но превосходящие его по быстроте выполнения вычислительных операций. Если же будут построены не просто человекоподобные роботы, но и превосходящие его по уму, то это повод не только для радости, но и для беспокойства, связанного как с роботизацией самого человека, так и с проблемой возможного выхода машин из-под контроля людей и даже возможного порабощения ими человека.

 

2.

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.

 Примером анализа  управления с применением отрицательной  обратной связи в организме  может быть процесс прицеливания  у стрелка (X — положение центра мишени, Y — положение мушки, регулятор — ц.н.с., объект управления — рука стрелка с оружием). Такие или подобные им отрицательные обратные связи характерны для управления движением вообще.

 Другой распространенной  формой отрицательной обратной  связи в системах любой природы  является параметрическая обратная  связь, когда выходной сигнал  изменяет какие-либо свойства (параметры)  одного из звеньев прямого  канала — регулятора (рис. 2). Примером  такого рода отрицательной обратной  связи может служить один из  механизмов ауторегуляции в биохимических циклах — подавление конечным продуктом реакции синтеза одного из предшественников.

 

 

 

 

 

 

Понятие пели, целенаправленности. Основатель кибернетики Н. Винер писал, что "действие или поведение допускает истолкование как направленность на достижение некоторой цели, т.е. некоторого конечного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве и во времени с некоторым другим объектом или событием" (Кибернетика. М., 1968. С. 288). Цель определяется как внешней средой, так и внутренними потребностями субъекта управления. Цель должна быть принципиально достижимой, она должна соответствовать реальной ситуации и возможностям системы (управляющей и управляемой). За счет управляющих воздействий управляемая система может целенаправленно изменять свое поведение. Целенаправленность управления биологических управляемых систем сформирована в процессе эволюционного развития живой природы. Она означает стремление организмов к их выживанию и размножению. Целенаправленность искусственных управляемых систем определяется их разработчиками и пользователями.

 

Понятие обратной связи. Управление по "принципу обратной связи". Вели между воздействием внешней среды и реакцией системы устанавливается связь, то мы имеем дело с обратной связью. Принцип обратной связи характеризует информационную и пространственно-временную зависимость в кибернетической системе. Если поведение системы усиливает внешнее воздействие, то мы имеем дело с положительной обратной связью, а если уменьшает, - то с отрицательной обратной связью. Понятие обратной связи имеет отношение к цели управления. Поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по отношению к стоящей цели. Яркий пример обратной связи - работа термопары в холодильнике.

 

Понятие информации. Управление - информационный процесс. информация - "пища", "ресурс" управления. Поэтому кибернетика есть вместе с тем наука, об информации, об информационных системах и процессах. Самый исходный смысл термина "информация" связан со сведениями, сообщениями и их передачей. Бурное развитие в нашем веке телефона, телеграфа, радио, телевидения и других средств массовой коммуникации потребовало повышения эффективности процессов передачи, хранения и переработки передаваемых сообщении информации. "Докибернетическое" понятие информации связано с совокупностью сведений, данных и знаний. Оно стало явно непонятным, неопределенным с возникновением кибернетики. Понятие информации в кибернетики уточняется в математических "теориях информации". Это теории статистической, комбинаторной, топологической, семантической информации.

 

В отечественной и  зарубежной литературе предлагается много  разных концепций (определений) информации:

 

информация как отраженное разнообразие,

 

информация как устранение неопределенности (энтропии),

 

информация как связь  между управляющей и управляемой  системами,

 

информация как преобразование сообщений,

 

информация как единство содержания и формы (например, мысль - содержание, а само слово, звук - форма),

 

информация - это мера упорядоченности, организации системы  в ее связях с окружающей средой.

 

Общее понятие информации должно непротиворечиво охватывать все определения информация, все  виды информации. К сожалению. такого универсального понятия информации еще не разработано.

 

Информация может  быть структурной, застывшей, окостенелой. например, в минералах, машинах, приборах, автоматических линиях. Любая машина - это овеществленная научная и техническая информация, разум общества, ставший предметом.

 

Информация может  быть также функциональной, " актуальным управлением". Информация измеримая величина. Она измеряется в битах.

 

Каковы свойства информации? Первое - способность управлять физическими, химическими, биологическими и социальными  процессами. Там, где есть информация, действует управление, а там, где  осуществляется управление, непременно наличествует и информация. Второе свойство информации - способность  передаваться на расстоянии (при перемещении  инфоносителя). Третье - способность информации подвергаться переработке. Четвертое - способность сохраняться в течение любых промежутков времени и изменяться во времени. Пятое свойство - способность переходить из пассивной формы в активную. Например, когда извлекается из "памяти" для построения тех или иных структур (синтез белка, создание текста на компьютере и т. д.).

 

Информация существенно  влияет на ускоренное развитие науки. систем управления, техники и различных отраслей народного хозяйства. Политика, политическое управление, экономика - это концентрированная смысловая информация, т. е. такая, которая перерабатывается человеческим сознанием и реализуется в различных социальных сферах. Она обусловлена политическими, экономическими потребностями общества и циркулирует в процессе управления производством и обществом. Социальная информация играет огромную роль в обеспечении правопорядка, работы правоохранительных органов, в деле образования и воспитания подрастающих поколений. Информация -неисчерпаемый ресурс общества. Информация - первооснова мира, всего сущего. Современным научным обобщением всех информационных процессов в природе и обществе явилась информациология -генерализованная наука о природе информации и законах информации.