Кибернетика как способ управления

Кибернетика как наука об управлении системами

Кибернетика проникла и продолжает проникать во все области трудовой деятельности и жизни человека. Это наука об оптимальном управлении сложными процессами и системами.

Окружающий мир наполнен случайностями, но тем не менее он оказывается достаточно организованным и во многих отношениях упорядоченным. Дезорганизующему действию случайностей противостоит организующее действие процессов управления и самоуправления.

Под управлением в самом общем виде понимают совокупность действий, осуществляемых человеком, группой людей или автоматическим устройством. Эти действия направлены на поддержание или улучшение работы управляемого объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления. Управлять – значит влиять на ход какого-либо процесса или состояние некоторого объекта и его положения в пространстве. Управление является всегда целенаправленным действием, и цель его задается наперед.

Взаимоотношения случайного (дезорганизации, разупорядочивания, рассогласования) и управления носят характер активного противоборства, и это обстоятельство требует от управления гибкости, способности перестраиваться по ходу дела. Для перестройки необходимо, чтобы управляющее устройство все время получало информацию о результатах управления и в соответствии с этим корректировало свои воздействия на систему. Под информацией обычно понимают сведения, знания, сигналы, сообщения – в общем, все то, что используется для управления.

Как правило, в процессе управления реализуется определенная схема. Орган управления получает информацию о цели управления и о состоянии объекта управления и формирует управляющие воздействия, подбирая их так, чтобы в результате свести к минимуму рассогласование между заданной целью и достигнутым на данном шаге результатом. Информация о состоянии объекта управления называется обратной связью, а каналы, по которым эта информация поступает в орган управления, называются каналами или цепями обратной связи. Такая схема носит название регулятора с обратной связью или следящей системы. По сути дела, любая реальная схема управления предполагает наличие обратной связи, то есть канала (или каналов) передачи информации. Управление без обратной связи неэффективно и фактически всегда нежизнеспособно. В более сложных случаях, при многошаговом управлении критерий минимизации рассогласования достигается лишь после нескольких шагов управления.

Благодаря развитию науки и техники современный человек оказался в окружении огромного количества разнообразных управляемых систем, которые оказываются все более и более сложными, а их функциональные возможности становятся все более богатыми. Поэтому на первый план выдвигается исследование именно функциональных возможностей систем. Исследование же внутренней структуры систем отступает на второй план, тем более что во многих случаях подобное исследование в полном объеме оказывается практически невозможным из-за сложности систем. Таким образом, главной задачей становится изучение общих закономерностей процессов управления и самоуправления независимо от конкретного устройства тех или иных управляемых систем.

Фундаментальная схема управления, когда независимо от целей управления, от природы исполнительных и управляющих органов процесс управления всегда характеризуется наличием одного или нескольких замкнутых контуров (прямой или обратной связи), когда по цепям прямой связи к объекту поступает управляющая информация, а по цепям обратной связи – информация о состоянии объекта управления и о том, в какой степени достигнуты (или не достигнуты) цели управления, привела к возникновению кибернетики — научного направления, изучающего общие свойства управления.

Создание кибернетики связывают с именем видного американского ученого Н. Винера (1894-1964). В 1948 г. в США и Европе вышла его книга «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине», ознаменовавшая своим появлением рождение этого нового научного направления. В переводе с греческого кибернетика – «кормчий». В Советском Союзе разработками в этой области занимались И.Полетаев, М.Цетлин, В.Глушков, А.Берг, И.Петровский, А.Колмогоров и другие.

Надо сказать, что термин «кибернетика» встречается уже у Платона, где означает искусство управления кораблем. Французский физик Ампер, занимаясь классификацией наук, поместил в своей системе в рубрике за номером 83 науку, назвав ее кибернетикой, которая должна исследовать способы управления государством. Сегодня термин «кибернетика» используется только в том смысле, какой был дан ему Н.Винером. Кибернетика есть наука об общих закономерностях процессов управления и связи в сложных системах, включая как машины, так и живые организмы. Основными в этой научной дисциплине являются понятия управления и информации.

Н.Винер впервые выдвинул идею о том, что системы управления в живых и искусственных системах обладают многими общими чертами. Установление аналогий обещало создание «общей теории управления», результаты которой могли бы использоваться в самых разнообразных системах. С появлением компьютеров, способных единообразно решать самые разные задачи, эта идея получила подкрепление. Универсальность компьютерных вычислений наталкивала на справедливость гипотезы о существовании универсальных схем управления.

Эта гипотеза не выдержала проверку временем, тем не менее накопленные в кибернетике сведения о самых разных системах управления, общие принципы, которые частично удалось обнаружить, замена узкопрофессиональной точки зрения на взгляд с позиции общности внешне разнородных объектов и систем принесли большую пользу. Такая общность позволяет успешно описывать функционирование различных систем едиными формальными средствами и использовать системы одной природы для моделирования и изучения других систем, формальные описания которых оказываются идентичными. Это объясняет большое значение моделирования, которое является одним из основных методов исследований в кибернетике.

В кибернетике можно выделить ряд научных направлений. Назовем основные.

Теоретическая кибернетика занимается общими проблемами теории управления, теории информации, вопросами передачи, защиты, хранения и использования информации в системах управления. Многие проблемы теоретической кибернетики изучаются в теоретической информатике.

Кибернетика может рассматриваться как прикладная информатика в области создания и использования автоматических или автоматизированных систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом до сложнейших систем управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, системами связи и даже сообществами людей.

Техническая кибернетика – другое наиболее активно развивающееся направление. В ее состав входит теория автоматического управления, исследующая проблемы автоматизации процессов, и в частности проблемы самоуправления в сложных системах. Сложные объекты управления требуют специальных приемов и методов, опирающихся на идеи технической диагностики, распознавания образов, ситуационного управления, коллективного поведения автоматов.

Еще одно научное направление тесно связывает кибернетику с биологией. Биологическая кибернетика применяет идеи и методы кибернетики в биологии и медицине. Аналогии между живыми и неживыми системами многие столетия волнуют ученых. Особое место в этом направлении исследований играет нейрокибернетика, изучающая процессы переработки информации в нервной ткани животных и человека, а также бионика – наука о том, как находки живой природы, реализованные в живых организмах, можно переносить в искусственные системы, создаваемые человеком. Информационно-кибернетический подход к биологическим объектам стимулировал исследования процессов управления, передачи и переработки информации в биологических объектах, исследования по управлению движениями, по переработке информации в рецепторных и анализаторных системах, воспринимающих и распознающих информацию, исследования нейронов и нервных сетей, изучение поведения живых организмов и их сообществ, ориентацию животных.

Важнейшим моментом в развитии бионики стали идеи американских нейрофизиологов У. Маккалока и Питса (1943).

Еще одна новая наука — гомеостатика – наука о достижении равновесных состояний при наличии многих действующих одновременно факторов связывает модели биологической кибернетики и технической кибернетики. Как уже говорилось, кибернетика интересуется общими принципами управления в объектах различной природы. Поэтому ее весьма интересуют равновесные состояния в таких системах и способы их достижения. Равновесие тесно связано с идеей устойчивости, а именно устойчивость и способность сохранять длительное время свою форму, структуру и жизнедеятельность – характерное свойство не только живых, но и целесообразных искусственных систем. Теория автоматического управления в своей значительной части есть наука о достижении устойчивых состояний и способах их сохранения. Особенно сложен случай, когда равновесие достигается путем взаимодействия многих систем. Модели поведения автоматов в случайных средах и коллективного поведения оказываются по своим идеям во многом близкими для гомеостатических моделей.

Не только живые организмы, но и так называемые сложные системы (экологические, социальные, производственные) в той или иной степени гомеостатичны – у каждой из них есть свои жизненно важные параметры, которые необходимо поддерживать в определенных границах при допустимых изменениях внешней среды.

Свое название гомеостатика получила от греческих слов: homeo – постоянство и statis – состояние. Понятие «гомеостаз» применительно к физиологии было введено американским физиологом У.Кенноном (1871-1945) задолго до появления кибернетики. Позже американский кибернетик У.Эшби создал самоорганизующийся регулятор, способный поддерживать постоянство выходного параметра при больших изменениях входных параметров, характеризующих внешнюю среду. Он назвал этот регулятор гомеостатом. С тех пор понятие гомеостата стало широко использоваться в теории автоматического регулирования, а потом и в других науках.

Экономическая кибернетика – также одна из развивающихся областей кибернетики. В 20-е годы ХХ столетия впервые были предложены математические соотношения для описания глобальных экономических процессов. С этих пор начала развиваться математическая экономика, которая при появлении компьютеров стала наукой, где расчеты и модели экономических процессов столь же привычны, как и в ранее формализованных науках.

И наконец, социальная кибернетика изучает процессы управления, протекающие в человеческом обществе (модели распространения слухов, модели возникновения лидерства и т.п.). Это направление кибернетики тесно смыкается с социальной психологией.

В современном обществе кибернетика уступила лидирующие позиции информатике, решающей многие задачи, впервые поставленные кибернетикой. Тем не менее значение кибернетики сохраняется и поныне.

Литература

1. Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. М., 1968.

2. Реньи А. Трилогия о математике. М.1980.

3. Реньи А. Письма о вероятности. М.1980.

4. Тарасов Л. Мир, построенный на вероятности. М.1984.

5. Шредингер Э. Что такое жизнь? М. 1972.

6. Информатика: Энциклопедический словарь для начинающих/Сост .Д. Поспелов.- М.1994.

7. Информатика: организация и управление. М.1991.

8. Прикладная информатика: Сб. статей. Вып.17/ Под ред. В. Савинкова. М.1991.

9. Семенов Г. Лекции по экономической кибернетике. Казань.1990.

Источник

Искусство управления всем: что такое кибернетика и зачем она нужна

Что такое кибернетика?

Кибернетика — это междисциплинарная наука об общих закономерностях получения, хранения, преобразования и передачи информации в сложных управляющих системах, будь то машины, живые организмы или общество. Это попытка ученых создать общую математическую теорию управления сложными системами, совместить на первый взгляд несовместимое и найти общность там, где ее не может быть.

Сло­во «ки­бер­не­ти­ка» впер­вые упот­ребил Пла­то­н в диа­ло­ге «За­ко­ны» (4 в. до н. э.) для обо­зна­че­ния «принципов управ­ле­ния людь­ми». В научный оборот термин «кибернетика» ввел французский физик и математик Андре-Мари Ампер, чьим именем мы измеряем силу электрического тока. В 1834 году в своем фундаментальном труде «Опыт о философии наук, или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний» он определил кибернетику как науку об управлении государством, которая должна обеспечить гражданам разнообразные блага.

В том виде, в каком мы понимаем его сегодня, термин «кибернетика» ввел американский математик Норберт Винер в своей книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном и в машине», опубликованной издательством MIT Press/Wiley and Sons в 1948 году. Он создал совершенно новую область исследований и совершенно новый взгляд на мир.

Уникальность его идей в том, что он показал: животные, как и машины, могут быть включены в более обширный класс объектов, отличительной особенностью которого является наличие систем управления.

Винера называют «отцом кибернетики». Однако большой вклад в развитие науки внесли и другие ученые — английский психиатр Уильям Эшби, американский нейрофизиолог Уоррен Маккалок, английский математик Алан Тьюринг, мексиканский физиолог Артуро Розенблют, советские математики Андрей Колмогоров и Виктор Глушков и другие.

Основные принципы кибернетики

Как и в любой науке, у кибернетики есть свои законы и принципы. Основные из них — это принцип «черного ящика» и закон обратной связи.

Принцип «черного ящика» ввел английский психиатр, специалист по кибернетике и пионер в исследовании сложных систем Уильям Эшби. Этот принцип позволяет изучать поведение системы, то, как она реагирует на внешние воздействия, и в то же время абстрагироваться от ее внутреннего устройства. То есть кибернетики соглашаются с когнитивными ограничениями человека и невозможностью понять всех состояний системы, которые она может принимать прямо сейчас.

Закон обратной связи заключается в простом факте: если есть объект управления и субъект управления, то для выработки адекватных управляющих воздействий, имея информацию о состоянии объекта, субъект может принимать адекватное решение по его управлению. То есть манипулируя входными сигналами, мы можем наблюдать некий результат работы системы на выходе. При этом принципы и законы кибернетики одинаково применимы к управлению автомобилем, крупным предприятием, поведением толпы или бионическим протезом.

Одно из важнейших достижений кибернетики — разработка и широкое использование метода математического моделирования. Он позволяет проводить эксперименты не с реальными физическими моделями изучаемых объектов, а с их математическим описанием в виде компьютерных программ.

Сферы кибернетики

Хоть и считается, что как наука кибернетика сегодня предана забвению, она успела породить много направлений:

• искусственный интеллект;
• медицинская кибернетика;
• биологическая кибернетика;
• инженерная кибернетика;
• спортивная кибернетика;
• экономическая кибернетика;
• социальная кибернетика;
• правовая кибернетика и другие.

Искусственный интеллект

Как отдельное направление исследований искусственный интеллект (ИИ) возник в середине XX века, в попытке понять организацию работы мозга с помощью математических методов.

Искусственный интеллект определяют как научное направление, в рамках которого ставятся и решаются задачи аппаратного или программного моделирования интеллектуальных видов человеческой деятельности. Кроме этого под ИИ понимают свойство интеллектуальных систем выполнять творческие функции, которые традиционно считаются прерогативой человека.

Решения на основе искусственного интеллекта сегодня внедряются во все сферы нашей жизни: медицина, образование, политика, сельское хозяйство, банки, безопасность и другие.

Другая сфера, которая тесно связана с ИИ — робототехника.

Медицинская кибернетика

Медицинская кибернетика — это междисциплинарное научное направление, связанное с использованием идей, методов и технических средств кибернетики в медицине и здравоохранении. Медицина стала одной из тех сфер, наряду с робототехникой и компьютерными технологиями, где кибернетика получила большое распространение.

Врачи-кибернетики работают в тесном содружестве с врачами-клиницистами (терапевтами, хирургами, реаниматологами, неврологами, реабилитологами и так далее), физиологами, биохимиками, математиками, инженерами и другими специалистами.

В России как специальность высшего медицинского образования появилась в 1974 году.

Чем занимается медицинская кибернетика:

• Разработка медицинских информационных технологий — единая государственная система здравоохранения, электронные медицинские карты и рецепты, телемедицина.
• Развитие искусственного интеллекта в медицине позволяет осуществлять диагностику с помощью компьютерных технологий, прогнозировать состояние пациентов, автоматически расшифровывать специализированные медицинские снимки и изображения.
• Внедрение сложных компьютеризированных комплексов — томографы, ангиографы, системы визуализации и радиоизотопные системы, системы лазерной микрохирургии и другие. А также создание портативных, комфортных и индивидуальных приборов, которые объективно оценивают показатели пациента и передают их в реальном времени в аналитические центры.
• Исследования в области биологии и медицины — клиническая биоинформатика, 3D-моделирование лекарственных средств, исследование лекарств и лекарственного взаимодействия на молекулярном уровне.
• Математическое моделирование физиологических процессов, эпидемий и др.

Кибернетическая биология

Кибернетическая биология изучает кибернетические системы в биологических организмах с упором на то, как животные адаптируются к окружающей среде и как информация в форме генов передается от поколения к поколению.

Основные направления кибернетической биологии:

• Биоинженерия — комплексная дисциплина, которая использует междисциплинарные разработки в области инженерии, биологии и медицины для лечения болезней, укрепления здоровья и продления жизни.
• Бионика или биомиметика — научный подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные его элементы заимствуются из живой природы и используются для решения задач, стоящих перед человеком. Самый простой пример биомиметики — текстильная застежка-«липучка», прототипом которой стали плоды репейника.
• Синтетическая биология — новое направление науки, которое объединяет инженеров, физиков, молекулярных биологов и химиков, чтобы использовать инженерные принципы для соединения биомолекулярных компонентов: генов, белков и других составных частей в новые структуры и сети.
• Биомеханика изучает в основном механические свойства опорно-двигательного аппарата. Фундаментальные исследования в этой области послужили базой для разработки, например, искусственных суставов.
• Кибернетические организмы — биологические организмы, содержащие механические или электронные компоненты.

Инженерная кибернетика

Инженерная кибернетика — междисциплинарное исследование и автоматическое управление техническими динамическими системами, такими как роботы, самолеты, морские суда, автомобильные системы и технологические установки.

Одно из направлений — разработка и создание автоматических устройств: технологических, измерительных (различные датчики, регистраторы, измерительные комплексы) и информационных.

Спортивная кибернетика

Спортивная кибернетика — научный подход к мониторингу физиологии игроков, оценки их психологического состояния, а также к изучению и разработке стратегии и тактики игр для командных видов спорта.

Одним из первых математические методы и принципы кибернетики в спорте применил кандидат биологических наук, доцент Валентин Петровский, преподаватель кафедры легкой атлетики Киевского физкультурного института и тренер-новатор. В 1960 годах Петровский рассчитал математическую модель тренировок для спортсмена Валерия Борзова, который стал чемпионом мира по легкой атлетике.

В 1975 году киевское «Динамо» выиграла у мюнхенской «Баварии» Суперкубок Европы по футболу со счетом 3:0. Это произошло благодаря работе тренера Валерия Лобановского, футбольного статиста Анатолия Зеленцова и футболиста и тренера Олега Базилевича. Они создали первый в мире постоянно действующий научный центр при команде «Динамо» в Киеве. Там разработали уникальные программы и методики моделирования учебно-тренировочного процесса, контроля и анализа соревновательной деятельности, моделирования стратегии и тактики игр. Сегодня работу профессиональных спортсменов различных спортивных направлений сложно представить без компьютерных технологий и математических методов анализа.

В 2017 году в России была создана Ассоциация компьютерных наук в спорте, объединившая ученых, в том числе математиков, физиологов, психологов, биомехаников, а также ИТ-специалистов, тренеров и спортивных врачей.

Экономическая кибернетика

Экономическая кибернетика — об­ласть нау­ки, которая изучает дви­же­ние ин­фор­ма­ции в эко­но­ми­ке и ее влия­ние на эко­но­мические про­цес­сы с учетом обратной связи. Воз­ник­ла на сты­ке ма­те­ма­ти­ки и ки­бер­не­ти­ки с эко­но­ми­кой и включает в себя ма­те­ма­ти­че­ское про­грам­ми­ро­ва­ние, ис­сле­до­ва­ние опе­ра­ций, эко­но­ми­ко-ма­те­ма­ти­че­ские мо­де­ли, эко­но­мет­ри­ку и ма­те­ма­ти­че­скую эко­но­мию.

В ка­че­ст­ве са­мо­сто­ятельного на­учного на­прав­ле­ния экономическая кибернетика поя­ви­лась в конце 1950 годов. Основателем экономической кибернетики считается британский теоретик и практик в области исследования операций Стаффорд Бир. С того времени она диф­фе­рен­ци­ро­ва­лась на мно­же­ст­во са­мо­сто­ятельных на­прав­ле­ний: сис­те­му ис­кус­ст­вен­но­го ин­тел­лек­та для под­держ­ки биз­нес-ре­ше­ний, тео­рию про­ек­ти­ро­ва­ния эко­но­мических ме­ха­низ­мов (кон­кур­сов, аук­цио­нов и так далее) и ор­га­ни­за­ций, ис­сле­до­ва­ния рын­ков ин­фор­ма­ции, а также ме­недж­мент зна­ний.

Cybersyn — проект централизованного компьютерного управления плановой экономикой в Чили в 1970–1973 годах под руководством кибернетика Стаффорда Бира.

Бир использовал для анализа экономики Чили модели жизнеспособной системы (viable system model), основанную на принципах нервной системы человека. Он критиковал иерархический процесс принятия решений, когда управление осуществляется директивно при накоплении статичных данных. Вместо этого он предложил закольцевать процесс принятия решений, расположив между правительством и производствами специальный аппарат управления. Этот аппарат должен собирать и передавать информацию от работников руководству, контролировать и обеспечивать выполнение распоряжений, поддерживать саморегуляцию всей системы за счет распределения выделенных ресурсов относительно потребностей. Гибкость процесса управления гарантировала постоянная обратная связь. А ключевыми элементами становились коммуникация, адаптация и действие.

В 1973 году военные во главе с генералом Аугусто Пиночетом совершили переворот в Чили. Отказавшись от идей плановой системы свергнутого президента-социалиста Сальвадора Альенде, они закрыли проект Cybersyn.

Общегосударственная Автоматизированная Система сбора и обработки информации для учета, планирования и управлении народным хозяйством СССР — одна из первых глобальных сетей в мире для управления экономикой государства. Создавалась и разрабатывалась под руководством академика и кибернетика Виктора Глушкова в 1960–1980-х годах.

Целью ОГАС должен был стать перевод всего документооборота страны в электронный, безбумажный вид, возможность управления экономикой в том числе в режиме реального времени, оптимизация технологических, экономических и организационных процессов, реорганизация управления, создание индустрии информационных технологий. В первоначальном проекте предполагалась даже отмена бумажных денег и замена их электронными платежами.

Частично проект реализован в 1968 году как Автоматическая система плановых расчетов (АСПР), которая просуществовала до 1994 года. По некоторым данным, при переходе на новые компьютеры, комплекс программ АСПР и банк данных, хранившиеся на ЕС ЭВМ, просто не перенесли на новые носители.

Социальная кибернетика

Социальная кибернетика — раздел в социологии, основанный на общей теории систем и кибернетике. Задача ее состоит в том, чтобы изучить закономерности самоорганизующейся общественной системы и создать оптимальную модель управления социальными процессами.

В реальном мире социальная кибернетика применима для лучшего понимания поведения толпы, в том числе во время беспорядков, а также причин их формирования и способов их предотвращения.

В 2006 году Международная социологическая ассоциация утвердила премию имени Уолтера Бакли за выдающиеся достижения в области социокибернетики.

Правовая кибернетика

Правовая кибернетика — научные исследования в сфере закономерностей оптимального функционирования государственно-правовых систем. Она решает задачи автоматизации юридической деятельности и ее отдельных видов. Сегодня правовая кибернетика активно используется для понимания различных законов и нормативных актов и того, как они могут применяться или не применяться в отдельных случаях.

Будущее кибернетики

Ожидания от кибернетики как научной дисциплины, которая сотворит революцию в обществе, в середине XX века были очень велики, но не все они смогли оправдаться. По мнению ученых, это произошло не из-за ограничений самой науки, а ограниченности специалистов, не сумевших реализовать потенциал кибернетических идей из-за их технологической и экономической несвоевременности. Спустя 70 лет у кибернетики есть все шансы реабилитироваться. Сегодня мы живем во времена, когда вычислительные возможности кажутся безграничными. Уже сейчас правительства и компании соревнуются, чтобы использовать преимуществами инноваций.

По мнению профессора Колледжа естественных наук Техасского университета Энди Эллингтона, в будущем люди начнут представлять собой нечто вроде новой «жизненной» формы, более связанной чем когда-либо с вычислительными устройствами. Достижения в области нейробиологии, электрохимии и синтетической биологии позволят нам подключаться к Сети напрямую.

Доктор биологических наук, профессор физического факультета и ведущий сотрудник Центра нейротехнологий ЮФУ Борис Владимирский считает, что интеграция мозга и кибернетики приведет к созданию виртуальной доли человеческого мозга. Она будет служить не только для распознавания образов или решения логических задач. Но и сообщать информацию, предлагать варианты разумного взаимодействия, отвечать на вопросы, а порой и задавать их.

Источник