книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

рабаны, транзисторы или солионы — это скажется только на стоимости, весе и быстродействии мозга.

Самое существенное затруднение, которое возникает при осуще­ ствлении «почти-думающих» машин, — необходимость ограничения по­ тока информации. Мозг «паука» должен дедуктивно строить внутри себя статистическую модель поведения, равно приспособленную к его соб­ ственному устройству и к миру, в котором он будет работать. Сигналь­ ные связи «паука» с внешним миром должны пропускать экономные индуктивные модели среды, чтобы мозг мог сравнивать с этими моде­ лями внутренние построения и корректировать их «аксиоматику». Толь­ ко при этом условии мозг сможет свертывать и развертывать, в случае надобности, информацию, сохраняемую в нем, и его величина окажется в пределах практической реализации.

В этом процессе сливаются предсказание возможных сообщений и опознание их — наименее исследованные разделы кибернетики.

В поведении живых существ результат предсказания внешней ин­ формации называется вниманием, а результат предсказания команд — обучением. По существу это явления одной природы. Распределитель­ ные органы памяти выводят соответствующие коды ближе к анализа­ торам или двигательным центрам, расширяют их зоны на матрице за счет других зон. Эти коды первыми участвуют в сопоставлениях с внеш­ ней информацией и в логическом развитии общих установок. Поэтому всякое внимание к данному процессу сопровождается рассеянностью относительно других. По существу самые внимательные люди— это «рассеянные ученые», которые вырабатывают в себе умение настолько полно сосредоточивать свое внимание на обдумывании интересующих их проблем, что становятся совершенно безразличными по отношению к внешним обстоятельствам.

Когда внимание подготовлено, например, к лекции, то мы успе­ ваем договорить за лектора слово, едва он начнет его, и в то же время не замечаем неудобства случайно принятой позы. Наоборот, невнимательный слушатель успевает заметить и воробьев за окном, и хорошенькую соседку, но остается в неведении относительно содержания лекции: она его не интересует.

Создание автоматов с предсказанием и вниманием является насущ­ ной задачей современной техники, особенно техники связи, где избы­ точность передаваемой информации и адресных команд заставляет не­ производительно тратить массу энергии, времени и ценных электротех­ нических материалов.

Занимаясь проблемой опознания и предсказания, многие совет­ ские кибернетики, в частности М. Бонгард и Л. Крайзмер, получили ценные результаты. К сожалению, модели, создаваемые в лаборатор­ ных условиях, все еще слишком избыточны, велики по объему и не могут быть практически использованы в. промышленной автоматике.

Проблема внимания сводится к устранению избыточности инфор­ мации. Когда вы собираетесь звонить по телефону, вы выбираете из

записанных в вашей книжке, скажем, 100 телефонных номеров один, и информация об этом выборе может уложиться в два десятичных знака Но телефонный номер имеет их шесть, он может нести информацию о выборе из миллиона других номеров. Никто и никогда из миллиона телефонов не выбирает; вы даже не знаете, кому принадлежат осталь­ ные номера. Находясь на работе, вы чаще всего связываетесь с сотруд­ никами своего предприятия, и для этого есть коммутатор местных номе­ ров, где достаточно набрать два-три десятичных знака: коммутатор сокращает количество возможных выборов.

Система местных коммутаторов приносит громадную экономию средств связи и уже распространена достаточно широко. Но она не учитывает индивидуальных интересов каждого из абонентов, жестко программирована. В настоящее время многие исследовательские цент­ ры ведут работы по созданию индивидуального и гибкого коммутатора с предсказанием. Когда вы снимаете трубку такого телефона, он, учи­ тывая прежний опыт, будет готов соединить вас именно с тем, с кем вы говорите чаще всего. С первого же сигнала он узнает, прав он был в своем предсказании или нет; если нет, он расширяет круг своего вни­ мания на первую сотню, первую тысячу уже известных ему ваших зна­ комых или сотрудников, только четвертая команда, выводящая его в мир совершенно неизвестных ему по прежнему опыту связей, парали­ зует его предупредительность: теперь ему все равно.

Но избыточность цифровой информации невелика по сравнению, например, со зрительной. В телевизионных сообщениях каждый сле­ дующий кадр во многом повторяет предыдущий. Если рядом с обыч­ ным кинескопом в телевизоре поставить трубку памяти, то неподвижный кадр, например надпись, можно было бы передавать в эфир полностью только один раз, а потом передавать гораздо более простой сигнал «по­ вторить, повторить...» При каждой такой команде все, что записано на экране трубки памяти, передавалось бы на экран кинескопа, и ни один телезритель не заметил бы подмены.

В кадрах с движением можно было бы особым кодом передавать толь­ ко то, что отличает данный кадр от предыдущего, причем если движе­ ние равномерно, то достаточно указания на направление и скорость его, а все остальное автомат-телевизор восполнит сам. Используя сокра­ щенные, более содержательные коды, связисты смогут резко уменьшить объем сообщений и за счет этого передавать цвет и объем, расширить радиус приема, перейдя на более длинные волны, и т. д.

На работе радиоприемника, построенного по такому же принципу, атмосферные разряды, ослабления контактов и другие помехи будут сказываться необычно: они, может быть, не вызовут хрипов и шумов, но приемник станет искажать слова, употреблять их невпопад, начнет высказывать неправильно построенные, даже ложные или неуместные суждения!

Действительно, количество слов, .которые может произнести дина­ мик, ограничено. Ни очень высоких или низких тонов, ни очень сильных

370

или слабых звуков он дать, не способен. Распределение звуков во вре­ мени тоже обусловлено быстротой человеческого восприятия. Но все же динамик произносит ничтожно малое количество вариантов из тех, которые он мог бы произнести. Если встроить, в приемник фарфоровую матрицу в вакуумной трубке, очень похожей на телевизионную, кото- ' рая бы накапливала заряды в местах, соответствующих произносимым словам, и с помощью какого-нибудь электрохимического раствора де­

«слов»: наш, русский язык никогда’ не использует в словах тех хрипов и свистов, которые возникают в^динамике от пбйех.

Перестройка путей сигналов в приемнике, выполняемая математи­ ческой машиной', свелась бы к уменьшению, белого поля и расширению пятен, т. е. к отсеиванию неупотребляемых комбинаций. Все чаще точка произносимого сейчас слова на матрице в результате помехи стала бы попадать из области одного возможного слова в область другого^ тоже возможного. Поэтому приемник и начнет пу;тать слова или употреблять их в необычной поеледойателыюо.ти.

Но зато ему можно было бы передавать только конспекты или даже темы выступлений. Как «самопишут'цая» статистическая машинка, он заполнял бы промежутки между' 'словами тезисами, сочетаниями статистически близких слов. Это, конечно, чрезвычайно повысило бы его способность отсеивать помехи, дало бы возможность различать «по смыслу» очень искаженные шумом передачи. Он стал бы «почти-мысля- щей» машиной.

Но в машине, фильтрующей комбинации звуков, потребовалось бы вначале запасти все возможные комбинации, а потом отсеивать лиш­ ние из них. Для этого'нужна очень большая, практически неосуществи­ мая машина — индуктивная модель, переходящая от возможности опознавать и пропускать в е е к способности пропускать только то, что требуется.

Более целесообразен, конечно, обратный путь — путь дедукции. Матрица, встроенная в «дедуктивный радиоприемник», всегда будет иметь очень мало светлых мест. Со временем на ней лишь изменятся значение и форма темных пятен. По мере обучения машина будет опо­ знавать и пропускать только те звуки, которые она н а у ч и л а с ь про­ износить.

Первые владельцы приемника получат лишь удовольствие слушать лепет вроде «ба-ба-ба» или «дя-дя-дя»... Затем приемник перейдет к осмысленным словам дорожкой, замеченной у детей и .описанной К- Чу­ ковским: «ям-яма-папа-ляпа-лямпа-лампа», И очень простым фразам. Очевидно, включать его можно будет только в часы детских передай. Передачи же более серьезные он будет передавать применительно к выработанным уже пятнам матрицы, так что владельцы‘услышат велй-

колепные переосмысления, характерные для детского языка. И лишь через определенный отрезок времени, зависящий от быстродействия элементов, наш приемник окажется пригодным для выполнения своейпрямой задачи — излагать то, что передается на радиоволнах, со срав­ нительно небольшими искажениями.

Наиболее совершенная программа машинного абстрагирования разработана советским математиком Э. Браверманом.

Во всех наших геометрических моделях поведения мы сознательно игнорировали одну серьезную трудность. Она заключается в том, что- ‘комбинация сигналов, истолковываемая, как многоразрядное число, а затем как точка в некотором поле, получает в нем случайное поло- -жение, зависящее от способа кодирования. Мы знаем, что числа имеют то разрядам неодинаковую содержательность: ошибка в низшем раз !ряде мало изменяет число, а следовательно, и его положение в поле, тогда как ошибка в высшем разряде оказывается решающей. Но в сооб­ щениях и командах информация обычно распределена по сигналам "равномерно.

Чтобы выйти из этого затруднения, Э. Браверман предложил раз­ мещать точки в многомерном пространстве, например, в шестидесяти­ мерном. Непривычного человека это может озадачить, потому что даже четырехмерного пространства в природе не существует и наглядно представить его невозможно. Тем более нельзя представить себе шести­ десятимерное или бесконечномерное пространство — в математике есть и такие. Но какая разница? Как в счете «один-два-три...» дальше сле­ дует «четыре», а свойства чисел и правила действий над ними остаются, в общем, неизменными, так и переход от трехмерного пространства к многомерному вполне допустим.

Все возможные кодовые комбинации в этом пространстве состав­ ляют вершины одного сверх-куба, и любая помеха перекидывает точку из одной вершины в другую, так что расстояние между ними остается близким. Между тем в «одномерном пространстве» — на числовой оси — ошибка в высшем разряде способна закинуть точку очень далеко от исходного положения.

Затем Э. Браверман решил использовать обычную избыточность информации, которая, как мы уже знаем, обеспечивает помехоустойчи­ вость сообщений и команд. Это значит, что никакая случайная ошибка те может существенно изменить смысла сообщения. В геометрической многомерной модели это выражается так: все вершины сверх-куба, куда точка может быть выброшена помехой, составляют одну компакт­ ную область сверх-пространства, которую можно ограничить удачно проведенными сверх-плоскостями. Если, например, рассматривать все возможные начертания буквы А как варианты, испорченные помехами, то все эти начертания будут находиться в одной области, отделенной от других областью запрещенных начертаний, т. е. таких, которые фактически никогда не встречаются. Это предположение было названо

.«гипотезой компактности».

372

Для разделения компактных областей была предложена процедура, которую мы в этой книге называем дедуктивным моделированием. Полу­ чив сообщение о том, что «значит» одна кодовая комбинация, машина случайным образом делит свое сверх-пространство на две части, и ту часть, где находится точка, например «А», называем «А», а другую — «не-А». Всякую другую точку, попадающую в область «А», машина бу­ дет считать вариантом этой буквы до тех пор, пока не последует сигнал об ошибке. Получив такой сигнал, машина проводит новую разделяю­ щую сверх-плоскость и дает имя соответствующим областям'. Как и человек, машина переходит от очень широких и неточных обобщений к более узким и более надежным.

После каждой новой дихотомии — разделения пространства надвое— количество областей почти удваивается, и памяти машины грозит пере­ полнение. Чтобы избежать его, программа Бравермана предусматривает операцию повышения содержательности, которая сводится к удалению, стиранию тех частей сверх-плоскостей, которые либо разделяют одно­ именные области, либо находятся на самом краю их. Конечно, при этом теряется некоторое количество информации, но зато в памяти освобож­ дается место для более ценных сообщений, для результатов новых опытов.

Внимательному читателю должно быть ясно, что машина «на самом деле» не чертит многомерные геометрические построения и не стирает их. Она только по определенным правилам оперирует с нулями и еди­ ницами, составляющими единственное содержание ее памяти. Но для то­ го чтобы составить эти правила, потребовалось сначала общие теорети­ ческие положения кибернетики перевести на язык многомерной геомет­ рии, а потом на язык двоичной арифметики и логики.

Эксперименты с программой Бравермана были успешными. Сейчас эта программа совершенствуется. Она может быть применена для опо­ знания букв, рисунков, силуэтов самолетов, любых ситуаций.

Однако для того, чтобы работать вполне самостоятельно, машина должна иметь критерии поведения и условия для накопления опыта.

Опыт радиоприемника не может обогащаться ничем, кроме статисти­ ки радиопередач.

Иное дело наш полный автомат — «паук», управляемый статисти­ ческой машиной. Он тоже способен научиться говорить, но это будет его собственная, осмысленная речь.

У машины свои потребности и своя способность вносить разнообраз­ ные изменения в среду, где она обитает «Паук» должен любой ценой добыть энергию. Если вы обеспечите его в изобилии питанием, он вряд ли станет вести себя иначе, чем толстый домашний кот, который спит почти круглые сутки. Но заставьте реле на его аккумуляторе посылать в мозг беспокоящие сигналы голода—и он предпримет самые неожи­ данные пробы, чтобы прекратить их.

Дедуктивно-статистический метод работы его управляющей маши­ ны, впрочем, проявится и в несколько неожиданных формах поведения.

374

Так, по-видимому, можно будет заметить в нем интерес к простейшим ритмам, упорядоченностям, легко поддающимся проверке на повторяе­ мость. Всякие новые, резко неожиданные вещи будут возбуждать его любопытство, и пока он хотя бы частично не опознает их, не свяжет в одну систему с уже известными частями внутренней модели, «паук» будет проявлять такое же беспокойство, как при голоде.

Таким образом, автоматическая система с дедуктивным повыше­ нием содержательности очень многими чертами поведения и способами переработки информации отличается от обычных программных, реф­ лекторных и даже алгоритмических автоматов.

Сообщения, поступающие в управляющее устройство такой систе­ мы, уже не связываются однозначно с действиями. Они встречают в нем модель среды, находят свое место на этой модели и ликвидируют рассогласования между моделью и средой.

Логические действия системы уже не просто направлены на пре­ образование сообщений в команды: они совершенствуют модель внут­ ренне, делая ее все более точной и экономной.

Команды, приводящие к действиям, уже не обязательно направле­ ны на осуществление простых целей: многие из них диктуются потреб­ ностью самой модели устранять возникающие в ней неопределенности, и она становится способной к активному опыту, действию ради по­ знания.

Целесообразность поведения системы, вследствие всех этих услож­ нений, повышается и будет совершенствоваться теоретически беспре­ дельно.

Можно предвидеть, что в поведении нашей модельки —«паука»— при сбое узнавания проявится еще одно весьма своеобразное свойство. В некоторых случаях управляющая система будет на миг задерживать­ ся при отождествлении даже хорошо знакомых предметов и отношений, а потом бурно продолжать его, как будто оно на момент зацепилось за препятствие и затем соскочило, подпрыгивая. Эффект мгновенного неузнавания, за которым следует радость широкого опознания ситуации, известен человеческой психологии — это чувство юмора, иногда рож­ дающее смех.

Но (поскольку есть, к сожалению, люди, начисто лишенные чувства юмора) автор воздержится отождествлять здесь проявление этого вели­ колепного человеческого качества со странным подрагиванием, которое, по-видимому, охватит «паука», когда он слегка ошибется, опознавая очень знакомую ситуацию...

Читатель вправе высказать сомнение: не слишком ли определенно описывается поведение еще не существующего «паука»? Правда, оно является только содержательным истолкованием некоторой «статисти­ ческой алгебры», а дедуктивную систему, как известно, можно разви­ вать, пользуясь информацией, уже заложенной в ее аксиомах.

И все-таки, если алгебра становится очень большой, она накапли­ вает ошибки и теряет правильность предсказания. Тогда следует вре­

375

менно оставить ее, начать пробовать, накапливать статистику и выво­ дить новые частоты. Слово получает эксперимент.

Если бы автор не воспользовался этим общим методом, он уподо­ бился бы незадачливому алхимику, который всучивает секрет, как изго­ товлять золото в неограниченном количестве, требуя взамен лишь пару золотых монет. Книжку следует кончать, пока накопление ошибок еще не стало угрожающим.

В конце концов все образы, опыты и примеры, использованные в ней, только тогда оправданы, если читатель получил достаточно ясное представление о том, что такое кибернетика.

Но что же это такое? Какие общие законы мы наблюдали во всех без исключения случаях автоматизма в технике и живой природе? Прибегнем к математической модели. Вообразим нечто, называемое «системой» — то, что состоит из элементов, имеющих более тесные связи между собой, чем элементы, не входящие в эту самую'«систему».

Под «элементами» и «связями» при р а з у м н о м подходе к делу можно понимать что угодно.

Мы моделируем элементы системы, например, белыми и черными шариками, насыпанными на поднос. Поднос уложен шариками неполно, есть свободные места. При покачивании подноса шарики катаются и сталкиваются. Это значит, что система динамическая и статистическая, составленная из различимых элементов.

Меланхолично покачивая поднос, со временем можно убедиться, чтомодель не соответствует интуитивному пониманию кибернетики. Она абсолютно не подчиняется законам кибернетики. Это модель статистиче­

какого-нибудь орнамента, выбор которого предоставляется вкусам каж­ дого. Берем киноаппарат и снимаем на пленку постепенный развал наше­ го сооружения при беспорядочном покачивании подноса, процесс нара­ стания энтропии, предсказываемый статистической физикой. Есть лиш­ ний случай убедиться, что эта почтенная наука полезна и абсолютно верна.

Затем мы вынимаем пленку из съемочного аппарата, обрабатываем1 ее и вставляем в проектор, имеющий ручку «вперед — назад». Ни проек­ тор, ни ручку содержательно не истолковываем. Но изображение на экране — это модель любой кибернетической системы.

Пустив аппарат «вперед», замечаем, что и в кибернетике сохраняет­ ся тенденция систем к развалу, нарастанию энтропии, унаследованная от физики. Покачивая ручку «вперед — назад», демонстрируем основное-

376

Прогнав так пленку несколько раз, замечаем, что шарики каждый; раз идут строго определенными путями на свои места. В отличие от своего прототипа — шариков на подносе — система на экране детерми­ нирована. Если время от времени включать «прямой» ход, система будет похожа на статистическую. Несколько раз пустив пленку обычным хо­

выбрал для нас о д и н момент из биографии физической системы шари­ ков. Мы полагаем, что этот момент не случаен. Нарушение орнамента на экране приобретает не энтропийный, а прямо противоположный ему смысл: система получает более тонкую организацию.

Таким образом, кибернетика — это учение о с и с т е м а х , д и н а ­ м и к а к о т о р ы х р а в н о с и л ь н а о б р а щ е н и ю ф и з и ч е с к о г о в р е м е н и . Конечно, такое определение очень формально. Физическое время фактически необратимо. Но кибернетические системы ведут себятак, словно для них течение времени может быть обращено. Так. длинные описания фактических примеров самоорганизации и само­ совершенствования экономно укладываются в одну общую динамиче­ скую картину. Надо только помнить, что эта картина — формальная,, условная.

А содержательным истолкованиям формальной картины посвящена вся книга, и чем наглядней истолкование, тем менее оно точно. Элемент есть элемент и ничего более, а реле, нейрон, тем более поступок, идея — вещи разные, у них масса свойств, различий и просто неизвестных пока; подробностей. Тут взгляды подчас расходятся, тут еще многое требует уточнения.

В большой дискуссии о кибернетике, которая велась недавно, два уважаемых профессора — А. Колмогоров и Э. Кольман — разошлись во взглядах на предмет, который, казалось бы, вообще не относится к веде­ нию точных наук. А. Колмогоров предположил, что нам, людям с плане­ ты Земля, когда-нибудь придется встретиться с разумными обитателями иных планет, устроенными совершенно не так, как мы,— и тогда кибер­ нетика поможет нам завязать контакты с этими существами. Э. Кольманвозразил: у существ с иных миров должна существовать и «другая кибер­ нетика», разобраться в которой будет очень сложно. Думается, что это возражение было в высшей степени неудачно и в то же время многозна-

строенные с самыми различными целями? Неужели изощренноетворчество природы или дерзновенная мысль изобретателя до сих пор*

377

не смогли создать нечто такое, что не укладывается в кибернетические догмы?

Да, не смогли. Нет и не может быть исключений из кибернетики, если, конечно, сама эта наука правильно и не узко построена. Нет и не

Уможет быть «другой кибернетики» для кого угодно, потому что основные законы природы нерушимы во всей вселенной. Машины и живые суще­

ства подчиняются одним законам самоуправления — таков порядок ве­ щей в мире, он не может быть изменен никогда и никем. Могут изме­ ниться наши взгляды, наши формулировки законов природы, но не сами законы.

Конечно, конкретная реализация этих законов не совпадает ни у разных машин, например механизмов и электронных систем, ни у разных существ, например цветов и бабочек.

Сравнивая качества живых и искусственных автоматов, можно выявить некоторые существенные отличия между ними.

Машине-автомату нельзя отказать в таком преимуществе, как пол­ ная логичность, целесообразность ее плана. Везде, где можно, в ней применено вращение. В ней вы не найдете рудиментарных органов, т. е. таких, которые некогда были полезны, но потом, в результате эволюции, стали лишними, вроде, скажем, отростка слепой кишки. Мы вполне могли бы обойтись без таких несовершенств нашего тела, как зубные болезни, но, увы, план тела спрятан так далеко, что, видимо, еще не скоро мы научимся читать и исправлять его.

Машина прочна и вынослива, она может работать даже в условиях космоса. С тех пор как основные связи управления машины стали элек­ трическими, сигналы в ней могут двигаться со скоростью 300 тысяч ки­ лометров в секунду, тогда как сигналы в нервных связях едва достигают скоростей 80 километров в секунду. Машина может быть законсервиро­ вана, остановлена и снова пущена в ход, ее отдельные части заменяемы. Она обладает практически неограниченной силой, получает питание от ■более дешевых и удобных источников энергии, чем рабочая лошадь или другое животное. Трудно переоценить гибкость применения машин, воз­ можность приспособить их для выполнения самых разнообразных задач, встречающихся в практике.

Наконец, связи управления машины легко доступны для любого нашего влияния, и это важно не только потому, что можно не опасаться внезапного упрямства или подвоха с ее стороны. Мы можем тесно свя­ зать ее сигнальную систему с системами других машин, преодолеть их конструктивное разобщение. В современных агрегатах, автоматических линиях и цехах подчас трудно заметить, где кончается одна машина и начинается другая. Между тем пара лошадей — это всегда две лошади, а не одна лошадь двойной силы.

Некогда физик-любитель Отто Герике показывал силу атмосфер­ ного давления на знаменитых «магдебургских полушариях», из которых был выкачан воздух. Гравюры того времени изображают множество лошадей, которые тянут эти полушария в противоположные стороны и

378