Часть1. Психологические и кибернетические аспекты когнитологии: модели представления знаний.
Лекция 1. Основные сведения из кибернетики и теории информации.
1.1. Краткий исторический экскурс в кибернетику.
В современном представлении кибернетика – это наука об управлении, связи и переработке информации [1]. Исторически такое представление о кибернетике явилось результатом длительной эволюции, в процессе которой возникли необходимые условия для выработки системы абстракций, формализующих процедуру управления системным объектом. На этом пути термин «кибернетика» (от древнегреч.: χυβερνετίκα), по-видимому, впервые встречается в «Диалогах» Платона (427-347 гг. до н.э.), где означает искусство кораблевождения путем управления корабельным рулем, а также искусство административного управления провинциями [2].
Спустя более двух тысячелетий, французский физик, математик и философ Андре Мари Ампер в своем фундаментальном труде «Опыт о философии наук» (1834-1843 гг.) определил кибернетику как науку об управлении человеческим обществом [3]. Еще через девяносто лет к общей концепции кибернетики довольно близко подошел русский философ А.А. Богданов (1873-1928), выступивший с идеей всеобщей организационной науки – тектологии (1925-1928), однако ее формирование проводилось на уровне феноменологии, без должной формализации [4].
Становлению кибернетики как науки способствовала теория информации, созданная К. Шенноном в 1948 г. [5], на основе которой Н. Винер (1948) в основополагающем труде «Кибернетика или управление и связь в животном и машине» [6] высказал фундаментальное положение о подобии процессов управления и связи в машинах, живых организмах и государстве. По Винеру, всякий процесс управления сводится к некоторому преобразованию соответствующей информации.
1.2. Понятийно-категориальный аппарат кибернетики.
Окончательно кибернетика как наука сформировалась к началу 70-х гг. XX в. Основным понятием кибернетики выступает информация, важнейшими свойствами которой являются следующие: объективность – как соответствие информации объективной реальности; полнота – как объем информации известной об объекте; достоверность – как характеристика помехозащищенности информации; адекватность – как характеристика информационного соответствия между экспериментом и теоретической моделью объекта; актуальность – как степень соответствия информации текущему моменту, учитывая возможность старения информации; доступность – как возможность извлечения хранимой информации.
Основными объектами в кибернетике являются кибернетические системы. Формально кибернетическая система представляет множество взаимосвязанных объектов, называемых элементами данной системы, способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться информацией между собой [7]. Воздействия на элементы системы реализуют всевозможные способы управления информацией, которые в данном случае выступают основными отношениями в кибернетике.
Элементы кибернетической системы могут представлять объекты произвольной природы, состояние которых характеризуется совокупностью параметров, среди которых обычно выделяют непрерывные и дискретные параметры состояния. Изменение состояния элемента кибернетической системы происходит либо самопроизвольно, либо под действием тех или иных входных сигналов, получаемых элементом либо извне, либо от других элементов данной системы. В свою очередь, каждый элемент системы может формировать выходные сигналы, в общем случае зависящие от состояния этого элемента и воспринимаемых им в рассматриваемый момент времени входных сигналов. Выходные сигналы передаются или на другие элементы системы или во внешнюю среду. Задание связей между элементами кибернетической системы определяет структуру этой системы и, в этом смысле, различают системы с постоянной и с переменной структурой. В последнем случае изменения структуры определяются как функции от состояний всех составляющих систему элементов и от входных сигналов системы в целом.
Сложность кибернетической системы определяется ее размерностью и сложностью структуры. Размерность системы определяется общим числом параметров, характеризующих состояния всех ее элементов; сложность структуры системы устанавливается общим количеством связей между ее элементами и их разнообразием. Сложные (большие) кибернетические системы – это системы, описание которых не сводится к описанию одного элемента и указанию общего числа таких однотипных элементов. Часто для сложных систем, помимо обычного разбиения на элементы, используется укрупненное представления систем в виде отдельных блоков, каждый из которых является отдельной системой.
Если обмен информацией между элементами системы не выходит за ее пределы, то такая система называется изолированной или замкнутой. Открытые системы в общем случае имеют как входные, так и выходные каналы, по которым они обмениваются информацией с внешней средой. Открытая система имеет рецепторы, воспринимающие сигналы из внешней среды и передающие их внутрь системы, и эффекторы – для передачи выходных сигналов системы во внешнюю среду.
Поскольку система сигналов, независимо от способа формирования, несет определенную информацию, то всякая кибернетическая система и ее элементы могут рассматриваться как преобразователи информации. Если исследуемый объект рассматривается как преобразователь информации или как система, состоящая из элементарных преобразователей информации, то говорят о кибернетическом подходе к изучению данного объекта.
Кибернетические системы при обработке информации, как правило, способны ее накапливать в той или иной форме, что позволяет варьировать выполняемые ими действия. Это свойство сложных кибернетических систем, по аналогии с человеческим мозгом, называют памятью. Память в кибернетических системах может поддерживаться как за счет изменения состояний элементов системы (самонастройка), так и за счет изменения ее структуры (самоорганизация), хотя оба этих процесса в принципе взаимосвязаны.
В середине XX в. концепции кибернетики воплотились при разработке ЭВМ, архитектура которых следовала общим структурным принципам, сформулированным Дж. фон Нейманом в 1945-46 гг. [8]. Основными из них являются: принцип произвольного доступа к основной памяти – процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка памяти, причем, время считывания (или записи) информации одинаково для всех ячеек; и принцип хранимой программы – программа решения поставленной задачи хранится в основной памяти наряду с обрабатываемыми данными. Эти принципы делают ЭВМ и компьютеры универсальным средством обработки информации, что позволяет решать различные задачи, поскольку переход от решения одной задачи к решению другой сводится к перемене программы и обрабатываемых данных в основной памяти ЭВМ без каких-либо изменений физической конфигурации самой ЭВМ.
Следует особо подчеркнуть, что свойство универсальности ЭВМ по отношению к обрабатываемой информации, фактически, обусловлено тем, что при обработке на ЭВМ информация кодируется (оцифровывается) и затем реализуется в виде электрического сигнала. При этом возможность кодирования произвольной информации является прямым следствием фундаментальной теоремы К.Шеннона, которая гарантирует существование кодов, передающих информацию со скоростью, близкой к пропускной способности канала связи, и как угодно малой вероятностью ошибки [5;9].
Свойство универсальности современных ЭВМ и компьютеров открыло принципиально новый метод моделирования системных объектов, известный как метод машинного эксперимента, занимающий промежуточное положение между классическим дедуктивным и экспериментальным методами. Благодаря этому, кибернетику, подобно математике, можно использовать в качестве аппарата исследования в других науках, причем, спектр проблем, доступных исследованию кибернетическим методом, охватывает практически все науки, включая дидактику и когнитологию [10].
Управление киберсистемой представляет целенаправленное изменение параметров состояния данной системы в рамках определенных директивных ограничений. Следуя В.И. Арнольду [11], управление системой называется жестким, если в процессе управления отклонения параметров состояния данной системы лежат вблизи их директивных значений, и мягким (гибким), если эти отклонения могут быть достаточно широкими. Управление кибернетической системой фактически означает ее структуризацию в виде двух взаимодействующих блоков – объекта управления и управляющей системы, связанных каналом обратной связи (рис.1.1), который реализует соответствующее управляющее воздействие на данную систему. По сути, обратная связь выражает основное свойство кибернетической системы –
ее управляемость, и, в этом смысле, принцип обратной связи является основным принципом управления. При этом обратная связь может быть положительной, если передача информации по каналу обратной связи происходит в том же направлении, что и основной управляющий сигнал, и отрицательной, если эти направления противоположны. Отрицательная обратная связь обеспечивает устойчивый режим управления системой, поскольку в этом случае информация о возникшем отклонении параметров системы от директивных показателей через канал отрицательной обратной связи поступает в управляющую систему для реализации адекватных компенсирующих действий; положительная обратная связь, как правило, дает режим усиления основного управляющего сигнала.
У открытых кибернетических систем имеются внешние каналы связи с окружающей средой, которые, с одной стороны, они могут быть источниками помех при управлении данной системой; с другой стороны, через внешнюю среду может проходить дополнительный контур обратной связи, способствуя эффективному управлению данной системой, которая в этом случае представляет элемент сложной кибернетической иерархии.
Говоря об управлении кибернетической системой, имеют в виду оптимальное управление, при котором целью управления является поддержание на экстремальном уровне значений некоторых функций от двух групп параметров, определяющих критерии проводимой оптимизации управления. Параметры 1-ой группы (внешние условия) меняются независимо для данной системы; параметры 2-ой группы называются регулируемыми – их значения могут меняться под действием управляющих сигналов системы. Цель управления в этом случае сводится к реализации таких значений параметров регулирования, при которых достигаются экстремальные значения соответствующих критериальных зависимостей. Среди проблем оптимального управления особое место занимают задачи узнавания или распознавания образов [12;13], когда требуется установить минимум внешней информации, позволяющей кибернетической системе идентифицировать исследуемый объект.
И, наконец, следует сказать о таком важном свойстве кибернетической системы, которое именуется надежностью. Надежность определяет такое свойство системы, при котором она адекватно продолжает выполнять свои функции при выходе из строя части ее элементов, разрыве тех или иных связей и других возможных сбоях или неисправностях. Поддержание надежности кибернетической системы представляет управление некоторым случайным процессом, поэтому организация безотказной работы системы фактически сводится к профилактике.