Лекция № 7. Кибернетика и синергетика как общие науки о процессах управления и самоорганизации систем.

1. Кибернетика как наука, основные понятия кибернетики.

Вклад кибернетики в научную картину мира.

Круг проблем, изучаемых современной наукой простирается от сравнительно част­ных, конкретных концепций относительно различных областей физи­ческого и химического мира, до глубочайших теорий, охватывающих различные сферы природы, общества и технической деятельности че­ловека. К последним относят кибернетику и синергетику. Первая занимается изучением механиз­мов управления в разных системах. Вторая - проблемой самооргани­зации самой материи.

Со сложными системами управления человек имел дело задолго до кибернетики (управление людьми, машинами; наблюдение регуляционных процессов у живых организмов и т.д.). Но кибернетика выделила общие закономерности управления в различных процессах и системах. В «докибернетический» период знания об управлении и организации носили «локальный» характер, т.е. в отдельных областях. Так, еще в 1843 г. польский мыслитель Б. Трентовский опубликовал малоизвестную в настоящее время книгу «Отношении философии к кибернетике как искусству управления народом».

В своей книге «Опыт философских наук» в 1834 году известный физик Ампер дал классификацию наук, среди которых третьей по счету стоит кибернетика – наука о текущей политике и практическом управлении государством (обществом).

Итак, кибернетика – наука об общих закономерностях процессов организации, уп­равления и переработки информации в сложных системах различной физической природы (технических, биологических и социальных системах). Своё название новая наука получила от древнегреческого слова "кибернетес", что в переводе означает "управляющий", "руле­вой", "кормчий". Новая наука возникла на стыке математики, теории информации, техники и нейрофизиологии, ее интересовал широкий класс как живых, так и неживых систем.

Разработка базовых понятий кибернетики осуще­ствлялась в середине XX века трудами многих ученых. Основателем кибернетики принято считать американ­ского математика Норберта Винера. В 1948 году он выпустил книгу "Кибернетика, или управление их связь в животном и машине".

Су­щественный вклад в кибернетику внесли: американс­кий биолог А. Розенблют, американский математик К. Шеннон, английский математик А. Тьюринг, анг­лийский биолог и кибернетик У. Эшби и другие ученые.

В нашей стране идеи кибернетики разрабатывались и внедрялись трудами академиков А.Н. Колмогорова, А.А. Ляпунова, В.М. Глушкова и др.

Возникновение кибернетики обусловлено научно-технической революцией, созданием сложных самоуправляющихся станков. Автоматических линий, вычислительных машин. Значительную роль сыграло также развитие нейрофизиологии – науки о системах управления и регулирования в живом организме. Создание науки об общих законах управления вызвано также развитием наук об управлении учреждениями, государственными системами, обществом. Развитие кибернетики было бы невозможным без прогресса электроники и создания электронных вычислительных машин.

К основным задачам кибернетики относятся:

1. установление фактов, общих для управляемых систем или для некоторых их совокупностей;

2. выявление ограничений, свойственных управляемым системам, и установление их происхождения;

3. нахождение общих законов, которым подчиняются управляе­мые системы;

4. определение путей практического использования установлен­ных фактов и найденных закономерностей.

Предмет кибернетики — кибернетическая система — упорядоченная совокупность взаимодействующих объектов (элементов систем), объединенных выполнением определенной функции и способных обмениваться информацией.

Элементами кибернетической системы могут быть объекты различной физической природы: неживые предметы, живые объекты, процессы, явления и т.д. Например, элементами ЭВМ являются блоки ЭВМ; мозга - нейроны; коллектива - люди, члены коллектива. (Толпа не кибернетическая система, потому что она не объединена определенной общей функцией, отсутствует упорядоченность и нет четкого обмена информацией.)

Кибернетическая система - абстрагированное понятие, не отражающее всех физических, технических или физиологических особенностей объекта. Так, человек как кибернетическая система рассматривается только с точки зрения взаимосвязи и управления его отдельных органов без анатомических подробностей.

Характеристики системы, рассматриваемые кибернетикой, ее параметры, делятся на входные параметры: Х1, Х2, …, Хn, учитывающие воздействие внешней среды на систему, и выходные параметры Y1, Y2, …, Yn, характеризующие воздействие системы на внешнюю среду (рис. 4).

Рис. 4. Кибернетическая система (схема).

Кибернетические системы - сложные системы, сами состоящие из подсистем (А, В ... на рис. 4), между которыми имеются связи. Эти подсистемы, в свою очередь, также могут состоять из еще более простых кибернетических систем, т.е. организация кибернетических систем иерархическая. Каждому уровню иерархии соответствует определенный уровень организации. Живой организм тоже иерархическая система.

Кибернетика изучает динамические системы, в которых протекают сложные процессы, состояние этих процессов непрерывно меняется под влиянием внешних воздействий или в зависимости от фазы функционирования. Состояние динамической системы характеризуется значениями ее параметров не только в данный момент времени, но и в предыдущие моменты времени. Так, человек, как кибернетическая система, - это совокупность протекающих в нем, меняющихся во времени процессов. Для характеристики состояния организма человека необходимо учитывать его связи с окружающей средой (условия жизни, работы и т.д.).

«Кибернетический» подход к системам характеризуется рядом по­нятий. Основные понятия кибернетики: управление, управляющая часть, исполнительная часть, организация, прямая и обратная связь, информация, алгоритм, модель, самоорганизация, оптимизация, сигнал и др.

Управление (регулирование) – процесс изменения состояния или режима функционирования системы в соответствии с поставленной перед ней задачей.

Для систем любой природы понятие "управление" можно определить следующим образом: управление - это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся для этого информации из множества возможных воздействий, улучшаю­щее его функционирование или развитие. У управляемых систем все­гда существует некоторое множество возможных изменений, из кото­рого производится выбор предпочтительного изменения. Если у сис­темы нет выбора, то не может быть и речи об управлении.

Пример: Есть существенная разница между работой дачника, орудующе­го лопатой, и манипуляциями регулировщика - "гибэдэдэшника" на пере­крестке улиц. Первый оказывает на орудие силовое воздействие, вто­рой - управляет движением автомобилей. Управление - это вызов из­менений в системе или перевод системы из одного состояния в другое в соответствии с объективно существующей или выбранной целью.

Управлять - это и предвидеть те изменения, которые произойдут в системе после подачи управляющего воздействия (сигнала, несущего информацию).

Всякая система содержит управляющую часть и исполнительную часть (рис. 5). По линии прямой связи управляющая часть посылает в соответствии с заданием в исполнительную часть команды. По линии обратной связи в управляющую часть поступают сведения из исполнительной части о выполнении команд. Например, головной мозг (управляющая часть) посылает команды мышцам, а по каналам обратной связи в головной мозг поступают сведения о выполнении команды (например, о соответствующем двигательном акте).

прямая

Задание управляющая связь исполнительная результат

часть часть

обратная связь

Рис. 5. Простейшая схема системы управления.

Всякая система управления рассматривается как един­ство управляющей системы (субъекта управления) и управляемой си­стемы - объекта управления. Управление системой или объектом всегда происходит в какой-то внешней среде. Поведение любой управля­емой системы всегда изучается с учетом ее связей с окружающей сре­дой. Поскольку все объекты, явления и процессы взаимосвязаны и влияют друг на друга, то, выделяя какой-либо объект, необходимо учитывать влияние среды на этот объект и наоборот. Свойством уп­равляемости может обладать не любая система. Необходимым усло­вием наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей уп­равления является ее организованность.

Чтобы управление могло функционировать, то есть целе­направленно изменять объект, оно должно содержать четыре необхо­димых элемента:

1. Каналы сбора информации о состоянии среды и объекта.

2. Канал воздействия на объект.

3. Цель управления.

4. Способ (алгоритм, правило) управления, указывающий, каким образом можно достичь поставленной цели, располагая информаци­ей о состоянии среды и объекта.

Понятие цели, 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".⁸

• 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". Если 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.

Пример: тем­пература тела человека, которая остается постоянной благодаря гомеостатическим обратным связям. Таких механизмов в живом теле огромное количество. Свойство системы, остающееся без изменений в потоке событий, называется инвариантом системы.

Понятие информации. Управление - информационный процесс, информация – это "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 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.

Что понимается под информацией? В отечественной и зарубежной литературе предлагается много разных 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.

Общее значение кибернетики обозначается в следующих на­правлениях:

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

2. Социальное значение, поскольку кибернетика дает новое представление об обществе как организованном целом. О пользе ки­бернетики для изучения общества немало было сказано уже в мо­мент возникновения этой науки.

3. Общенаучное значение в трех смыслах:

• во-первых, потому что кибернетика дает общенаучные понятия, которые оказываются важными в других областях науки — понятия управления, сложно-динамической системы и т. п.;

• во-вторых, потому что дает науке но­вые методы исследования: вероятностные, стохастические, модели­рования на ЭВМ и т. д.;

• в-третьих, потому что на основе функцио­нального подхода «сигнал - отклик» кибернетика формирует гипотезы о внутреннем составе и строении систем, которые затем могут быть проверены в процессе содержательного исследования. Например, в кибернетике выработано правило (впервые для техни­ческих систем), в соответствии с которым для того, чтобы найти ошибку в работе системы, необходима проверка работы трех одина­ковых систем. По работе двух находят ошибку в третьей. Возможно, так действует и мозг.

4. Методологическое значение кибернетики определяется тем обстоятельством, что изучение функционирования более простых технических систем используется для выдвижения гипотез о меха­низме работы качественно более сложных систем (живых организ­мов, мышления человека) с целью познания происходящих в них процессов — воспроизводства жизни, обучения и т. п. Подобное ки­бернетическое моделирование особенно важно в настоящее время во многих областях науки, поскольку отсутствуют математические те­ории процессов, протекающих в сложных системах, и приходится ог­раничиваться их простыми моделями.

5. Наиболее известно техническое значение кибернетики — создание на основе кибернетических принципов электронно-вычис­лительных машин, роботов, персональных компьютеров, породив­шее тенденцию кибернетизации и информатизации не только науч­ного познания, но и всех сфер жизни.