План
1. Первые шаги кибернетики. Кибернетика Н. Винера
1.1Н. Винер – «крестный отец» кибернетики
1.2 Кибернетика сегодня
1.3 Техническая кибернетика
2.Взаимодействие управляемой и управляющей систем
Литература
1. Первые шаги кибернетики. Кибернетика Н. Винера
1.1 Н. Винер – «крестныйотец» кибернетики
Почти сто пятьдесят летназад французский физик и математик Андре Мари Ампер закончил обширный труд — «Очеркипо философии наук». В нем знаменитый ученый попытался привести в стройнуюсистему все человеческие знания. Каждой из известных в то время наук былоотведено свое место в системе. В рубрику за номером 83 Ампер поместилпредполагаемую им науку, которая должна изучать способы управления обществом.
Ученый заимствовал ее название из греческогоязыка, в котором слово «кибернетес» означает «рулевой», «кормчий».А кибернетикой в Древней Греции называли искусство кораблевождения.
Между прочим, Ампер в своей классификации наукпоместил кибернетику в разделе «Политика», которая как наука первогопорядка делилась на науки второго и третьего порядков. Ко второму порядку Амперотнес «политику в собственном смысле», а кибернетику, науку обуправлении, он определил в науку третьего порядка.
Каждой науке соответствовал девиз в стихотворнойформе на латинском языке. Кибернетику Ампер сопроводил такими словами, звучащимивесьма символично: "...et secura cives ut pace fruantur" ("… иобеспечивает гражданам возможность наслаждаться миром").
Долгое время послеАмпера термином «кибернетика» ученые широко не пользовались. Посуществу, он был забыт. Но вот в 1948 году известный американский математикНорберт Винер опубликовал книгу под названием «Кибернетика, или Управлениеи связь в живых организмах и машинах». Она вызвала большой интерес ученых,хотя законы, которые Винер положил в основу кибернетики, были открыты и исследованызадолго до появления книги.
Краеугольные камни кибернетики — теорияинформации, теория алгоритмов и теория автоматов, изучающая способы построениясистем для переработки информации. Математический аппарат кибернетики весьмаширок: здесь и теория вероятностей, и теория функций, и математическая логика,и многие другие разделы современной математики.
В развитии кибернетики большую роль сыграли ибиологические науки, изучающие процессы управления в живой природе. Но конечно,решающим в становлении новой науки был бурный рост электронной автоматики иособенно появление быстродействующих вычислительных машин. Они открылиневиданные возможности в обработке информации и в моделировании системуправления.
Как в музыке стремятся положить на ноты все человеческиечувства и настроения, так и в кибернетике стремятся положить на числа всеситуации, происходящие в природе, в нашем сознании.
На протяжении столетий трудами математиков,физиков, медиков и инженеров — ученых разных стран — закладывался фундамент и формировалисьпринципиальные основы кибернетики. Выдающееся значение для ее развития имелитруды американских ученых К. Шеннона, Дж. Неймана, идеи нашего всемирноизвестного физиолога И. П. Павлова. Историки отмечают заслуги и такихвыдающихся инженеров и математиков, как И. А. Вышнеградский, А. М. Ляпунов, А.Н. Колмогоров. И правильнее было бы говорить, что в 1948 году состоялось нерождение, а крещение кибернетики — науки об управлении. Именно к этому временис наибольшей остротой встал вопрос о повышении качества управления в нашемусложненном мире. И кибернетика дала специалистам самого разного профилявозможность применять точный научный анализ для решения проблем управления.
Услугами кибернетики стали пользоватьсяматематики и физики, биологи, физиологи и психиатры, экономисты и философы,инженеры различных специальностей. У них к этой науке, так сказать, двоякийинтерес. С одной стороны — развивать и совершенствовать процессы управления вразличных сферах деятельности человека, повышать производительность его труда.С другой — стремиться постоянно, глубоко и всесторонне изучать объектыуправления, находить все новые и новые закономерности, которым подчиняютсяпроцессы управления, раскрывать принципы организации и структуры управляющихсистем. И неизбежно объектом самого пристального изучения, самого детальногоисследования становится живой организм: сам человек как управляющая системавысшего типа, те или иные функции которой инженеры и ученые стремятсявоспроизвести в автоматах.
1.2Кибернетика сегодня
КИБЕРНЕТИКА(греч. /> — искусство управления) — наука об управлении, получении, передаче и преобразовании информации вкибернетических системах.
Непосредственнойпредшественницей кибернетики была теория автоматического управления,рассматривающая относительно простые объекты и управляющие системы, описываемыесистемами дифференциальных и разностных уравнений. С появлением электронныхцифровых вычислительных машин в 1945 — 46 годах появилась возможность ставить иуспешно решать задачу автоматизации не только физических процессов, но иумственной деятельности человека.
Центртяжести исследований сместился от простых систем управления к сложным,использующим, как правило, электронные вычислительные машины в качествеосновного управляющего звена и превращающимся постепенно в системыискусственного интеллекта. Были разработаны системы распознавания образов,распознавания речевых сигналов и др. Одна из основных функций искусственногоинтеллекта – имитация способности человека к обучению. Среди других его задач –моделирование способности к логическому выводу, постановке новых задач и целейи т. п. В результате технического воплощения многих свойств человеческого интеллектастроятся различные преобразователи информации и роботы.
Основнойзадачей теоретической кибернетики является разработка аппарата и методовисследований, пригодных для изучения систем управления, независимо от ихприроды. Теоретическая кибернетика включила в себя ряд научных направлений,развивавшихся ранее в таких разделах математики, как математическая логика,теория вероятностей, вычислительная математика, теория информации, теориякодирования, теория алгоритмов, теория случайных процессов, теория игр, теориястатистических решений, а также разделы, возникшие в самой кибернетике, впервую очередь теория автоматов, теория формальных языков и грамматик, теорияраспознавания образов, теория обучающихся и самоорганизующихся систем и др.
Важнойотличительной особенностью теоретической кибернетики является то, что она ввелапринципиально новый метод изучения объектов и явлений — так называемыйматематический эксперимент, или машинное моделирование, позволяющее производитьисследование объекта по его математической модели без построения и исследованияреальной физической модели этого объекта. Математический эксперимент можноприменять к объектам, не имеющим точного математического описания втрадиционной форме. Наличие метода математического эксперимента ставиттеоретическую кибернетику наряду с математикой в особое положение по отношениюк другим наукам. А именно, имея свой специфический предмет исследования(системы управления), она вместе с тем поставляет и новый метод исследования(математический эксперимент), охватывающий значительно большую, чемклассические дедуктивные математические методы, область возможных применений,включая практически все науки — естественные, технические и гуманитарные.Появление ЦВМ и метода машинного моделирования привело к тому, что теориясложных систем управлений стала одним из основных разделов кибернетики. Методыкомплексного исследования сложных систем составляют основу системного анализа иисследования операций. Помимо теоретического ядра, в кибернетике возникли (ивпоследствии оформились как самостоятельные) прикладные направления. Важнейшим изних является разработка теоретических основ вычислительной техники, в частностиразработка теории ЭВМ и математического обеспечения ЭВМ, создание теорииавтоматизации проектирования ЭВМ, разработка методов (и создание на их основетехнических средств) применения ЭВМ для автоматизации сбора и обработки данных,автоматизации дедуктивных построений и др. Проблемы автоматизациитехнологических процессов, управления сложными тех. комплексами оформились всамостоятельное направление, получившее название технической кибернетики. Однакозадачи управления технологией всё больше соприкасаются с задачами управления предприятиямив организационно-экономическом плане (планирование, управление запасами,финансирование, управление кадрами и т.п.). Эти задачи призвано решать другоеприкладное направление кибернетики – кибернетика экономическая, основной ветвьюкоторой является разработка автоматизированных систем управления предприятием. Впоследнее время наметилась тенденция к органическому слиянию автоматизированныхсистем технологического и административного управления. Такие системы получилиназвание интегрированных. Широкое практическое применение средств и методовкибернетики привело к принципиальному изменению свойств информационной средыобитания человека и, как следствие, к необходимости рассматриватьпроизводственные, экономические и социальные структуры общества с учётом повсеместнойэлектронизации процессов коммуникации, обработки информации и принятия решений.Эти задачи призвана решать новая наука – информатика. Проблемы применении методови технических средств кибернетики для изучения биологических систем, вчастности организма человека и его мозга, вызвали необходимость создания кибернетикибиологической, а автоматизация медицинской диагностики, создание искусственных органови управление ими, управление лечебным процессом и т.п. являются задачамикибернетики медицинской.
1.3Техническая кибернетика
ТЕХНИЧЕСКАЯКИБЕРНЕТИКА — направление (раздел) кибернетики, в котором на основе единых длякибернетики в целом научных идей и методом изучаются технические системыуправления. Техническая кибернетика – современный этап развития теории ипрактики автоматического регулирования и управления, а также научная база длярешения задач комплексной автоматизации производства, транспортных и др.сложных систем управления. Сложные системы управления, в которых какнепременный элемент принимает участие человек-оператор, называютсяавтоматизированными системами, в отличие от систем автоматических,функционирующих без непосредственного участия в них человека. Проблема «человек— машина», в которой рассматриваются возможности рациональногораспределения функций между человеком и автоматически действующими устройствами,—одна из главных в технической кибернетике. Участие человека в управленииагрегатами и технологическими процессами, с одной стороны, и в административномуправлении, с другой, также приводит к сращиванию этих двух сфер управленческойдеятельности и к созданию единой человеко-машинной системы управления. Поэтому,кроме физиологических особенностей человека-оператора, существенное значениеприобретает и его психологическое состояние. Главной задачей инженернойпсихологии является разработка методов использования знаний о поведениичеловека при проектировании и эксплуатации сложных человеко-машинных системуправления.
Большоезначение в технической кибернетике приобретают методы решения задач,позволяющие преодолеть трудности, возникающие из-за наличия значительного числавзаимодействующих элементов (подсистем), входящих в соответствующую сложнуюсистему.
Однимиз самостоятельных направлений технической кибернетики является распознаваниеобразов. Распознающие системы имеют большое научное и практическое значение, ихприменяют не только при создании читающих автоматов, но и при распознавании ианализе ситуаций, характеризующих состояние технологических процессов илифизических экспериментов, а также при разработке медицинских автоматизированныхдиагностических устройств и т. д. Одним из самостоятельных направленийтехнической кибернетики является направление, связанное с разработкой системавтоматизированного проектирования (САПР) разного рода объектов и систем.
2. Взаимодействие управляемойи управляющей систем
Управление — функциясистемы, ориентированная либо на сохранение ее основного качества (т. е.совокупности свойств, утеря которых влечет разрушение системы) в условияхизменения среды, либо на выполнение некоторой программы, долженствующей обеспечитьустойчивость функционирования, гомеостаз, достижение определенной цели. Понятиеуправления формализовано настолько, чтобы можно было дать его точное и при этомдостаточно широкое определение; более того, всякое описательное определениеуправления неизбежно оперирует понятиями, общепринятые формализации которых невыработаны (система, среда, цель, программа и др.). Приведенное определениепредусматривает два случая; первый из них имеет место в самоорганизующихсясистемах — биологических, социальных и социально-экономических; второй случайхарактерен для отдельных подсистем самоорганизующихся систем, а также для разнообразныхтехнических устройств. При этом цель, в зависимости от трактовкисоответствующего понятия, можно соотносить отдельным частным случаям управлениялибо считать неотъемлемым атрибутом управления вообще.
Систему,в которой реализуются функции управления, обычно называют системой управления ивыделяют в ней две подсистемы: управляющую и управляемую. Управляющаясистема осуществляет функции управления, управляемая системаявляется его объектом. Если управление осуществляется сознательно, тоуправляющая система создается субъектом управления, который формирует такжецель (цели) управления. Иногда понятия субъект и цель управления трактуются шире:субъект управления отождествляется с управляющей системой (независимо от ееприроды), а в качестве цели принимается выполнение программы управления.Разделение системы управления на управляющую и управляемую подсистемы не всегдаможно произвести однозначно. В технических системах возникающие при этомтрудности не имеют принципиального характера, а касаются лишь удобства описания(например, при телеуправлении размещаемые на объекте управления устройстваприема и передачи информации можно относить как к нему самому, так и куправляющей системе).
Междууправляющей и управляемой системами необходимы каналы связи. По каналу связи,ведущему к управляющей системе от управляемой, передается информация осостоянии последней, точнее, о текущих значениях существенных переменныхобъекта управления; по каналу связи противоположного направления передаетсяуправляющая информация (управляющие воздействия). Таким образом, управляющая иуправляемая системы соединены контуром обратной связи. В некоторых случаяхканал связи для передачи информации о состоянии объекта управления отсутствует(имеется лишь прямая связь); такие схемы управления весьма ограничены повозможностям и отличаются низкой надежностью. Простейшая схема управления собратной связью изображена на рис. 1, где R — управляющая система, О — управляемая система (объектуправления), Е — среда системы управления, d — канал передачи информации о состоянии объекта управления, f — канал передачи управляющейинформации, i — воздействия среды на объектуправления, а — выход объекта управления. Эта схема, в частности, адекватноописывает многочисленные механизмы регулирования и технических и биологическихсистемах по принципу гомеостаза.
/>
Рис.1.
Состояниеобъекта управления в какой-либо момент времени здесь зависит от егопредшествующих состояний, воздействий среды и управляющих воздействий, асостояние управляющей системы — от состояния объекта управления (и, возможно,ее собственных предшествующих состояний).
Механизмырегуляции по такой схеме в технических и биологических системах, как правило,действуют автоматически; при этом материальная субстанция, измерение которойдает информацию о состоянии объекта управления (давление пара, температура,электромагнитные характеристики и т. д.), используется в канале связи f как носитель этой информации. Дляпреобразования информации о состоянии в управляющую информацию управляющаясистема R соответственно изменяет величинусигнала, полученного по каналу f (см.Коэффициент обратной связи) или реализует трансформацию в качественно инойноситель (например, давление — в напряжение электрического тока). В данномчастном случае — при автоматическом функционировании управляющей системы — ееобычно называют регулятором, хотя нередко эти два термина употребляются каксинонимы.Важной отличительной особенностью сознательно управляемых социальных иэкономических систем является обязательное наличие посредника в связях d и f, т. е. отсутствие автоматизма их функционирования. Этообусловливает многие специфические требования к организации системсоциально-экономического управления, определению его качества, выдвигаетпроблему стимулирования.
Рисунка1, однако, недостаточно для описания некоторых систем регулирования в технике,поведения высших животных, управляемого развитой высшей нервной деятельностью,и тем более для описания систем управления социальными и экономическимипроцессами.
/>
Рис. 2
Вэтих случаях управляющая система не только регистрирует состояние объектауправления, но и наблюдает за изменениями среды, прогнозируя возможные реакцииобъекта на эти изменения (т. е. осуществляет упреждающее определение егосостояний, в данном случае — траекторий развития) с целью заблаговременногопринятия соответствующих мер. Одна из возможных в подобных случаях схеминформационных связей представлена на рис. 2.
Вобеих приведенные схемах, а также других возможных вариантах информационноговзаимодействия управляемой и управляющей систем последняя представляет собойорган переработки информации о состоянии объекта управления и средыфункционирования системы управления в целом в управляющие воздействия. В различныхчастных случаях управляющие воздействия могут принимать самую разнообразнуюформу; при управлении экономикой их совокупность достаточно полно, хотя и неисчерпывающе охватывается понятием административно-хозяйственная структура.
Имеютсяразличные принципы классификации как процессов переработки информации приуправлении, так и вырабатываемых ими управляющих воздействий. В экономикенаиболее существенно разделение управляющих воздействий на непосредственные икосвенные.
Вадминистративно-хозяйственной структуре непосредственное управляющеевоздействие, будучи направлено на конкретный хозяйственный объект (любогоуровня структуры до высшего включительно) или на любой объект из определеннойсовокупности, выражается в нормативном установлении показателя, фиксирующегозначение какой-либо характеристики развития или функционирования данногообъекта или границу изменения такой характеристики (например, рентабельности,прибыли, производительности труда, фонда заработной платы и т. д.); наиболееважные частные случаи — лимиты потребления ресурсов и задания по выпускупродукции для отдельных хозяйственных ячеек. Непосредственные управляющиевоздействия, таким образом, представляют собой средства директивного влиянияуправляющей системы на объект управления, их назначение состоит в прямомограничении множества его возможных состояний.
Косвенныеуправляющие воздействия основаны па использовании того обстоятельства, чтоячейки социально-экономической системы представляют собой самоорганизующиесясистемы, целенаправленно оптимизирующие свое развитие и функционирование всоответствии с собственными (имманентными) интересами. Эти интересы определяютотношение предпочтения каждой хозяйственной ячейки на множестве ее возможныхсостояний, однако данное отношение зависит от некоторой совокупности внешнихпараметров (прежде всего, ценностных показателей — цен, норм ренты, ставокразличных отчислений и платежей и т. д.). Фиксация значений подобных параметрови составляет содержание косвенных управляющих воздействий; варьируя такиезначения, управляющая система не меняет множества возможных состояний объектауправления, но ориентирует предпочтения на этом множестве в направлении,желательном с точки зрения цели управления, тем самым содействуя ее достижению.
Приэтом одно и то же управляющее воздействие может быть непосредственным поотношению к одним ячейкам социально-экономической системы и косвенным — поотношению к другим. Например, директивное установление в каждом экономическомрайоне объема деятельности отраслей, производящих услуги, распределяемые черезобщественные фонды потребления, является косвенным управляющим воздействием напроцессы движения населения и трудящихся, т. е. на определенные ячейкисоциальной структуры общества. Область эффективности непосредственных воздействийсравнительно широка при управлении производственно-технологической структуройхозяйства и узка при управлении социальной структурой общества; относительнокосвенных воздействий справедливо противоположное утверждение.
Совокупностьуправляющих воздействий, распределенных во времени, соответствующая какой-либоинформации о состоянии объекта управления и среды (т. е. выход управляющейсистемы, обусловленный некоторыми значениями ее входов), называется управляющимрешением. Всякое управляющее решение предполагает уменьшение разнообразияобъекта управления (в случае использования косвенных воздействий — с учетом егосамоорганизации). Закон необходимого разнообразия определяет требования кизбирательной способности управляющей системы, обусловливаемые тем уменьшениемразнообразия объекта управления, которое необходимо для эффективностиуправления.
Усилениеизбирательной способности управляющей системы (т. е. увеличение ее пропускнойспособности как канала связи, мощности по переработке информации или же собственногоразнообразия) является центральной проблемой при разработке больших системуправления.
У. Р.Эшби наметил аналогию между усилителями мощности в технике и усилителямиразнообразия управляющей системы: последняя должна пользоваться каким-либоинтенсивным источником разнообразия, так направляя его функционирование, чтобыиндуцировать проявления его избирательной способности, соответствующие целиуправления. Таким источником разнообразия в социально-экономическом управленииявляется человек с его целенаправленной самоорганизующейся деятельностью, ипроблема усиления избирательной способности управляющей системы в значительноймере сводится к проблеме человеческих факторов в управлении. Подобнотехническим усилителям мощности усилители разнообразия могут бытьмногокаскадными: это достигается иерархической организацией управляющейсистемы. Кроме того, совершенствование структуры управляющей системыдостигается реализацией принципа непрерывного (скользящего) управления.
Есливсе процедуры переработки информации о состояниях объекта управления и среды вуправляющие решения могут быть формализовано описаны, такое описание называюталгоритмом управления. Современные требования к быстродействию, надежности,точности управления и информационная нагрузка на управляющую систему стольвысоки, что могут быть удовлетворены лишь при широкой автоматизации процессовуправления, для которой требуется формализация управленческих процедур. Однакополная формализация при управлении большими системами невозможна; это вызываетнеобходимость использования принципа внешнего дополнения.
Формализацияпроцессов управления в социально-экономической системе опирается наиспользование математического моделирования, причем для прогноза состоянийсреды и объекта управления (в частности, принимаемых в результате тех или иныхуправляющих воздействий) применяются преимущественно дескриптивные, а длявыработки управляющих решений — нормативные модели.
Литература
1. Винер Н.Кибернетика. Пер. с англ. М., «Советское радио», 1968.
2. Ланге О. Введениев экономическую кибернетику. Пер. с польск. М., «Советское радио»,1964.
3. Немчинов В. С.Избранные произведения. Т. 3. М., «Наука»,- 1967.
4. Проблемыоптимального функционирования экономики. М., «Наука», 1972.
5. Эшби У. Р.Введение в кибернетику. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1959.
6. Эшби У. Р.Конструкция мозга. Пер. с англ. М., «Мир», 1964.