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.

А.И. Берг

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.