КИБЕРНЕ́ТИКА
-
Рубрика: Математика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
КИБЕРНЕ́ТИКА, наука об управлении, изучающая гл. обр. математич. методами общие законы получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах. Существуют другие, несколько отличающиеся друг от друга, определения К. В основе одних лежит информац. аспект, других – алгоритмический, в иных выделяется понятие обратной связи, как выражающее специфику К. Во всех определениях, однако, обязательно указывается задача изучения математич. методами систем и процессов управления и информац. процессов. Под сложной управляющей системой в К. понимается любая технич., биологич., административная, социальная, экологич. или экономич. система. В основе К. лежит сходство процессов управления и связи в машинах, живых организмах и их популяциях. Осн. задача К. – исследование общих закономерностей, лежащих в основе процессов управления в разл. средах, условиях, областях. Это прежде всего процессы передачи, хранения и переработки информации. При этом процессы управления протекают в сложных динамич. системах – объектах, обладающих изменчивостью и способностью к развитию.
Исторический очерк
Считается, что слово «кибернетика» впервые употреблено Платоном в диалоге «Законы» (4 в. до н. э.) для обозначения «управления людьми» [от греч. ϰυβερνητιϰή – искусство управлять, отсюда же происходят лат. слова gubernare (управлять) и gubernator (губернатор)]. В 1834 А. Ампер в своей классификации наук употребил этот термин для обозначения «практики управления государством». В совр. науку термин ввёл Н. Винер (1947).
Кибернетич. принцип автоматич. регулирования на основе обратной связи был реализован в автоматич. устройствах Ктесибием (ок. 2 – 1 вв. до н. э.; поплавковые водяные часы) и Героном Александрийским (ок. 1 в. н. э.). В средние века было создано множество автоматич. и полуавтоматич. устройств, использовавшихся в часовых и навигац. механизмах, а также в водяных мельницах. Систематич. работа над созданием телеологич. механизмов, т. е. машин, демонстрирующих целесообразное поведение, снабжённых корректирующей обратной связью, началась в 18 в. в связи с необходимостью регулировать работу паровых машин. В 1784 Дж. Уатт запатентовал паровую машину с автоматич. регулятором, сыгравшую большую роль в переходе к индустриальному производству. Началом разработки теории автоматич. регулирования считается статья Дж. К. Максвелла, посвящённая регуляторам (1868). К родоначальникам теории автоматич. регулирования относят И. А. Вышнеградского. В 1930-е гг. в трудах И. П. Павлова наметилось сравнение мозга и электрич. переключательных схем. П. К. Анохин изучал деятельность организма на основе разработанной им теории функциональных систем, в 1935 предложил т. н. метод обратной афферентации – физиологич. аналог обратной связи при управлении поведением организма. Окончательно необходимые предпосылки развития математич. К. были созданы в 1930-е гг. работами А. Н. Колмогорова, В. А. Котельникова, Э. Л. Поста, А. М. Тьюринга, А. Чёрча.
Необходимость создания науки, посвящённой описанию управления и связи в сложных технич. системах в терминах информац. процессов и обеспечивающей возможность их автоматизации, была осознана учёными и инженерами во время 2-й мировой войны. Сложные системы оружия и др. технич. средств, управление войсками и их снабжение на театрах воен. действий усилили внимание к проблемам автоматизации управления и связи. Сложность и разнообразие автоматизируемых систем, необходимость сочетания в них разл. средств управления и связи, новые возможности, создаваемые ЭВМ, привели к созданию единой, общей теории управления и связи, общей теории передачи и преобразования информации. Эти задачи в той или иной степени требовали описания изучаемых процессов в терминах сбора, хранения, обработки, анализа и оценивания информации и получения управленч. или прогностич. решения.
С начала войны в разработке вычислит. устройств участвовал Н. Винер (вместе с амер. конструктором В. Бушем). С 1943 он начал разработку ЭВМ совм. с Дж. фон Нейманом. В связи с этим в Принстонском ин-те перспективных исследований (США) в 1943–44 были проведены совещания с участием представителей разных специальностей – математиков, физиков, инженеров, физиологов, неврологов. Здесь окончательно сформировалась группа Винера – фон Неймана, в которую входили учёные У. Мак-Каллок (США) и А. Розенблют (Мексика); работа этой группы позволила сформулировать и развить кибернетич. идеи применительно к реальным технич. и мед. задачам. Итог этим исследованиям подвёл Винер в опубликованной в 1948 кн. «Кибернетика».
Существенный вклад в развитие К. внесли Н. М. Амосов, П. К. Анохин, А. И. Берг, Э. С. Бир, В. М. Глушков, Ю. В. Гуляев, С. В. Емельянов, Ю. И. Журавлёв, А. Н. Колмогоров, В. А. Котельников, Н. А. Кузнецов, О. И. Ларичев, О. Б. Лупанов, А. А. Ляпунов, А. А. Марков, Дж. фон Нейман, Б. Н. Петров, Э. Л. Пост, А. М. Тьюринг, Я. З. Цыпкин, Н. Хомский, А. Чёрч, К. Шеннон, С. В. Яблонский, а также отеч. учёные М. А. Айзерман, В. М. Ахутин, Б. В. Бирюков, А. И. Китов, А. Я. Лернер, Вяч. Вяч. Петров, укр. учёный А. Г. Ивахненко.
Развитие К. сопровождалось поглощением ею отд. наук, науч. направлений и их разделов и, в свою очередь, зарождением в К. и последующим отделением от неё новых наук, многие из которых образовали функциональные и прикладные разделы информатики (в частности, распознавание образов, изображений анализ, искусственный интеллект). К. имеет достаточно сложную структуру, и в науч. сообществе не достигнуто полного согласия относительно направлений и разделов, являющихся её неотъемлемыми частями. Предложенное в данной статье толкование опирается на традиции отеч. школ информатики, математики и К. и на положения, не вызывающие серьёзных разногласий между ведущими учёными и специалистами, большинство из которых соглашается с тем, что К. посвящена информации, практике её обработки и технике, связанной с информац. системами; изучает структуру, поведение и взаимодействие естеств. и искусств. систем, хранящих, обрабатывающих и передающих информацию; развивает собств. концептуальные и теоретич. основания; имеет вычислит., когнитивные и социальные аспекты, включая социальное значение информац. технологий, поскольку и ЭВМ, и отдельные люди, и организации обрабатывают информацию.
С 1980-х гг. наблюдается некоторое снижение интереса к К. Оно связано с двумя осн. факторами: 1) в период становления К. создание искусственного интеллекта многим казалось задачей более простой, чем она являлась в действительности, а перспектива её решения относилась к обозримому будущему; 2) на базе К., унаследовав её осн. методы, в частности математические, и практически полностью поглотив К., возникла новая наука – информатика.
Важнейшие методы исследования и связь с другими науками
К. – междисциплинарная наука. Она возникла на стыке математики, теории автоматич. регулирования, логики, семиотики, физиологии, биологии и социологии. Становление К. проходило под влиянием тенденций развития собственно математики, математизации разл. областей науки, проникновения математич. методов во многие сферы практич. деятельности, быстрого прогресса вычислит. техники. Процесс математизации сопровождался возникновением ряда новых математич. дисциплин, таких как алгоритмов теория, информации теория, исследование операций, игр теория, составляющих существенную часть аппарата математич. К. На основе задач теории управляющих систем, комбинаторного анализа, графов теории, теории кодирования возникла дискретная математика, также являющаяся одним из осн. математич. средств К. В нач. 1970-х гг. К. сформировалась как физико-математич. наука со своим предметом исследования – т. н. кибернетич. системами. Кибернетич. система состоит из элементов, в простейшем случае она может состоять и из одного элемента. Кибернетич. система получает входной сигнал (представляющий собой входные сигналы её элементов), имеет внутр. состояния (т. е. определены множества внутр. состояний элементов); перерабатывая входной сигнал, система преобразует внутр. состояние и выдаёт выходной сигнал. Структуру кибернетич. системы задаёт множество соотношений, связывающих входные и выходные сигналы элементов.
В К. существенное значение имеют задачи анализа и синтеза кибернетич. систем. Задача анализа состоит в нахождении свойств преобразования информации, осуществляемых системой. Задача синтеза состоит в построении системы по описанию преобразования, которое она должна осуществлять; при этом класс элементов, из которых может состоять система, фиксирован. Важное значение имеет задача нахождения кибернетич. систем, задающих одно и то же преобразование, т. е. задача об эквивалентности кибернетич. систем. Если задать функционал качества работы кибернетич. систем, то возникают задачи нахождения в классе эквивалентных кибернетич. систем наилучшей системы, т. е. системы с макс. значением функционала качества. В К. рассматриваются также задачи надёжности кибернетич. систем, решение которых направлено на повышение надёжности функционирования систем за счёт совершенствования их структуры.
Для достаточно простых систем перечисленные задачи обычно могут быть решены классич. средствами математики. Трудности вызывает анализ и синтез сложных систем, под которыми в К. понимаются системы, не имеющие простых описаний. Такими обычно являются кибернетич. системы, изучаемые в биологии. Направление исследований, за которым закрепилось назв. «теория больших (сложных) систем», развивается в К. начиная с 1950-х гг. Кроме сложных систем в живой природе, изучаются сложные системы автоматизации производства, системы экономич. планирования, адм. и экономич. системы, системы воен. назначения. Методы исследования сложных систем управления составляют основу системного анализа и исследования операций.
Для изучения сложных систем в К. применяют как подход, использующий математич. методы, так и эксперим. подход, использующий разл. эксперименты либо с самим изучаемым объектом, либо с его реальной физич. моделью. К осн. методам К. относятся алгоритмизация, использование обратной связи, метод машинного эксперимента, метод «чёрного ящика», системный подход, формализация. Одним из важнейших достижений К. является разработка нового подхода – метода моделирования математического. Он состоит в том, что эксперименты проводятся не с реальной физич. моделью, а с компьютерной реализацией модели изучаемого объекта, построенной по его описанию. Эта компьютерная модель, включающая программы, реализующие изменения параметров объекта в соответствии с его описанием, реализуется на ЭВМ, что даёт возможность проводить с моделью разл. эксперименты, регистрировать её поведение в разл. условиях, менять те или иные структуры модели и т. п.
Теоретич. основу К. составляет математич. К., посвящённая методам исследования широких классов кибернетич. систем. В математич. К. используется ряд разделов математики, таких как математич. логика, дискретная математика, теория вероятностей, вычислит. математика, теория информации, теория кодирования, теория чисел, теория автоматов, теория сложности, а также математич. моделирование и программирование.
В зависимости от области применения в К. выделяют: технич. К., включающую автоматизацию технологич. процессов, теорию систем автоматич. управления, компьютерные технологии, теорию вычислит. машин, системы автоматич. проектирования, теорию надёжности; экономич. К.; биологич. К., включающую бионику, математич. и машинные модели биосистем, нейрокибернетику, биоинженерию; мед. К., занимающуюся процессом управления в медицине и здравоохранении, разработкой имитац. и математич. моделей заболеваний, автоматизацией диагностики и планирования лечения; психологич. К., включающую изучение и моделирование психич. функций на основе изучения поведения человека; физиологич. К., включающую изучение и моделирование функций клеток, органов и систем в условиях нормы и патологии для целей медицины; лингвистич. К., включающую разработку машинного перевода и общения с ЭВМ на естеств. языке, а также структурных моделей обработки, анализа и оценивания информации. Одно из важнейших достижений К. – выделение и постановка проблемы моделирования процессов мышления человека.