Кибернетика

     Введение

     В естествознании первой половины XX века ведущим направлением была физика. Начиная с 50-х годов, наряду с физикой, химией и биологией все возрастающее значение и влияние на развитие науки и всего уклада нашей жизни начала оказывать кибернетика. Кибернетика – одна из тех наук, которая собственно ускорила научно-технический прогресс. Широко применяется кибернетика во многих областях техники, в том числе в разработке средств автоматизации и информатизации техники в теории принятия решений, а также в обработке данных и вычислительной технике.

     Современный уровень развития радиоэлектроники позволяет ставить и разрешать задачи создания новых устройств, которые освободили бы человека от необходимости следить за производственным процессом и управлять им, т. е. заменили бы собой оператора, диспетчера. Появился новый класс машин - управляющие машины, которые могут выполнять самые разнообразные и часто весьма сложные задачи управления производственными процессами, движением транспорта и т. д. Создание управляющих машин позволяет перейти от автоматизации отдельных станков и агрегатов к комплексной автоматизации конвейеров, цехов, целых заводов.

     Вычислительная  техника используется не только для  управления технологическими процессами и решения многочисленных трудоемких научно-теоретических и конструкторских вычислительных задач, но и в сфере управления народным хозяйством, экономики и планирования.

     Круг  применения кибернетики все время расширяется, и при этом в кибернетике возникают новые идеи, представления и методы.

     История

     Зарождение  кибернетики

     Существует  большое количество различных определений  понятия «кибернетика», однако все они в конечном счете сводятся к тому, что кибернетика - это наука, изучающая общие закономерности строения сложных систем управления и протекания в них процессов управления. А так как любые процессы управления связаны с принятием решений на основе получаемой информации, то кибернетику часто определяют еще и как науку об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах.

     Появление кибернетики как самостоятельного научного направления относят к 1948 г., когда американский ученый, профессор математики Массачусетского технологического института Норберт Винер (1894 -1964гг.) опубликовал книгу «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». В этой книге Винер обобщил закономерности, относящиеся к системам управления различной природы - биологическим, техническим и социальным. Вопросы управления в социальных системах были более подробно рассмотрены им в книге «Кибернетика и общество», опубликованной в 1954 г.

     Название  «кибернетика» происходит от греческого «кюбернетес», что первоначально означало «рулевой», «кормчий», но впоследствии стало обозначать и «правитель над людьми». Так, древнегреческий философ Платон в своих сочинениях в одних случаях называет кибернетикой искусство управления кораблем или колесницей, а в других — искусство править людьми. Примечательно, что римлянами слово «кюбернетес» было преобразовано в «губернатор».

     Известный французский ученый-физик А. М. Ампер (1775-1836 гг.) в своей работе «Опыт о философии наук, или Аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний», первая часть которой вышла в 1834 г., назвал кибернетикой науку о текущем управлении государством (народом), которая помогает правительству решать встающие перед ним конкретные задачи с учетом разнообразных обстоятельств в свете общей задачи принести стране мир и процветание.

     Однако  вскоре термин «кибернетика» был  забыт и, как отмечалось ранее, возрожден  в 1948 г. Винером в качестве названия науки об управлении техническими, биологическими и социальными системами. 

     Развитие  кибернетики

     Становление и успешное развитие любого научного направления связаны, с одной стороны, с накоплением достаточного количества знаний, на базе которых может развиваться данная наука, и, с другой — с потребностями общества в ее развитии. Поэтому не случайно, что размышления о кибернетике Платона и Ампера не получили в свое время дальнейшего развития и были в сущности забыты. Достаточно солидная научная база для становления кибернетики создавалась лишь в течение XIX—XX веков, а технологическая база непосредственно связана с развитием электроники за период последних 50—60 лет.

     Современная кибернетика началась в 1940-х как  междисциплинарная область исследования, объединяющая системы управления, теории электрических цепей, машиностроение, логическое моделирование, эволюционную биологию, неврологию. Системы электронного управления берут начало с работы инженера Bell Labs Гарольда Блэка в 1927 году по использованию отрицательной обратной связи, для управления усилителями. Идеи также имеют отношения к биологической работе Людвига фон Берталанфи в общей теории систем.

     Ранние  применения отрицательной обратной связи в электронных схемах включали управление артиллерийскими установками  и радарными антеннами во время  Второй мировой войны. Джей Форрестер, аспирант в Лаборатории Сервомеханизмов в Массачусетском технологическом институте, работавший во время Второй мировой войны с Гордоном С. Брауном над совершенствованием систем электронного управления для американского флота, позже применил эти идеи к общественным организациям, таким как корпорации и города как первоначальный организатор Школы индустриального управления Массачусетского технологического института в MIT Sloan School of Management. Также Форрестер известен как основатель системной динамики.

     У. Деминг, гуру комплексного управления качеством, в чью честь Япония в 1950 году учредила свою главную индустриальную награду, в 1927 году был молодым специалистом в Bell Telephone Labs и, возможно, оказался тогда под влиянием работ в области сетевого анализа). Деминг сделал «понимающие системы» одним из четырёх столпов того, что он описал как глубокое знание в своей книге «Новая экономика».

     Многочисленные  работы появились в смежных областях. В 1935 году российский физиолог П. К. Анохин издал книгу, в которой было изучено понятие обратной связи («обратная афферентация»). Исследования продолжались, в особенности в области математического моделирования регулирующих процессов, и две ключевые статьи были опубликованы в 1943 году. Этими работами были «Поведение, цель и телеология» А.Розенблюта, Норберта Винера и Дж.Бигелоу и работа «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной активности» У. Мак-Каллока и У. Питтса.

     Кибернетика как научная дисциплина была основана на работах Винера, Мак-Каллока и других, таких как У. Р. Эшби и У. Г. Уолтер.

     Уолтер был одним из первых, кто построил автономные роботы в помощь исследованию поведения животных. Наряду с Великобританией и США, важным географическим местоположением ранней кибернетики была Франция.

     Весной 1947 года Винер был приглашён на конгресс по гармоническому анализу, проведённому в Нанси, Франция. Мероприятие было организовано группой математиков  Николя Бурбаки, где большую роль сыграл математик Ш. Мандельбройт.

       Во время этого пребывания  во Франции Винер получил предложение  написать сочинение на тему  объединения этой части прикладной  математики, которая найдена в  исследовании броуновского движения (т. н. винеровский процесс) и в теории телекоммуникаций. Следующим летом, уже в Соединённых Штатах, он использовал термин «кибернетика» как заглавие научной теории. Это название было призвано описать изучение «целенаправленных механизмов» и было популяризировано в книге «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (Hermann & Cie, Париж, 1948). В Великобритании вокруг этого в 1949 году образовался Ratio Club.

     В начале 1940-х Джон фон Нейман, более известный работами по математике и информатике, внёс уникальное и необычное дополнение в мир кибернетики: понятие клеточного автомата и «универсального конструктора» (самовоспроизводящегося клеточного автомата). Результатом этих обманчиво простых мысленных экспериментов стало точное понятие самовоспроизведения, которое кибернетика приняла как основное понятие. Понятие, что те же самые свойства генетического воспроизводства относились к социальному миру, живым клеткам и даже компьютерным вирусам, является дальнейшим доказательством универсальности кибернетических исследований.

     Винер популяризировал социальные значения кибернетики, проведя аналогии между  автоматическими системами (такими как регулируемый паровой двигатель) и человеческими институтами  в его бестселлере «Кибернетика и общество» (The Human Use of Human Beings: Cybernetics and Society Houghton-Mifflin, 1950).

     Одним из главных центров исследований в те времена была Биологическая  компьютерная лаборатория в Иллинойском  университете, которой в течение  почти 20 лет, начиная с 1958 года, руководил  Х. Фёрстер. 

     Упадок  и возрождение

     В течение последних 30 лет кибернетика  прошла через взлёты и падения, становилась  всё более значимой в области  изучения искусственного интеллекта и  биологических машинных интерфейсов (то есть киборгов), но, лишившись поддержки, потеряла ориентиры дальнейшего  развития.

       В 1970-х новая кибернетика проявилась  в различных областях, но особенно  — в биологии. Некоторые биологи  под влиянием кибернетических идей (Матурана и Варела, 1980; Варела, 1979; (Атлан), 1979), «осознали, что кибернетические метафоры программы, на которых базировалась молекулярная биология, представляли собой концепцию автономии, невозможную для живого существа. Следовательно, этим мыслителям пришлось изобрести новую кибернетику, более подходящую для организаций, которые человечество обнаруживает в природе — организаций, не изобретённых им самим». Возможность того, что эта новая кибернетика применима к социальным формам организаций, остаётся предметом теоретических споров с 1980-х годов.

     В экономике в рамках проекта Киберсин попытались ввести кибернетическую административно-командную экономику в Чили в начале 1970-х. Эксперимент был остановлен в результате путча 1973 года, оборудование было уничтожено.

     В 1980-х новая кибернетика, в отличие  от её предшественницы, интересуется «взаимодействием автономных политических фигур и  подгрупп, а также практического  и рефлексивного сознания предметов, создающих и воспроизводящих  структуру политического сообщества. Основное мнение — рассмотрение рекурсивности, или самозависимости политических выступлений, как в отношении выражения политического сознания, так и путями, в которых системы создаются на основе самих себя».

     Голландские учёные-социологи Гейер и Ван дер Зоувен в 1978 году выделили ряд особенностей появляющейся новой кибернетики. «Одной из особенностей новой кибернетики является то, что она рассматривает информацию как построенную и восстановленную человеком, взаимодействующим с окружающей средой. Это обеспечивает эпистемологическое основание науки, если смотреть на это с точки зрения наблюдателя. Другая особенность новой кибернетики — её вклад в преодоление проблемы редукции (противоречий между макро- и микроанализом). Таким образом, это связывает индивидуума с обществом». Гейер и Ван дер Зоувен также отметили, что «переход от классической кибернетики к новой кибернетике приводит к переходу от классических проблем к новым проблемам. Эти изменения в размышлении включают, среди других, изменения от акцента на управляемой системе к управляющей и фактору, который направляет управляющие решения. И новый акцент на коммуникации между несколькими системами, которые пытаются управлять друг другом».

     Последние усилия в изучении кибернетики, систем управления и поведения в условиях изменений, а также в таких  смежных областях, как теория игр (анализ группового взаимодействия), системы  обратной связи в эволюции и исследование метаматериалов (материалов со свойствами атомов, их составляющих, за пределами ньютоновых свойств), привели к возрождению интереса к этой всё более актуальной области.

     Предмет, методы и цели кибернетики

     Специфика этой науки заключается в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру, а  результат работы данного класса систем. В кибернетике впервые  было сформулировано понятие «черного ящика» как устройства, которое выполняет  определенную операцию над настоящим  и прошлым входного потенциала, но для которого мы необязательно располагаем  информацией о структуре, обеспечивающей выполнение этой операции.

     Кибернетика как наука об управлении объектом своего изучения имеет управляющие  системы. Для того чтобы в системе  могли протекать процессы управления, она должна обладать определенной степенью сложности. С другой стороны, осуществление  процессов управления в системе  имеет смысл только в том случае, если эта система изменяется, движется, т. е. если речь идет о динамической системе. Поэтому можно уточнить, что объектом изучения кибернетики  являются сложные динамические системы. К сложным динамическим системам относятся и живые организмы (животные и растения), и социально-экономические комплексы (организованные группы людей, бригады, подразделения, предприятия, отрасли промышленности, государства), и технические агрегаты (поточные линии, транспортные средства, системы агрегатов).

     Однако, рассматривая сложные динамические системы, кибернетика не ставит перед  собой задач всестороннего изучения их функционирования. Хотя кибернетика  и изучает общие закономерности управляющих систем, их конкретные физические особенности находятся  вне поля ее зрения. Так, при исследовании с позиций кибернетической науки такой сложной динамической системы, как мощная электростанция, мы не сосредоточиваем внимание непосредственно на вопросе о коэффициенте ее полезного действия, габаритах генераторов, физических процессах генерирования энергии и т. д. Рассматривая работу сложного электронного автомата, мы не интересуемся, на основе каких элементов (электромеханические реле, ламповые или транзисторные триггеры, ферритовые сердечники, полупроводниковые интегральные схемы) функционируют его арифметические и логические устройства, память и др. Нас интересует, какие логические функции выполняют эти устройства, как они участвуют в процессах управления. Изучая, наконец, с кибернетической точки зрения работу некоторого социального коллектива, мы не вникаем в биофизические и биохимические процессы, происходящие внутри организма индивидуумов, образующих этот коллектив.