Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

to / ЛК-16.Кибернетика

.rtf
Скачиваний:
20
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
1.44 Mб
Скачать

Тема. КИБЕРНЕТИКА: СИСТЕМЫ И УПРАВЛЕНИЕ

  1. Содержание понятии «Кибернетика»

  2. Кибернетические системы

  3. Гомеостатические системы и регулирование

К

ибернетика изучает общие принципы управления, присущие объектам любой природы. Впервые эти принципы были вы­делены при изучении биологических и технических систем Норбертом Винером (1894—1964 гг.) в его знаменитой книге, вышед­шей в 1948 г.23 Сам термин “кибернетика” происходит от греческого “кибернесий” (кормчий). Слово “кибернетика” встречается довольно часто у Платона, где обозначает искусство управлять кораблем, искус­ство кормчего, а в переносном смысле — также искусство управлять людьми. В 1834 г. французский физик А. Ампер, занимавшийся воп­росами классификации наук, назвал, по примеру древних, кибернети­кой науку об управлении государством (провинциями). В таком значе­нии это слово вошло в ряд известных словарей XIX в. Н. Винер использовал этот термин для обозначения теории управления и связи в машинах и живых организмах.

Корни кибернетики уходят в математику, философию, психоло­гию, физиологию, философию науки и логику. Синтетичность кибер­нетики — ее ведущая черта, ярко проявившаяся в стиле работы ее создателей. “Отец кибернетики” математик Н. Винер работал совмес­тно с учеными других специальностей. Суть кибернетики — исследо­вание того общего, что есть в закономерностях, лежащих в основе процессов управления в различных средах, условиях, областях. Про­цессы управления, изучаемые в кибернетике, протекают в объектах, которые называются сложными динамическими системами, способ­ными к изменению, развитию. Управление коллективами людей с целью решения тех или иных задач (военных, финансовых, транспор­тных и др.), и регуляционные процессы (физиологического, биохими­ческого и т. п. характера), связанные с жизнедеятельностью организ­мов, и целенаправленные воздействия человека на природу — все эти процессы происходят в сложных динамических системах. Речь идет о системах, обладающих свойствами самоорганизации различного уров­ня, выработки целей управления и определения путей их реализации. С течением времени круг систем, к которым считались применимыми кибернетические подходы, вначале включавший только технические и биологические системы, интенсивно расширяется. Уже говорят о нейрокибернетике, экономической, правовой, медицинской, психоло­гической кибернетике и т. д.

Кибернетика возникла и развивается под определяющим влияни­ем потребностей в лучшей организации труда, в коренном повыше­нии его производительности и эффективности. Эта потребность дава­ла себя знать уже давно, но для ее реализации тогда недоставало соответствующих научных и технических средств. Например, пред­ложенная А. А. Богдановым (Малиновским) в его труде “Всеобщая организационная наука (тектология)” (1913-1922) теория организа­ции не опиралась на точные методы, хотя он и предвосхитил некото­рые общие идеи кибернетики24.

Сегодня кибернетика — это прежде всего научно-методологичес­кое направление, рассматривающее весь объективно существующий мир с одной, а именно информационной точки зрения. При этом кибернетика намеренно отвлекается от материальной (субстратной) стороны мира, от энергетического рассмотрения его. не забывая, ко­нечно, об их существовании, а рассматривает и изучает только инфор­мационные процессы, т. е. получение, кодирование и — в широком смысле слова — обработку информации, в том числе ее передачу и использование. При этом информация понимается широко — как сведения, знания, факты все то, что используется для принятия решений по управлению.

Этой методологической направленностью, так сказать “киберне­тическим мировоззрением”, и определяется значение кибернетичес­ких представлений, проникновение кибернетических подходов во все обладает современной науки и техники, во все формы человеческой деятельности. Всякая целенаправленная деятельность образуется в результате управления. И основной трудностью в реализации целе­направленного поведения является организация необходимого управ­ления, а не отсутствие других ресурсов, например, энергии или мате­риалов. Поэтому основной проблемой современности является не энергетическая, экологическая и т. д., а управление в широком смысле этого слова, т. е. создание эффективных систем достижения постав­ленных целей. При наличии необходимого управленческого потенци­ала все остальные проблемы в принципе могут быть разрешены с течением времени. Разработкой способов управления и занимается кибернетика как наука25.

Ошибочно полагать, что кибернетика — это лишь математическая теория проводов, вычислительных машин и роботов, применение кото­рой в сверхсложной сфере социального управления было бы недопус­тимым упрощением дела. Своеобразие социальных систем не исклю­чает наличия в них того общего, которое рассматривает кибернетика, оно лишь дает этому особое содержание. Кибернетика предлагает еди­ную терминологию и единый комплекс понятий для представления систем самых различных типов. Это такие понятия как канал передачи информации, обратная связь, кодирование, гомеостаз, цель управления, самонастройка, обучение системы, адаптация, оптимизация и др. С точ­ки зрения управления неважно, каков объект, а важно, какова его матема­тическая модель. Оказывается, что на первый взгляд различные по своей природе объекты имеют одну и ту же математическую модель, а следова­тельно, управление этими объектами можно построить одинаково.

Кибернетика предлагает также метод научного исследования сис­тем, сложность которых слишком велика для того, чтобы ее можно было игнорировать. Лозунгом классического естествознания явля­лось: “Изменяйте факторы по одному!”. Кибернетика изучает систе­мы столь динамичные и внутренне связанные, что изменение одного фактора служит непосредственной причиной изменения многих дру­гих факторов. Таким образом, кибернетика выступает как средство создания эффективных методов для изучения систем чрезвычайной внутренней сложности и управления ими (системы такого класса как мозг, экономика, общество и т. п.). При этом под управлением пони­мается процесс формирования целесообразного (эффективного) по­ведения системы. 32 Управление неотделимо от движения к целевому состоянию и исходи! и •} целевой функции сисюмы. Управлять значит решать какую-то задачу. Для технических систем эти состояния в общем случае задаются извне. Пх формулирует человек. В таких “чело­веко-машинных” системах человек играет кардинально важную роль — он восполняет отсутствие у современных машин сколько-нибудь развитых свойств адаптации и самоорганизации. Человек в конечном счете задает цель управления и общие критерии оценки действий, ведущих к ее достижению. Ввиду того, что способность к самостоятельному развитию у подобных систем отсутствует, че­ловек. в случае необходимости, осуществляет также руковод­ство — более общую функцию, объединяющую управление и вли­яние на развитие системы, т. е. изменение структуры и состава ее элементов.

Мир живого — это мир внутренней выработки целевых со­стояний, отвечающих в конечном счете определенным потреб­ностям. Именно потребности приводят к тому, что задачи управле­ния в мире живого носят не только “внутренний”, но и активный характер. Живое существо приходит к потребным для себя состоя-ниям, действуя определенным образом на окружающую среду. Жи­вые системы всегда имеют какие-либо потребное ги и удовлетворя­ют их, активно отбирая из среды то, что соответствует этим потребностям. Активность выражается в отсутствии у организма безразличия к существенно важным воздействиям среды. Чтобы должным образом ответить на эти воздействия, организм нередко мобилизует все свои силы. Активность живых систем включает всю динамику их борьбы за существование посредством целесооб­разных механизмов.

Важной отличительной особенностью кибернетики является то, что она ввела принципиально новый метод изучения объектов и явлений - так называемый математический эксперимент, или ма­шинное моделирование, позволяющее производить исследование объекта по его математической модели без построения и исследова­ния реальной физической модели объекта. Смысл моделирования в кибернетике заключается в представлении изучаемого процесса в холе машинного эксперимента, принципиально отличающегося от обычного эксперимента в таких естественных науках как физика. Примером может служить такое направление в компьютерных на­уках как “искусственная жизнь”: “помещая” в компьютер самые примитивные “существа” и задавая им первоначальные правила “поведения”, можно проигрывать различные варианты их взаимодействия друг с другим н с “окружающей средой”, их развития и эволюции.

Вместе с тем следует учитывать, что модель, -закладываемая (и обрабатываемая и “развивающаяся”) в память ЭВМ, не тождествен­на теоретическому описанию процесса. Математический эксперимент можно применять к объектам, не имеющим точного математическо­го описания в традиционной форме. Моделирование в кибернетике — это прежде всего моделирование машинное, оно неотделимо от соответствующих технических средств. Ими все более становятся информационно-вычислительные сети — мощное средство для ре­шения задач управления (в частности, в реальном масштабе време­ни) в системах коллективного пользования. Вычислительные сети не только средство кибернетики, но и ее объект. Их разработка способствует постижению феномена сложности, определяющего специфику “больших систем”26.

Одним из основных понятий кибернетики является понятие Ки­бернетической Системы, и все изучаемые объекты кибернетика стре­мится представить в виде кибернетических систем. Под кибернетиче­скими системами (КС) понимаются объекты любой природы — технические, биологические, экономические, социальные, админи­стративные и др. Примерами их могут быть и нервная система организма, и система управления технологическими процессами, и аппарат управления обществом. КС — это множество взаимосвязан­ных объектов, называемых элементами системы, способных вос­принимать, запоминать и перерабатывать инс1юрмацию, а также об­мениваться информацией 27. Кибернетика рассматривает системы независимо от природы входящих в них элементов, поэтому приме­няется также термин “абстрактные КС”. Регулятор температуры. человеческий мозг. экономика, общество все они могут рассмат­риваться как КС.

КС — это системы с управлением, они обладают свойством целеустремленности. Им свойственны также самоорганизация и самообучение (адаптация, накопление опыта). КС определяется за­данием системных объектов, их свойств и связей между ними. Системные объекты — это вход. процесс, выход, а также обратная связь н ограничение.

Входом называется то. что предшествует протеканию процесса. это любое внешнее по отношению к объекту событие, изменяющее любым образом этот объект. Можно также сказать, что вход есть все то, что изменяется при протекании процесса. Участие в процессе устанавливается по наличию изменений. Вход состоит из элементов входа. В некоторых случаях элементами входа являются рабочий вход (то, что обрабатывается) и процессор (то, что обрабатывает).

Выходом называется результат или конечное состояние процесса. это любое изменение, производимое объектом в окружении. Процесс переводит вход в выход. Способность переводить данный вход в определенный выход называется свойством данного входа.

Связь определяет следование процессов, т. е., что выход некото­рого процесса является входом некоторого другого определенного процесса. С точки зрения кибернетики связь это процесс обмена информацией, который регулирует поведение систем, т. е. управляет ими.

Входы и выходы КС представляют собой совокупность воздей­ствий внешней среды на КС и воздействий КС на среду. Выход одной КС неминуемо будет входом какой-то другой КС в этом выражается всеобщая взаимосвязь явлений в мире. Всякий вход системы является выходом этой или другой системы, а всякий вы­ход - - входом. Выделить систему в реальном мире значит указать ее вход, процесс и выход.

Выходы могут быть двух основных видов: результат предшеству­ющего процесса, последовательно связанного с данным, и результат предшествующего процесса, случайным образом связанного с дан­ным. Кроме того, вход может оказаться результатом деятельности той же системы, который вновь вводится в нее, — обратная связь. Это важнейшее понятие кибернетики, означающее обратное воздействие результатов функционирования некоторой системы на характер этого функционирования. У любого процесса есть вход и выход, поэтому сам процесс функционирования системы иногда называют преобра­зованием входа в выход, а правило такого преобразования опера­тором.

Процесс — это последовательная смена состояний, стадий изме­нения/развития КС. Это может быть вещественный процесс преобра­зования сырья в готовый продукт в производстве или ин(|)ормацион-ный процесс, например, преобразование бухгалтерской информации в связи с указанным производственным процессом. Различают процессы управляемые и неуправляемые, детерминированные и случай­ные. дискретные и непрерывные.

Управляемым процессом называется процесс, который развивает­ся под влиянием некоторых управляющих воздействий, изменяющих условия протекания этого процесса в зависимости от цели управле­ния и критериев оценки степени достижения этой цели. Сам процесс управления включает совокупность действий субъекта управления, осуществляющего управление данной КС, и соответствующего пове­дения управляемою объекта (объектов). Поведение представляет со­бой любую реакцию объекта на внешние воздействия: изменение, развитие, рост. Среди входов в управляемых системах (объектах) выделяют две группы, различные по характеру влияния на выходы:

управляющие воздействия и возмущения. К первым относят такие величины (управляющие переменные), значения которых можно ме­нять для получения желательного выхода; ко вторым — воздействия среды на систему, нарушающие ее нормальное функционирование и развитие в желательном направлении.

Во всякой КС существуют три различных по своей роли процес­са: основной процесс преобразует вход в выход; обратная связь обеспечивает соответствие между фактическим и желаемым выхо­дом пу тем изменения входа; процесс ограничения обеспечивает со­ответствие между выходом системы и требованиями к нему как входу в последующую систему, являющуюся потребителем этого входа.

Так любая социальная организация возникает из потребностей окружающей социально-экономической среды и для того, чтобы обеспечить свое существование, должна гарантировать себе опреде­ленный минимальный вход — т. е. некоторую комбинацию людей (личный состав), финансовых средств, материально-энергетических ресурсов, информации и т. п. Для получения входа организация должна обеспечивать соответствующий минимальный выход — опя1ь-такн некоторую комбинацию людей, денежных средств, ин­формации, продуктов и услуг. Причем размеры и характер как входа, так и выхода должны быть хотя бы терпимы для окружающего общества, которое, кроме того, налагает определенные ограничения и на характер осуществляемого организацией процесса. Эти ограни­чения могут быть правового, экономического, научно-технического. морально-этического и иного характера. На практике в качестве ограничения часто выступают ресурсы сырья и материалов, капита­ловложения, уровень квалификации персонала, потребности в гото­вых продуктах и услугах.36

Общая блок-схема кибернетической системы может быть пред­ставлена следующим образом:

Рис. 3. Общая блок-схема кибернетической системы

Предмет кибернетики — сложные вероятностные системы, име­ющие гомеостатическую природу. Выделение такого класса систем является весьма существенным для понимания идей кибернетики. Оно основано на классификации систем по признаку их сложности и природы существующих в них связей. При таком порядке человечес­кий мозг и современное предприятие попадут в один класс очень сложных вероятностных систем, что, по существу, означает невоз­можность когда-либо полностью описать их внутренние связи и пове­дение этих объектов. Таким образом, уже выделение класса систем ставит определенным образом задачи кибернетики, связанные с опи­санием систем и управлением ими.

Вероятностными называются системы, входы, выходы, поведе­ние (функционирование) и структура которых не могут быть заданы точно и однозначно, но описываются с определенной степенью веро­ятности с помощью аппарата случайных процессов. Это понятие про­тивопоставляется понятию, характерному для техники — “детерми­нированная” или “жестко детерминированная система”, которая может иметь только одно поведение, обусловленное каким-либо одним фак­тором (его изменением).

Особый интерес для кибернетики представляет изучение меха­низма гомеостаза и разработка принципов построения гомеостати-ческих систем. Гомеостаз (гомеостазис) это способность системы оставаться неизменной и лишь очень незначительно реагировать на все перемены окружающей срслы. Если говорят, что система имеет гомеостатическую природу, то под этим подразумевается, что су­ществует определенный диапазон изменений состояний системы и определенный механизм, поддерживающий изменения в этом прием­лемом диапазоне. Многие из организационных и управленческих си­стем отличаются свойством равновесия — при воздействии на них среды они обладают способностью возвращаться к первоначальному состоянию (поведению) за счет компенсации возмущающего дей­ствия среды. Система сопротивляется внешнему воздействию или приспосабливается к нему. Если бы это свойство отсутствовало, то система была бы быстро разрушена.

Само понятие “гомеостаза” позаимствовано из биологии, где оно означает поддержание постоянства существенных переменных орга­низма (температуры, давления крови, ее состава и т. д.) для обеспече­ния оптимального режима внутренней среды. Подобные системы об­ладают способностью к устойчивому сохранению своих состояний (или определенных характеристик своих состояний). Если внешние воздействия выводят их за пределы “пространства” устойчивых со­стояний, они стремятся возвратиться в это “пространство”, в чем и состоит суть явления, называемого гомеостазом.

Устойчивость таких гомеостатнческих систем обеспечивается специальными механизмами, производящими в системах внутрен­ние перестройки — изменения структуры систем, характера функ­ционирования их подсистем и т. п. На этом свойстве сохранения равновесия в системе во многом основывается понятие управления. Смысл управления состоит, с этой точки зрения, в том, чтобы повы­сить устойчивость равновесия системы. Из этого положения исхо­дит целый ряд управленческих, в первую очередь экономических, теорий. Например, система экономического планирования должна быть гомеостатической, т. е. обладать способностью быстро реаги­ровать на изменение спроса, внешнеторговой конъюнктуры и т. д. и восстанавливать, таким образом, равновесие в народном хозяйстве. Обычно такие системы управления представляют собой сложные иерархии частей — подсистем, находящихся в многообразных отно­шениях подчинения и соподчинения. Взаимодействие элементов и подсистем осуществляется путем циркуляции в системе “команд­ной” (управляющей) и “осведомительной” (обратной) информации о поведении частей систем.

Для того чтобы справляться с задачей повышения устойчивости управляемого объекта, система управления сама должна быть высо­коустойчивой, т. е. иметь гомеостатический характер. Об этом свидетельствует, например. Закон преемственности управленческих орга­низаций: большинство управленческих организаций, независимо от времени их создания, не претерпевает кардинальных изменений. Если политические революции случаются весьма часто, то “революции административные” происходят гораздо реже 28. Такая преемствен­ность необходима для выживания клеток административного орга­низма при политических неурядицах и смене правительств. Устойчи­вость администрации имеет функциональное значение — в силу своей технической компетентности и политического нейтралитета аппарат является необходимым элементом, обеспечивающим функциониро­вание механизма социального управления.

С точки зрения процесса управления, кибернетическую систему можно представить состоящей из двух подсистем — управляющей (блок управления) и управляемой (объект управления). Рассмотрим более подробно управляющую подсистему (см. рис. 4). Она распада­ется на два блокаблок выработки целей и блок регулирования. Задачи этих блоков во многом отличны, что отражается и на процессе реализации функций каждого из них. Если процесс управления раз­бить на четыре стадии: 1) сбор и обработка информации; 2) принятие решения; 3) реализация решения; 4) контроль за реализацией, — то первая, вторая и четвертая стадии входят в функции блока выработки целей и лишь третья стадия является функцией блока регулирования.

С точки зрения кибернетики, для управления наибольший интерес представляют первая и третья стадии процесса.

Регулирование выполняет функцию поддержания устойчивости системы и направлено на сохранение постоянства ее внутренней сре­ды (гомеостаз). Таким образом, регулирование имеет гомеостати-ческий характер и определяется как процесс, посредством которого осуществляется удержание изменений характеристик системы в оп­ределенном диапазоне значений. Та часть системы (подсистема), ко­торая осуществляет регулирование, называется Регулятором.

В кибернетике выделяются три типа регулирования.

1. Регулирование посредством выравнивания отклонений дей­ствительного состояния системы от требуемого. В соответствии с этим принципом управляющая подсистема (регулятор) воздействует на управляемую подсистему (объект) таким образом, чтобы она находилась в нужном состоянии. Например, в экономике регулиро­вание выступает как способ управления, при котором управляюще­му центру нет нужды изучать и оценивать каждое случайное воздей­ствие на систему и давать рецепт, как на него реагировать. Однако имеются стимулы, направляющие реакцию системы на воздействия в нужное русло. В этом смысле реальный (а не теоретически посту­лированный) рынок есть сочетание регулирования из центра и само­регулирования хозяйствующих объектов (установление “правил игры” для саморегулирования — одна из важнейших функций регу­лирования рынка). Регуляторами могут выступать государственные налоги, цены на некоторые виды продукции (играющие роль карка­са системы ценообразования, роль социальной защиты и др.), по­шлины, некоторые экономические нормативы.

2. Регулирование посредством устранения из окружения системы того фактора, под воздействием которого система выходит из состоя­ния равновесия (такой тип регулирования носит компенсационный характер). Если речь идет о внутренней среде системы, то примерами могут быть применение карательно-репрессивных санкций к уголов­ным преступникам, вынос экологически вредных производств за пре­делы данной территории, изгнание политических противников за пре­делы государства (институт остракизма в древних Афинах) и т. п. Если же нарушающий равновесие фактор находится во внешней сре­де, то возможно как удаление самой системы за пределы непосред­ственного воздействия опасности (перенесение политических и эко­номических центров государства за пределы прямой досягаемости вероятного противника; перемещение населения, производства и ка­питаловложений из сейсмоопасной зоны и т. д.), так и прямое вмеша

гельство в среду интервенция действием (строительство дамбы для ликвидации угрозы наводнения; осуществление политики дем­пинга для устранения конкурентов и захвата внешних рынков; прове­дение рекламной кампании с целью создания благоприятного имиджа организации и пр.).

3. Регулирование посредством изоляции системы от возмущений. Подобное обособление системы может осуществляться в различных сферах — в военной (например, строительство сплошной линии фор­тификационных сооружений типа Великой Китайской Стены для от­ражения военной угрозы), в экономической (проведение политики автаркии для создания самообеспечивающейся экономики), в полити­ческой (политика “блестящей изоляции”, проводившаяся Англией в XIX в.), в социокультурной (создание “железного занавеса” и осуще­ствление информационной блокады) и т. д.

Следует отметить, что регулирование имеет два прямо противо­положных аспекта: сохранение устойчивости системы в пределах наличных функций (гомеостаз) и сохранение направленности само­развития системы в границах программы ее преобразования. В слу­чае. если регулирование подразумевает не только поддержание оп­ределенного состояния системы, но и целенаправленное изменение этого состояния, говорят уже не о регулировании, а об управле­нии24. Таким образом, управление предполагает: 1) прогноз будуще­го состояния среды на основе опережающего отражения действи­тельности; 2) формирование цели — “модели потребного будущего” на основе потребностей системы и се представлений о месте, кото­рое данная система желает занимать в этом будущем; 3) определе­ние пути к этому желанному будущему - направления изменения состояний системы (последовательности ее состояний); 4) вывод системы из состояния равновесия (нарушение гомеостаза) и направ­ление ее на намеченную последовательность состояний (траекто­рию); 5) удержание системы на этой последовательности состояний путем регулирования (чтобы она не “свалилась” с заданной траекто­рии).

Следует заметить, что “технологический” подход кибернетики находится в соответствии с известным философским тезисом, соглас­но которому целесообразность и целенаправленность должны быть поняты как некоторая объективная, наделенная своей спецификой

41система причинно-следственных связей. В зависимости от того, ка­кие принципы кладутся в основу определения последовательности состояний системы (траектории), выделяют несколько типов управ­ления. Рассмотрим эти типы.

1. Пусть У определяемое управлением состояние системы. Тогда под программным управлением будет пониматься определение У в зависимости от времени, т. е. У = У ((). Разработанная таким образом траектория (последовательность) состояний системы будет называться п ро гра м м о и у п р а вл е н и я. Объекту управления предписы­вается строго определенная последовательность действий, обратная связь при этом может отсутствовать. Управление предприятием на основе плана может служить примером программного управления, а план является программой управления.