to / ЛК-16.Кибернетика
.rtfТема. КИБЕРНЕТИКА: СИСТЕМЫ И УПРАВЛЕНИЕ
-
Содержание понятии «Кибернетика»
-
Кибернетические системы
-
Гомеостатические системы и регулирование
К
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 блока — блок 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.