Кибернетическая картина мира

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

М. Б. Игнатьев

КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2010

УДК 004.9 ББК 32.81

И26

Рецензенты:

главный научный сотрудник Института философии РАН, доктор философских наук, профессор Д. И. Дубровский; ученый секретарь Института проблем информатики РАН, кандидат технических наук, доцент В. Н. Захаров; заведующий кафедрой философии ГУАП,

доктор философских наук, профессор В. Н. Михайловский

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Игнатьев М. Б.

И26 Кибернетическая картина мира: учеб. пособие / М. Б. Иг-

натьев. – СПб.: ГУАП, 2010. – 416 с.: ил. ISBN 978-5-8088-0581-1

Пособие посвящено вопросам и перспективам развития кибернетики, информатики и системного анализа, особый упор делается на еще не решенные проблемы. Рассматриваются эволюция картины мира в связи с развитием науки и техники, новые методы моделирования сложных систем, робототехнические системы, вычислительные системы и сети, технология виртуальных миров. Книга опирается на универсальный способ моделирования – лингво-комбинаторное моделирование слабо формализованных систем.

Учебное пособие может быть использовано при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по дисциплинам «История и методология развития вычислительной техники и информатики» и «Современные проблемы информатики».

УДК 004.9 ББК 32.81

ISBN 978-5-8088-0581-1	© Санкт-Петербургский государственный
	университет аэрокосмического
	приборостроения (ГУАП), 2010
	© М. Б. Игнатьев, 2010

«Есть многое на свете, друг Горацио, что недоступно нашим мудрецам».

У. Шекспир

ПРЕДИСЛОВИЕ

Преподавание дисциплин «История и методология развития вычислительной техники и информатики» и «Современные проблемы информатики» является важным элементом подготовки специалистов в области информационных технологий в условиях их быстрого развития, когда компьютер стал самой распространенной машиной и сложился сетевой человекомашинный интеллект. Имеется ряд книг по истории развития вычислительной техники, среди которых следует особо отметить монографию коллектива авторов под редакцией В. С. Бурцева, изданную к 100-летию С. А. Лебедева (Сергей Алексеевич Лебедев. – М.: Физматлит, 2002. – 440 с.). Но в настоящее время отсутствует обобщающее учебное пособие по вышеуказанным дисциплинам, которые опираются на системный анализ, кибернетику и информатику. Попытку восполнить этот пробел делает автор в данном пособии.

Основополагающие модели системного анализа вольно или невольно заимствованы из трех областей – биологии, экономики и анализа языка. В биологической проекции человекомашинные структуры выступают как структуры, имеющие функции, получающие раздражения (как физиологические, так и социальные, межчеловеческие, культурные) и отвечающие на них, приспосабливающиеся, развивающиеся, подчиняющиеся требованиям своего времени и окружения, имеющие определенные условия существования и возможность определить средние нормы приспособления, позволяющие им функционировать.

Вэкономической проекции человекомашинные структуры выступают как нечто, имеющее потребности и желания, ищущее их удовлетворения и имеющее интересы, добивающееся выгоды, противопоставляющее себя другим структурам, что проявляется в предельной ситуации конфликта. В результате устанавливается совокупность правил, которые одновременно являются и ограничениями, и средствами преодоления конфликтов.

Вязыковой проекции человекомашинное поведение проявляется в своей нацеленности на высказывание чего-то, и все, даже са-

3

мые незначительные жесты, получает смысл. Все, что окружает человекомашинные системы: объекты, ритуалы, привычки, речь, – вся эта сетка следов складывается в связный ансамбль, в систему знаков.

Таким образом, эти три пары: функция и норма, конфликт и правило, значение и система – покрывают область человекомашинных структур, области применения и развития компьютеров.

Пособие состоит из пяти глав.

В первой главе «Научная картина мира и ее эволюция» рассматриваются основные этапы эволюции картины мира вплоть до лингвистического поворота, который четко обозначился в конце ХХ в.

Вторая глава «Моделирование слабо формализованных систем» является центральной в пособии и базируется на разработанном автором лингво-комбинаторном подходе к рассмотрению различных сложных систем.

Третья глава посвящена робототехнике и искусственному интеллекту и отражает опыт автора в этой области, который с 1972 по 1991 г. был заместителем главного конструктора ГКНТ СССР по робототехнике.

Вчетвертой главе рассматривается эволюция вычислительных систем и сетей на протяжении шести поколений с учетом опыта автора в разработках многопроцессорных рекурсивных машин.

Пятая глава посвящена отдельным аспектам построения и использования технологии виртуальных миров, она развивает материал коллективной монографии «Архитектура виртуальных миров» под редакцией М. Б. Игнатьева, А. В. Никитина и А. Е. Войскунского, вышедшей в 2009 г.

Вприложении приводится важный учебный материал. Вопервых, обзор развития бортовых вычислительных систем, написанный ведущими специалистами фирмы «Электроавтоматика». Во-вторых, статья по моделированию такой сложной системы как озеро. В-третьих, текст доклада по рекурсивным машинам, сделанный в 1974 г. в Стокгольме на конгрессе ИФИП, что было первым анонсированием советского компьютерного проекта на международном уровне и послужило основой сотрудничества с американ-

ской фирмой Control Data Corporation.

Настоящая книга написана как пособие при изучении курсов «История и методология развития вычислительной техники и информатики» и «Современные проблемы информатики», кото-

4

рые автор на протяжении ряда лет читал студентам-магистрантам 5-го курса Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения. В книге в основном отражаются нерешенные проблемы кибернетики, информатики и системного анализа, чтобы побудить студентов к разработке и исследованию нового.

Автор будет благодарен за замечания по существу затронутых вопросов, которые можно присылать по адресам E-mail: kira@ robotek.ru, [e-mail]

Автор благодарит ректора ГУАП А. А. Оводенко, проректора В. И. Хименко, профессоров Л. А. Мироновского, В. В. Михайлова, М. Б. Сергеева, Ю. Е. Шейнина, А. П. Шепету и всех сотрудников кафедры вычислительных систем и сетей за поддержку работы на различных этапах.

5

Введение

Электронные вычислительные машины появились в конце 40 – начале 50-х гг. ХХ в. сразу в нескольких странах – в США, Советском Союзе, Великобритании и др. За прошедшие пятьдесят лет параметры ЭВМ улучшились в миллион раз: увеличилось их быстродействие, выросли объемы памяти, уменьшились габариты, энергопотребление, стоимость. Сегодня компьютер – это самая распространенная машина в мире, которая эффективно используется во всех сферах человеческой деятельности. Но информатика и вычислительная техника возникли не на пустом месте, а на мощном фундаменте человеческой культуры, науки и техники. Для того чтобы понять феномен возникновения и развития информатики

ивычислительной техники и определить их перспективы развития, необходимо разобраться в том, что такое сложные системы и как они развиваются во времени и пространстве, что такое параллельные миры. Ключевым понятием теории и практики сложных систем является самоорганизация. На основе компьютерных сетей осуществляется новый этап самоорганизации человеческого общества. Дух нашего времени пронизан идеей самоорганизации в самых разных аспектах, и автор надеется, что ему удалось отразить этот дух времени, Zeitgeist. Главная цель настоящей работы – подвести читателя к обсуждению еще не решенных задач

ипроблем.

В1948 г. вышла книга Норберта Винера «Управление и связь в животном и машине», а в 1950 г. – его же книга «Кибернетика и общество», что знаменовало новый этап развития наук об управлении. В различных странах в зависимости от идеологии и социальноэкономического развития отношение к кибернетике было различным. На первых порах отношение к кибернетике в СССР было отрицательным, в философском словаре она была названа «лженаукой». Лишь в конце 50-х гг. отношение к ней сменилось на восторженное. В этом заключается особенность развития кибернетики в нашей стране. В ноябре 1956 г. возникла секция кибернетики в Ленинградском доме ученых им. М. Горького. Это была первая общественная организация по кибернетике в СССР – только в 1959 г. возник в Москве совет по кибернетике при Президиуме АН СССР во главе с адмиралом А. И. Бергом. Первым председателем секции кибернетики был профессор Л. В. Канторович, будущий академик АН

СССР, лауреат Нобелевской премии по экономике. И это не было

6

случайностью – впоследствии именно лауреаты Нобелевских премий по экономике внесли наибольший вклад в кибернетику.

Если говорить об этапах развития кибернетики, то следует заметить, что впервые термин «кибернетика» был введен французским ученым Андре Мари Ампером (1775–1836) в его книге «Опыт философских наук или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний» (1834 г.). В этой книге он высказал предположение, что со временем возникнет особая наука «кибернетика» об общих закономерностях процессов управления и связи в организованных системах. Он отнес ее к группе политических наук, куда входили физико-социальные науки (социальная экономика и наука об общественном благополучии), военные науки (гоплетика – наука о вооружениях и собственно военное дело), этногенические науки (номология – правоведение, учение о праве, законодательство, политика – права народов и собственно политика). Следует отметить, что в 1830 г. Ампер был избран в число иностранных членов Императорской Академии наук в СанктПетербурге.

В 1832 г. иностранным членом Императорской Академии наук в Санкт-Петербурге был избран Чарльз Беббидж (1791–1871), английский математик, который разработал фактически первую универсальную «аналитическую» вычислительную машину.

Х. Г. Кранцентштейн (1723–1795), известный датский физик, механик и медик, впервые в мире построил механическую машину, моделирующую работу речевого тракта. С 1748 по 1753 г. он работал в Санкт-Петербурге после избрания в 1748 г. действительным членом Императорской Академии наук.

Совсем недавно выяснилось, что в далеком 1832 г. Семен Николаевич Корсаков написал интересную статью о классифицирующих логических машинах. С. Н. Корсаков служил в должности коллежского советника в статистическом отделении Министерства внутренних дел, его ценил Николай I. Немецкие ученые считают Корсакова русским пионером искусственного интеллекта.

Конечно, проблемы управления волновали многих и до Ампера, логистика сложилась еще в Древней Греции и Древнем Риме, и поэтому логично говорить о доамперовском периоде развития наук об управлении и связи. В этом периоде необходимо отметить работы Раймонда Луллия по структурному анализу общества и первой логической машине и Готфрида Лейбница по монадологии, которые во многом предвосхитили работы по многоагентным системам.

7

Второй период развития кибернетики – от Ампера до Винера, когда Д. И. Менделеев осуществил прорыв в системном анализе, построив периодическую систему элементов, когда А. С. Поповым было изобретено радио, когда были реально созданы сложные системы автоматического регулирования и т. д.

В 1833 г. профессор Кембриджского университета Ч. Беббидж разработал проект «аналитической машины» – гигантского арифмометра с программным управлением, арифметическими и запоминающими устройствами. В качестве первого программиста этой машины выступила леди Лавлейс, дочь поэта Байрона. Однако тогда полностью этот проект осуществить не удалось из-за недостаточного развития техники.

Здесь необходимо отметить нашего соотечественника И. А. Вышнеградского, который разработал теорию регуляторов прямого действия и сформулировал условие устойчивости системы регулирования. И. А. Вышнеградский, будучи министром финансов России, добился балансировки бюджета и укрепления курса рубля. Также необходимо отметить работы А. Пуанкаре по качественной теории дифференциальных уравнений. В биологии благодаря работам И. М. Сеченова и И. П. Павлова возникло четкое представление об организме как саморегулирующейся системе. Окончание второго периода развития кибернетики ознаменовано началом атомной и космической эры.

Третий период – от Винера, когда именно в конце 40 – начале 50-х гг. ХХ в. появились электронные вычислительные машины и четко обозначились поколения ЭВМ, появились реально действующие роботы, была определена структура гена и введено понятие мема. За 50 лет возникли мощные вычислительные сети, которые интегрируют все остальные средства коммуникации. Компьютерная инфраструктура продолжает развиваться. Практика создания и применения компьютеров значительно опережает теорию. В этих условиях говорить о теоретических основах информатики сложно, но, с другой стороны, имеется много примеров неэффективного применения компьютеров, и необходимость выработки теоретических основ становится все острее.

Четвертый период начался в 2000 г., когда стало ясно, что существующие модели в различных отраслях науки и техники недостаточно отражают информационно-управляющие свойства структур. По сути, люди пользуются моделями XIX в. Этот период характеризуется провозглашением новой стратегической компьютерной

8

инициативы США в XXI в., в которой предлагается новая трактовка структуры предметной области, Computational Science, которая должна объединить Algorithms, Modeling & Simulation, Computer Science& Information Science и Computing Infrastructure, а главной задачей определяется проведение научных исследований в широком диапазоне – от биофизических процессов до исследования фундаментальных физических основ формирования Вселенной. В российской и европейской традиции все эти направления в настоящее время объединяются под названием «информатика» в расширительной трактовке.

Эта книга написана в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения (ГУАП), который ранее назывался Ленинградским институтом авиационного приборостроения (ЛИАП) и был основан в январе 1941 г., что было необходимо для подготовки кадров в области авиации в условиях надвигающейся войны. Но уже тогда ЛИАП привлекался для разработки перспектив освоения космоса. Летом 1945 г. состоялась Потсдамская конференция победителей над фашистской Германией, в конце этой конференции И. В. Сталин предложил обсудить планы освоения Луны, рядом с ним стояли два порученца с папками соответствующих материалов – это были представители ЛИАП. Но тогда наши союзники заявили, что они не готовы рассмотреть эти космические проблемы и предложили их отложить на будущее, но уже в августе 1945 г. были сброшены атомные бомбы на Японию, началась новая гонка вооружений и холодная война. Космос стал ареной соперничества США и СССР, который первым запустил спутник, и наш Ю. Гагарин был первым человеком, который побывал в космосе. Сотрудники ЛИАП участвовали во многих советских космических программах, в том числе и лунной – по заказу фирмы В. П. Бармина была разработана и изготовлена шестиногая шагающая машина с компьютерным управлением для освоения Луны.

В настоящее время в связи с построением информационного общества возникают совершенно новые фундаментальные проблемы по исследованию мироздания. Все большую роль начинают играть работы наших ученых – В. И. Вернадского, К. Э. Циолковского, А. Л. Чижевского и др. Родилось представление о том, что Вселенная – это модель внутри большого суперкомпьютера, что позволяет использовать структурные достижения компьютерной техники для объяснения сложных космических проблем.

9

Существует много определений, что такое кибернетика и информатика. Например, Ю. И. Журавлев и И. Б. Гуревич определяют кибернетику как науку об управлении, изучающую главным образом математическими методами общие законы получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах (БРЭ. Т. 13. С. 629). Кибернетику, информатику, синергетику и системный анализ изучают в одной связке, они возникли на стыке различных наук, основой их развития являются междисциплинарные исследования, именно широкой междисциплинарностью отмечена работа секции кибернетики Дома ученых им. М. Горького РАН с момента ее возникновения. Многие аспекты настоящей книги прошли апробацию на семинарах этой секции и семинарах научного совета РАН по методологии искусственного интеллекта, а также на различных международных конференциях.

10