1.2. Основные идеи и представления кибернетики
Рассмотрим различного рода системы, представляющие на первый взгляд смесь различных и далеко отстоящих друг от друга предметов и явлений. В мире есть «самодействующие» физические системы (от атома до планетарных систем и звездных ассоциаций), химические системы (например, органические соединения, биополимеры), биологические системы (растения, животное, человек), социальные системы (коллективы, отрасли производства, народное хозяйство, общество в целом). На самом деле, во всех этих системах есть общие свойства: способность к самодействию, подчиненность законам управления, процессы переработки информации, способность к самонастройке и самоорганизации и др. Изучением процессов управления и переработки информации в природе, обществе и технике и занимается наука кибернетика.
«Кибернетический» подход к системам характеризуется рядом понятий. Основные понятия кибернетики: управление, управляющая система, управляемая система, организация, обратная связь, алгоритм, модель, оптимизация, сигнал и др. Рассмотрим основные из них.
Понятие сложной системы. Прежде, чем определить специфику сложной системы, рассмотрим сначала понятия системы и структуры.
Система (от греч. sysntema — целое, составленное из частей; соединение) -- множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство. Выделяют материальные и абстрактные системы. Первые разделяются на системы неорганической природы (физические, геологические, химические и др.) и живые системы (простейшие биологические системы, организмы, популяции, виды, экосистемы); особый класс материальных живых систем — социальные системы (от простейших социальных объединений до социально-экономической структуры общества). Абстрактные системы — понятия, гипотезы, теории, научные знания о системах, лингвистические (языковые), формализованные, логические системы и другие.
Структура (от лат. structura — строение, расположение, порядок), совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т. е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. Структура является необходимой характеристикой любой системы. Чем сложнее система, тем сложнее и её структура.
Сложная система – это составной объект, части которого можно рассматривать как отдельные системы, объединенные в единое целое в соответствии с определенными принципами или связанные между собой заданными отношениями. Части сложной системы (подсистемы) можно расчленить (часто лишь условно) на более мелкие подсистемы и т. д., вплоть до выделения элементов сложной системы, которые либо объективно не подлежат дальнейшему расчленению, либо относительно их неделимости имеется договоренность. Свойства сложной системы в целом определяются как свойствами составляющих ее элементов, так и характером взаимодействия между ними. Примеры сложной системы: предприятие, энергосистема, ЭВМ, система регулирования уличного движения, междугородная телефонная сеть. Основной метод исследования сложной системы — моделирование, в том числе имитация процессов функционирования сложной системы на ЭВМ.
Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая механика, изучающая законы микромира, нелегки для понимания, и, тем не менее, они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания считаются простыми. Простыми в том смысле, что в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношение между ними поддается математической обработке и выведению универсальных законов.
Однако, помимо простых, существуют сложные системы, которые состоят из большого числа переменных и, стало быть, большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее поддается предмет исследования достижению конечного результата — выведению закономерностей функционирования данного объекта. Трудности изучения данных систем связаны и с тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы.
Такие сложные системы изучает, например, метеорология — наука о климатических процессах. Именно потому, что метеорология изучает сложные системы, процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, почему мы точно можем определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, но не можем точно предсказать погоду на завтра? Потому, что климатические процессы представляют гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними.
Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Среди всех сложных систем наибольший интерес представляют системы с так называемой «обратной связью».
Понятие управления. Для систем любой природы понятие «управление» можно определить следующим образом: управление -- это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся для этого информации из множества возможных воздействий, улучшающее его функционирование или развитие. Или, управление – это процесс информационного воздействия управляющего устройства на исполнительное.
Конкретная природа управляющих и исполнительных устройств может быть различной, но принципиальная схема процессов управления оказывается одинаковой. Простейшие примеры – регулятор Уатта, управляющий работой паровой машины, термостат. В живых организмах имеется множество различных механизмов саморегуляции (например, механизм, поддерживающий в нужных концентрациях содержание глюкозы в крови и т. п.).
Любое управляющее устройство (УУ) должно иметь чувствительный элемент или входное устройство, с помощью которого УУ воспринимает сведения или информацию, например, о состоянии исполнительного устройства (ИУ). Роль такого устройства в приведённых выше примерах выполняют либо подвижные грузики, либо термопара, либо интерорецепторы. Также УУ должна иметь механизм преобразования информации (открытие и закрытие клапана; генерирование ЭДС термопарой; преобразование печенью гликогена в глюкозу) и механизм передачи преобразованной информации от УУ к ИУ, для чего оно должно включать в себя выходное устройство. Исполнительной устройство также имеет вход и выход.
Процесс управления в общем виде может быть представлен схематически:
УУ ИУ
С выхода УУ подаётся управляющий сигнал на вход ИУ. На выходе ИУ можно наблюдать поведение объекта управления, т.е. серию действий ИУ. При этом под поведением в кибернетике понимается любое изменение отношения объекта управления к окружающей среде. Поведение объекта можно разделить на два вида – целенаправленное и нецеленаправленное.
У управляемых систем всегда существует некоторое множество возможных изменений, из которого производится выбор предпочтительного изменения. Если у системы нет выбора, то не может быть и речи об управлении.
Есть существенная разница между работой дачника, орудующего лопатой, и манипуляциями регулировщика – «гибэдэдэшника» на перекрестке улиц. Первый оказывает на орудие силовое воздействие, второй -- управляет движением автомобилей. Управление -- это вызов изменений в системе или перевод системы из одного состояния в другое в соответствии с объективно существующей или выбранной целью. Управлять -- это и предвидеть те изменения, которые произойдут в системе после подачи управляющего воздействия (сигнала, несущего информацию).
Всякая система управления рассматривается как единство управляющей системы (субъекта управления) и управляемой системы -- объекта управления. Управление системой или объектом всегда происходит в какой-то внешней среде. Поведение любой управляемой системы всегда изучается с учетом ее связей с окружающей средой. Поскольку все объекты, явления и процессы взаимосвязаны и влияют друг на друга, то, выделяя какой-либо объект, необходимо учитывать влияние среды на этот объект и наоборот. Свойством управляемости может обладать не любая система. Необходимым условием наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей управления является ее организованность.
Чтобы управление могло функционировать, то есть целенаправленно изменять объект, оно должно содержать четыре необходимых элемента:
Каналы сбора информации о состоянии среды и объекта.
Канал воздействия на объект.
Цель управления.
Способ (алгоритм, правило) управления, указывающий, каким образом можно достичь поставленной цели, располагая информацией о состоянии среды и объекта.
В целом, управление обеспечивает сложным системам сохранение их определенной структуры, поддержание режима деятельности, реализацию их программ.
Понятие пели, целенаправленности. Понятие целесообразности претерпело длительную эволюцию в истории человеческой культуры. Во времена господства мифологического мышления деятельность любых, в том числе неживых, тел могла быть признана целесообразной на основе антропоморфизма, т. е. приписывания явлениям природы причин по аналогии с деятельностью человека. Философ Аристотель в числе причин функционирования мира, наряду с материальной, формальной, действующей, назвал и целевую. Религиозное понимание целесообразности основывается на представлении о том, что Бог создал мир с определенной целью, и, стало быть, мир в целом целесообразен.
Научное понимание целесообразности строилось на обнаружении в изучаемых предметах объективных механизмов целеполагания. Поскольку в Новое время наука изучала простые системы, постольку она скептически относилась к понятию цели. Положение изменилось в XX веке, когда естествознание перешло к изучению сложных систем с обратной связью, так как именно в таких системах существует внутренний механизм целеполагания. Наука, которая первой начала исследование подобных систем, получила название кибернетики.
Основатель кибернетики Н. Винер писал, что «действие или поведение допускает истолкование как направленность на достижение некоторой цели, т.е. некоторого конечного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве и во времени с некоторым другим объектом или событием»3. Цель определяется как внешней средой, так и внутренними потребностями субъекта управления. Цель должна быть принципиально достижимой, она должна соответствовать реальной ситуации и возможностям системы (управляющей и управляемой). За счет управляющих воздействий управляемая система может целенаправленно изменять свое поведение. Целенаправленность управления биологических управляемых систем сформирована в процессе эволюционного развития живой природы. Она означает стремление организмов к их выживанию и размножению. Целенаправленность искусственных управляемых систем определяется их разработчиками и пользователями.
Целенаправленность поведения системы означает, что оно определяется заранее заданным (или известным) результатом, то есть конечным состоянием. Совершая произвольное действие, мы произвольно выбираем специфическую цель, а не специфическое движение. Так, решив взять стакан с водой и поднести его ко рту, мы не приказываем определённым мышцам сократиться в определённой последовательности и степени, мы просто задаёмся целью и реакция следует автоматически.
Многие виды механизмов и устройств функционируют нецеленаправленно. Например, часы: хотя они и характеризуются регулярным поведением, но нет такого специфического состояния к которому они бы стремились.
Активное поведение системы может быть случайным или целесообразным, если «действие или поведение допускает истолкование как направленное на достижение некоторой цели, т. е. некоторого конечного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве или во времени с некоторым другим объектом или событием. Нецеленаправленным поведением является такое, которое нельзя истолковать подобным образом»4.
Для обозначения машин с внутренне целенаправленным поведением был специально выкован термин «сервомеханизмы». Например, торпеда, снабженная механизмом поиска цели. Всякое целенаправленное поведение требует отрицательной обратной связи. Оно может быть предсказывающим или непредсказывающим. Предсказание может быть первого, второго и последующих порядков в зависимости от того, на сколько параметров распространяется предсказание. Чем их больше, тем совершеннее система.
Понятие обратной связи. Если мы ударим по бильярдному шару, то он полетит в том направлении, в котором мы его направили, и с той скоростью, с которой мы хотели. Полет брошенного камня тоже соответствует нашему желанию, если ничего не препятствует этому. Сам камень совершенно индифферентен по отношению к нам. Он не сопротивляется, если только не иметь в виду закона инерции.
Совсем иным будет поведение кошки, которая активно реагирует на наше воздействие. Так вот, если поведение объекта (поведением будем называть любое изменение объекта по отношению к окружающей среде) зависит от воздействия на него, мы говорим, что в такой системе имеется обратная связь — между воздействием и ее реакцией.
Поведение системы может усиливать внешнее воздействие: это называется положительной обратной связью. Если же оно уменьшает внешнее воздействие, то это отрицательная обратная связь. Особый случай — гомеостатические обратные связи, которые действуют, чтобы свести внешнее воздействие к нулю. Пример: температура тела человека, которая остается постоянной благодаря гомеостатическим обратным связям. Таких механизмов в живом теле огромное количество. Свойство системы, остающееся без изменений в потоке событий, называется инвариантом системы.
В любом нашем движении с определенной целью участвуют механизмы обратной связи. Мы не замечаем их действия, потому что они включаются автоматически. Но иногда мы пользуемся ими сознательно. Скажем, один человек предлагает место встречи, а другой повторяет: да, мы встречаемся там-то и во столько-то. Это обратная связь, делающая договоренность более надежной. Механизм обратной связи и призван сделать систему более устойчивой, надежной и эффективной.
В широком смысле понятие обратной связи «означает, что часть выходной энергии аппарата или машины возвращается на вход... Положительная обратная связь прибавляется к входным сигналам, она не корректирует их. Термин «обратная связь» применяется также в более узком смысле для обозначения того, что поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по отношению к некоторой специфической цели»5. Механизм обратной связи делает систему принципиально иной, повышая степень ее внутренней организованности и давая возможность говорить о самоорганизации в данной системе.
Управление по «принципу обратной связи» существует тогда, когда между воздействием внешней среды и реакцией системы устанавливается связь. Принцип обратной связи характеризует информационную и пространственно-временную зависимость в кибернетической системе. Если поведение системы усиливает внешнее воздействие, то мы имеем дело с положительной обратной связью, а если уменьшает -- то с отрицательной обратной связью. Понятие обратной связи имеет отношение к цели управления. Поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по отношению к стоящей цели. Яркий пример обратной связи -- работа термопары в холодильнике.
Активное целесообразное поведение подразделяют на два вида – с обратной связью (ОС) и без неё. При наличии ОС сигнал с выхода исполнительного устройства, несущий сообщение о поведении объекта управления, подаётся обратно на вход управляющего устройства:
УУ ИУ
В общем случае обратная связь устанавливается для того, чтобы УУ могло контролировать и регулировать поведение ИУ. Но иногда это нужно для того, чтобы знать, выполнена команда, переданная от УУ и ИУ, или нет. Это важно тогда, когда УУ и ИУ отстоят друг от друга на большое расстояние. Например, диспетчер на железнодорожной станции должен поднять семафор и разрешить движение поезда по рельсам. Для этого он нажимает на соответствующую кнопку пульта управления. Но может случиться, что на линии передачи командного сигнала произойдёт обрыв электроцепи, и тогда семафор не сработает, а диспетчер не будет знать об этом. Поэтому на семафоре устанавливается чувствительное устройство, например, электромагнитное реле, которое при поднятии семафора срабатывает и передаёт на пульт управления сигнал о выполнении команды. Аналогичный принцип применяется при получении отчётов об отправке СМС при пользовании мобильной связью, при работе электронной почты и пр.
Итак, все системы можно разделить на системы с обратной связью и без таковой. Наличие механизма обратной связи позволяет заключить о том, что система преследует какие-то цели, т. е. что ее поведение целесообразно.
Понятие информации. Управление -- информационный процесс. Информация – «пища», «ресурс» управления. Поэтому кибернетика есть вместе с тем наука, об информации, об информационных системах и процессах. Самый исходный смысл термина «информация» связан со сведениями, сообщениями и их передачей. Бурное развитие в нашем веке телефона, телеграфа, радио, телевидения и других средств массовой коммуникации потребовало повышения эффективности процессов передачи, хранения и переработки передаваемых сообщении информации. «Докибернетическое» понятие информации связано с совокупностью сведений, данных и знаний. Оно стало явно непонятным, неопределенным с возникновением кибернетики. Понятие информации в кибернетики уточняется в математических «теориях информации». Это теории статистической, комбинаторной, топологической, семантической информации.
В отечественной и зарубежной литературе предлагается много разных концепций (определений) информации:
информация как отраженное разнообразие;
информация как устранение неопределенности (энтропии);
информация как связь между управляющей и управляемой системами;
информация как преобразование сообщений;
информация как единство содержания и формы (например, мысль -- содержание, а само слово, звук -- форма);
информация -- это мера упорядоченности, организации системы в ее связях с окружающей средой (в этом смысле информация противоположна энтропии).
Общее понятие информации должно непротиворечиво охватывать все определения информации, все виды информации. К сожалению, такого универсального понятия информации еще не разработано.
Информация может быть структурной, застывшей, окостенелой. Например, в минералах, машинах, приборах, автоматических линиях. Любая машина -- это овеществленная научная и техническая информация, разум общества, ставший предметом. Информация может быть также функциональной, «актуальным управлением». Информация -- измеримая величина. Она измеряется в битах.
Каковы свойства информации? Первое -- способность управлять физическими, химическими, биологическими и социальными процессами. Там, где есть информация, действует управление, а там, где осуществляется управление, непременно наличествует и информация. Второе свойство информации -- способность передаваться на расстоянии (при перемещении инфоносителя). Третье -- способность информации подвергаться переработке. Четвертое -- способность сохраняться в течение любых промежутков времени и изменяться во времени. Пятое свойство -- способность переходить из пассивной формы в активную. Например, когда извлекается из «памяти» для построения тех или иных структур (синтез белка, создание текста на компьютере и т. д.).
В целом же, наиболее принято определение информации как меры организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности.
Информация существенно влияет на ускоренное развитие науки, систем управления, техники и различных отраслей народного хозяйства. Политика, политическое управление, экономика -- это концентрированная смысловая информация, т. е. такая, которая перерабатывается человеческим сознанием и реализуется в различных социальных сферах. Она обусловлена политическими, экономическими потребностями общества и циркулирует в процессе управления производством и обществом. Социальная информация играет огромную роль в обеспечении правопорядка, работы правоохранительных органов, в деле образования и воспитания подрастающих поколений. Информация -- неисчерпаемый ресурс общества. Информация -- первооснова мира, всего сущего. Современным научным обобщением всех информационных процессов в природе и обществе явилась информациология --генерализованная наука о природе информации и законах информации.
Использование понятий и идей кибернетики в вопросах физики, химии, биологии, социологии, психологии и других науках дали превосходные всходы, позволили глубоко продвинуться в сущность процессов, протекающих в неживой и живой природе. Нет никакого сомнения в том, что грядущий XXI век и прогресс естествознания и науки всей будет протекать по линии изучения закономерностей управляющих процессов в сложноорганизованных системах.