Вопрос 2.
Кибернетика, характеристика её основных разделов.
Этапы развития кибернетики.
I. Понятие и предмет кибернетики
Кибернетика – это наука об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации.
Предмет исследования кибернетики – так называемые кибернетические системы, которые рассматриваются абстрактно от их материальной природы. Можно привести следующие примеры кибернетических систем:
- автоматические регуляторы в технике,
- ЭВМ,
- мозг человека или животных,
- биологическая популяция,
- социум.
«Кибернетика» переводится с древнегреческого как «искусство управления». Сущность принципа управления заключается в том, что движение и действие больших масс или передача и преобразование больших количеств энергии направляется и контролируется при помощи небольших количеств энергии, несущих информацию. Этот принцип управления лежит в основе организации и действия любых управляемых систем.
Основным техническим средством для решения всех указанных задач являются ЭВМ. Поэтому развитие кибернетики и в теории, и на практике тесно связано с прогрессом электронной вычислительной техники.
II. Характеристика основных разделов кибернетики
Кибернетика состоит из следующих разделов:
1) Теория информации, которая тесно связана с такими разделами математики как теория вероятностей и математическая статистика, а также прикладная алгебра, которые предоставляют для нее математический фундамент. С другой стороны, теория информации исторически и практически представляет собой математический фундамент теории связи. Часто теорию информации вообще рассматривают как одну из ветвей теории вероятностей или как часть теории связи. Таким образом, предмет «Теория информации», условно говоря, находится между математикой и прикладными аспектами теории связи.
2) Теория алгоритмов, которая служит для нахождения наиболее общих принципов построения алгоритмов. Она стремится по возможности уменьшить число типов элементарных операций и сделать их достаточно мелкими. Возникающие таким образом алгоритмические языки удобно использовать в качестве объекта теоретического исследования. В то же время прикладное направление теории алгоритмов имеет дело с алгоритмическими языками, специально ориентированными на те или иные классы практических задач. Имеются языки, ориентированные на задачи вычислительного характера, на формульные преобразования, на обработку графической информации и т. д.
3) Теория автоматов, которая выясняет следующие вопросы:
- описание преобразований, происходящих в автоматах и числа их состояний;
- решение задачи о построении автомата, эквивалентного данному, но с иным (обычно меньшим) количеством состояний);
- решение задачи о «чёрном ящике» – важный прикладной аспект практической эксплуатации устройств, в частности, их технической диагностики;
- синтез автоматов – выделение структурных элементов автоматов и определение правил построения их них сложных устройств, в частности, компьютеров.
4) Исследование операций — дисциплина, занимающаяся разработкой и применением методов нахождения оптимальных решений на основе математического моделирования, статистического моделирования и различных эвристических подходов в различных областях человеческой деятельности. Можно выделить следующие примеры задач, с которыми имеет дело теория исследования операций:
- задача о ранце;
- задача коммивояжёра;
- транспортная задача;
- задача об упаковке в контейнеры;
5) Теория оптимального управления. Оптимальное управление — раздел математики, изучающий неклассические вариационные задачи. В отличие от классических вариационных задач, где управляющие параметры меняются в некоторой открытой области (без границы), теория оптимального управления охватывает и тот случай, когда управляющие параметры могут принимать и граничные значения. Для новейшей техники и современного высокомеханизированного и автоматизированного производства характерно стремление выбирать наилучшую программу действий, наиболее рационально использовать имеющиеся ресурсы. Именно эти конкретные технические задачи стимулировали разработку теории оптимального управления, оказавшейся математически очень содержательной и позволившей решить многие задачи, к которым классические методы были неприменимы. Интенсивное развитие теории оптимального управления, в свою очередь, оказалось мощным фактором, способствующим успешному решению научно-технических и народнохозяйственных задач.
6) Теория распознавания образов – научное направление, связанное с разработкой принципов и построением систем, предназначенных для определения принадлежности данного объекта к одному из заранее выделенных классов объектов. Наглядный пример – системы оптического распознавания текстов.
В прикладном плане кибернетику принято делить в соответствии с теми или иными конкретными типами изучаемых ею кибернетических систем.
Так, техническая кибернетика имеет в качестве своего основного объекта автоматизированные системы управления технологическими процессами, системы автоматического управления различными машинами и механизмами.
Биологическая кибернетика изучает объекты живой природы от отдельной клетки до целых популяций и биологических сообществ. Ее отличие от других биологических дисциплин состоит в том, что она рассматривает объект изучения в кибернетическом аспекте как кибернетическую систему и концентрирует свое внимание на происходящих в таких системах различного рода процессах преобразования информации и управления.
Медицинская кибернетика изучает человеческий организм в патологии и использует ЭВМ и другие технические . средства для автоматизации различных информационных процессов в медицине (автоматическая диагностика, автоматизация анамнеза и др.).
Экономическая кибернетика изучает экономические системы, занимается вопросами автоматизации управления отдельными элементами экономики и всей экономикой в целом.
III. Этапы развития кибернетики
Всю историю развития кибернетики можно разделить на несколько этапов:
1 этап. Сюда можно отнести всё, что происходило до появления теории дискретных преобразований информации:
1. Общефилософское понимание термина «кибернетика» как управления в общем смысле. Связано с именем древнегреческого философа Платона.
2. Механическое управление игрушками и техническими устройствами.
Еще в средние века в Европе стали создаваться так называемые андроиды — человекоподобные игрушки, представлявшие собой механические программно управляемые устройства.
Позднее в связи с изобретением паровой машины возникла необходимость создать промышленные регуляторы уровня воды в паровом котле и скорости вращения вала паровой машины. Эти устройства были изобретены Ползуновым и Уаттом.
3. Применение электромеханических и электронных устройств. Начиная со второй половины XIX в. требовалось построение все более и более совершенных автоматических регуляторов. Наряду с механическими блоками в них все больше и больше начинают применяться электромеханические и электронные блоки.
Существенную роль в развитии теории и практики автоматического регулирования сыграло изобретение в 1925г. дифференциальных анализаторов, способных моделировать и решать системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Они положили начало быстрому развитию аналоговой вычислительной техники и ее широкому проникновению в автоматику.
4. Немалое влияние на становление кибернетики оказали успехи нейрофизиологии и особенно классические труды И. П. Павлова по условным рефлексам
2 этап. Начало теории дискретных преобразований.
К началу XX в. были созданы первые образцы электромеханических счетно-аналитических машин, позволяющих автоматизировать простейшие преобразования дискретной информации.
В 30-х годах XX столетия все большее влияние на становление кибернетики начинает оказывать развитие теории дискретных преобразователей информации. Сюда можно отнести:
- создание основ современной математической логики;
- создание основ современной теории алгоритмов;
- появление машины Тьюринга;
- идея Геделя об ограниченности возможностей замкнутых познающих систем;
Резкое усиление интереса к теории дискретных преобразователей информации в 30-х годах было обусловлено необходимостью создания сложных релейно-контактных устройств прежде всего для нужд автоматических телефонных станций. В 1938 г. К. Шеннон (а в 1941 г. В. И. Шестаков) показал возможность использования для синтеза и анализа релейно-контактных схем аппарата математической логики. Тем самым было положено начало развитию современной теории автоматов.
3 этап. Решающее значение для становления кибернетики было создание в 40-х годах XX в. электронных вычислительных машин.
Благодаря ЭВМ возникли принципиально новые возможности для исследования и фактического создания действительно сложных управляющих систем. Оставалось дать название новой науке об управлении и связи, которая объединила бы весь полученный к этому времени материал. Этот шаг был сделан Н. Винером, опубликовавшем в 1948 г. свою знаменитую книгу под названием «Кибернетика».
В нашей стране в 50-е годы кибернетика была объявлена лженаукой и была практически запрещена, что не мешало, однако, развиваться всем ее важным разделам.
