И.Н. Бекман
ИНФОРМАЦИЯ, ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лекция 1. ИНФОРМАЦИЯ И НАУКИ О НЕЙ
4. Кибернетика
Довольно долго (особенно в России) под информационными технологиями понимали кибернетику, так что даже историю развития информатики излагали как историю кибернетики. Теперь, однако, информационная технология и кибернетика размежевались окончательно.
Кибернетика (от греч. Κυβερνήτης – «кормчий», «искусство управления», – «правлю рулём, управляю») – наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе.
В теории информации термин кибернетика впервые был предложен Норбертом Винером в 50-х годах, который определял её как «науку о связи и управлении в машине и организме». С. Бир назвал её наукой эффективной организации, а Г. Пак расширил определение, включив потоки информации «во все медиа», начиная с Галактик и заканчивая мозгом.
-
Замечание. Слово "кибернетика" сначала упоминалось в контексте «исследования самоуправления» Платоном в «Законах», для обозначения управления людьми. Слово «cybernétique» применялось почти в современном значении в 1830 французским физиком, систематизатором наук Андре Ампером (1775–1836), для обозначения науки управления в его системе классификации человеческого знания.
Кибернетика включает изучение обратной связи, чёрных ящиков, и производных концептов, таких как управление и коммуникация в живых организмах, машинах и организациях, включая самоорганизации. Она фокусирует внимание на том, как что-либо (цифровое, механическое или биологическое) обрабатывает информацию, реагирует на неё и изменяется или может быть изменено, для того чтобы лучше выполнять первые две задачи. Философское определение кибернетики описывает кибернетику как «искусство обеспечения эффективности действия». Кибернетика соединяет системы управления, теории электрических цепей, машиностроения, логического моделирования, эволюционной биологии, неврологии, антропологии, и психологии, теорию игр, теорию систем, психологию (особенно такие её разделы, как нейропсихология и познавательная психология), философию, и архитектуру. Интересно, что термин информация в определениях кибернетики вообще никак не участвует, хотя, конечно, информация в кибернетике присутствует.
Кибернетика – междисциплинарные исследования структуры регулирующих систем.
Кибернетика близко связана с теорией управления и теорией систем. Она применима к физическим, биологическим и социальным системам. Кибернетика полезна, когда система вовлечена в замкнутую цепь сигнала, где действие системы вызывает некоторое изменение в окружающей среде, а это изменение проявляется на системе через информацию/обратную связь, что вызывает изменения в поведении системы. Эти «круговые причинные» отношения необходимы и достаточны с точки зрения кибернетики. ки.
Согласно современному определению, кибернетика – наука об управлении, связи и переработки информации. Основной объект исследования – кибернетическая система, рассматриваемая абстрактно, вне зависимости от её материальной сущности. Примеры кибернетических систем – автоматические регуляторы в технике, компьютеры, человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество. Каждая такая система представляет собой множество взаимосвязанных объектов, способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею. Теоретическое ядро кибернетики составляют теория информации, теория алгоритмов, теория информации, исследование операций, теория оптимального управления, теория распознавания образов. Кибернетика разрабатывает общие принципы создания систем управления и систем для автоматизации умственного труда. Основные технические средства для решения задач управления – компьютеры. Поэтому возникновение кибернетики как науки связано с созданием в 40-х гг. 20 в этих машин, а её развитие в теоретических и практических аспектах – с прогрессом вычислительной техники.
Обратная связь в кибернетике, теории управления, радиотехнике – это процесс, приводящий к тому, что результат функционирования какой-либо системы влияет на параметры, от которых зависит функционирование этой системы. Здесь на вход системы подаётся сигнал, пропорциональный её выходному сигналу (или являющийся функцией этого сигнала). Часто это делается преднамеренно, чтобы повлиять на динамику функционирования системы. Обратные связи применяются в самых различных областях, включая электронику, экономию, биологию и т. п. Различают положительную и отрицательную обратную связь. Отрицательная обратная связь изменяет входной сигнал таким образом, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Это делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Положительная обратная связь, наоборот, усиливает изменение выходного сигнала. Системы с сильной положительной обратной связью проявляют тенденцию к неустойчивости, в них могут возникать незатухающие колебания, т.е. система становится генератором.
Чёрный ящик – термин, используемый для обозначения системы, механизм работы которой очень сложен, неизвестен или неважен в рамках данной задачи. Такие системы имеют «вход» для ввода информации и «выход» для отображения результатов работы. Состояние выходов обычно функционально зависит от состояния входов. Если механизм работы неважен, то зависимость результатов от входных данных известна; концепция чёрного ящика при этом используется, чтобы не отвлекаться на внутреннее устройство. Однако такой подход может дать ошибку при использовании устройства на пределе его возможностей. Важно, что если два "чёрных ящика" взаимодействуют между собой, то делают они это только путем обмена информацией.
Теория управления – наука о принципах и методах управления различными системами, процессами и объектами.
Кибернетика – прикладная информатика в области создания и использования автоматических систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом (станком, промышленной установкой, автомобилем и т. п.) до управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, системами связи и даже сообществами людей. Кибернетика установила, что управление присуще только системным объектам, главное в которых торых антиэнтропийность, т.е. направленность на упорядочение системы.
Процесс управления можно разделить на несколько этапов: сбор и обработка информации; анализ, систематизация, синтез; постановка на этой основе целей; выбор метода управления, прогноз; внедрение выбранного метода управления; оценка эффективности выбранного метода управления (обратная связь). Конечной целью теории управления является универсализация, а значит согласованность, оптимизация и наибольшая эффективность функционирования систем.
В системно-кибернетическом подходе информация рассматривается в контексте трёх фундаментальных аспектов: информационном, связанном с реализацией в системе совокупности процессов отражения внешнего мира и внутренней среды системы путём сбора, накопления и переработки сигналов; управленческом, учитывающем процессы функционирования системы, направления её движения под влиянием полученной информации и степень достижения своих целей; организационном, характеризующем устройство системы управления в терминах её надежности, живучести, полноты реализуемых функций, совершенства структуры и эффективности затрат на осуществление процессов управления в системе.
Наряду с идеей об универсальности схем управления в кибернетике развиваются и другие идеи: идея универсальной символики, идея логического исчисления, идея измерения информации через понятия вероятностной и статистической (термодинамической) теорий. В состав технической кибернетики входит теория автоматического управления, которая стала теоретическим фундаментом автоматики. Ведущее место в кибернетике занимает распознавание образов. Основная задача этой дисциплины – поиск решающих правил, с помощью которых можно было бы классифицировать многочисленные явления реальности, соотносить их с некоторыми эталонными классами. Распознавание образов – это пограничная область между кибернетикой и искусственным интеллектом, ибо поиск решающих правил чаще всего осуществляется путём обучения, а обучение – интеллектуальная процедура.
Ещё одно научное направление связывает кибернетику с биологией. Аналогии между живыми и неживыми системами многие столетия волнуют учёных. Насколько принципы работы живых систем могут быть использованы в искусственных объектах? Ответ на этот вопрос ищет бионика – пограничная наука между кибернетикой и биологией. В свою очередь, нейрокибернетика пытается применить кибернетические модели в изучении структуры и действия нервных тканей. Недавно в кибернетике возникла – гомеостатика, изучающая равновесные состояния сложных взаимодействующих систем различного типа: биологические, социальные, автоматические системы и др. Наконец, математическая лингвистика занимается исследованием особенностей естественных языков, а также грамматик, позволяющих формализовать синтаксис и семантику таких языков. Это направление актуально в связи с развитием систем машинного перевода текстов с одних языков на другие.