Искусство управления всем: что такое кибернетика и зачем она нужна

Сфера кибернетики

Объектом кибернетики являются все управляемые системы. Системы, не поддающиеся управлению, в принципе, не являются объектами изучения кибернетики. Кибернетика вводит такие понятия, как кибернетический подход, кибернетическая система. Кибернетические системы рассматриваются абстрактно, вне зависимости от их материальной природы. Примеры кибернетических систем — автоматические регуляторы в технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество. Каждая такая система представляет собой множество взаимосвязанных объектов (элементов системы), способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею.
Кибернетика разрабатывает общие принципы создания систем управления и систем для автоматизации умственного труда. Основные технические средства для решения задач кибернетики — ЭВМ. Поэтому возникновение кибернетики как самостоятельной науки (Н. Винер, 1948) связано с созданием в 40-х годах XX века этих машин, а развитие кибернетики в теоретических и практических аспектах — с прогрессом электронной вычислительной техники.

Кроме средств анализа, в кибернетике используются мощные инструменты для синтеза решений, предоставляемые аппаратами математического анализа, линейной алгебры, геометрии выпуклых множеств, теории вероятностей и математической статистики, а также более прикладными областями математики, такими как математическое программирование, эконометрика, информатика и прочие производные дисциплины.

Особенно велика роль кибернетики в психологии труда и таких её отраслях, как инженерная психология и психология профессионально-технического образования. Кибернетика — наука об оптимальном управлении сложными динамическими системами, изучающая общие принципы управления и связи, лежащие в основе работы самых разнообразных по природе систем — от самонаводящих ракет-снарядов и быстродействующих вычислительных машин до сложного живого организма.
Управление — это перевод управляемой системы из одного состояния в другое посредством целенаправленного воздействия управляющего.
Оптимальное управление — это перевод системы в новое состояние с выполнением некоторого критерия оптимальности, например, минимизации затрат времени, труда, веществ или энергии.
Сложная динамическая система — это любой реальный объект, элементы которого изучаются в такой высокой степени взаимосвязи и подвижности, что изменение одного элемента приводит к изменению других.

Направления

Кибернетика — более раннее, но всё ещё используемое общее обозначение для многих предметов. Эти предметы также простираются в области многих других наук, но объединены при исследовании управления системами.

Чистая кибернетика

Чистая кибернетика, или кибернетика второго порядка изучает системы управления как понятие, пытаясь обнаружить основные её принципы.

ASIMO использует датчики и интеллектуальные алгоритмы, чтобы избежать препятствий и перемещаться по лестнице

• Искусственный интеллект
• Кибернетика второго порядка
• Компьютерное зрение
• Системы управления
• Эмерджентность
• Обучающиеся организации
• Новая кибернетика
• Interactions of Actors Theory
• Теория общения

В биологии

Кибернетика в биологии — это исследование кибернетических систем в биологических организмах, изучающее то, как животные приспосабливаются к окружающей их среде, и, как информация в форме генов может перейти от поколения к поколению.
Также имеется второе направление — киборги.

Термический снимок пойкилотермного паука-птицееда на руке гомойотермного человека

• Биоинженерия
• Биологическая кибернетика
• Биоинформатика
• Бионика
• Медицинская кибернетика
• Нейрокибернетика
• Гомеостаз
• Синтетическая биология
• Системная биология

Теория сложных систем

Теория сложных систем анализирует природу сложных систем и причины, лежащие в основе их необычных свойств.

Способ моделирования сложной адаптивной системы

• Сложная адаптивная система
• Сложные системы
• Теория сложных систем

В вычислительной технике

В вычислительной технике методы кибернетики применяются для управления устройствами и анализа информации.

• Робототехника
• Система поддержки принятия решений
• Клеточный автомат
• Симуляция
• Компьютерное зрение
• Искусственный интеллект
• Распознавание объектов
• Система управления
• АСУ

В инженерии

Кибернетика в инженерии используется, чтобы проанализировать отказы систем, в которых маленькие ошибки и недостатки могут привести к сбою всей системы.

Искусственное сердце, пример биомедицинской инженерии.

• Адаптивная система
• Эргономика
• Биомедицинская инженерия
• Нейрокомпьютинг
• Техническая кибернетика
• Системотехника

Ссылки [ править ]

1. ^ Отт, Эдвард; Гребоги, Сельсо; Йорк, Джеймс А. (1990-03-12). «Управляя хаосом». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 64 (11): 1196–1199. Bibcode : . DOI : . ISSN   . PMID   .
2. Пирагаса, К. (1992). «Непрерывное управление хаосом с помощью саморегулирующейся обратной связи». Физика Буквы A . Elsevier BV. 170 (6): 421–428. Bibcode . DOI . ISSN .
3. Фрадков А.Л., Погромский А.Ю., . Сингапур: World Scientific Publ., 1998.
4. ^ Андриевский Б.Р. (2003). «Управление хаосом: методы и приложения. I. Методы». Автоматизация и телемеханика . Springer Nature. 64 (5): 673–713. DOI . ISSN .
5. ^ Андриевский, БР; Фрадков, АЛ (2004). «Контроль хаоса: методы и приложения. II. Приложения». Автоматизация и телемеханика . Springer Nature. 65 (4): 505–533. DOI . ISSN .
6. , второе полностью переработанное и дополненное издание, Редакторы: Э. Шоелл, Х. Г. Шустер. Вайли-ВЧ, 2007.
7. ^ Фрадков, Александр (1999). . Physica D: нелинейные явления . Elsevier BV. 128 (2–4): 159–168. Bibcode . DOI . ISSN .
8. Фрадков АЛ. Исследование физических систем по обратной связи. Автомат. Пульт дистанционного управления 60 (3): 471-483, 1999.
9. Leff HS и AFRex (ред.). Демон Максвелла 2: энтропия, классическая и квантовая информация, вычисления: 2-е издание. Институт физики. 2003 г.
10. Бутковский А.Г., Самойленко Ю.И. Управление квантово-механическими процессами. Дордрехт: Kluwer Acad. Опубл., 1990 (М .: Наука, 1984, с.
11. ^ Новиков И.И., Эффективность атомных электростанций, Атомная энергия 3 (11), 409—412, 1957; (Английский перевод: Nuclear Energy II 7. 125–128, 1958).
12. ^ Керзон, Флорида; Альборн, Б. (1975). «КПД двигателя Карно при максимальной выходной мощности». Американский журнал физики . Американская ассоциация учителей физики (AAPT). 43 (1): 22–24. Bibcode . DOI . ISSN .
13. Берри Р.С., Казаков В.А., Сиенютч С., Шваст З., Цирлин А.М. Термодинамическая оптимизация процессов с конечным временем. Вайли. Нью-Йорк, 2000.
14. Фрадков А.Л. Исследование физических систем с помощью обратной связи. Автомат. Дистанционное управление. Т. 60, 1999, № 3, с. 3-22
15. ^ Фрадков, Александр Л (28.02.2005). «Применение кибернетических методов в физике». Успехи физ . Успехи физических наук (УФН). 48 (2): 103–127. DOI . ISSN .
16. ^ Фрадков А.Л. Кибернетическая физика: от управления хаосом к квантовому управлению. Springer-Verlag, 2007, (Предварительная русскоязычная версия: Санкт-Петербург, Наука, 2003).

Будущее кибернетики

Ожидания от кибернетики как научной дисциплины, которая сотворит революцию в обществе, в середине XX века были очень велики, но не все они смогли оправдаться. По мнению ученых, это произошло не из-за ограничений самой науки, а ограниченности специалистов, не сумевших реализовать потенциал кибернетических идей из-за их технологической и экономической несвоевременности. Спустя 70 лет у кибернетики есть все шансы реабилитироваться. Сегодня мы живем во времена, когда вычислительные возможности кажутся безграничными. Уже сейчас правительства и компании соревнуются, чтобы использовать преимуществами инноваций.

По мнению профессора Колледжа естественных наук Техасского университета Энди Эллингтона, в будущем люди начнут представлять собой нечто вроде новой «жизненной» формы, более связанной чем когда-либо с вычислительными устройствами. Достижения в области нейробиологии, электрохимии и синтетической биологии позволят нам подключаться к Сети напрямую.

Доктор биологических наук, профессор физического факультета и ведущий сотрудник Центра нейротехнологий ЮФУ Борис Владимирский считает, что интеграция мозга и кибернетики приведет к созданию виртуальной доли человеческого мозга. Она будет служить не только для распознавания образов или решения логических задач. Но и сообщать информацию, предлагать варианты разумного взаимодействия, отвечать на вопросы, а порой и задавать их.

Машинная поэзия

Первое машинное стихотворение появилось в СССР гораздо позже, чем первое машинное музыкальное произведение, хотя попытки статистического анализа и алгоритмизации стихосложения предпринимались задолго до появления ЭВМ. Поверить гармонию алгеброй пробовали лингвисты, литературные критики, сами писатели и поэты — например, существует несколько работ Андрея Белого, в которых он, опираясь на математические методы, описывает принципы стихосложения.

В 1959 году кибернетик Натан Кобринский и публицист Виктор Пекелис в книге «Быстрее мысли» опубликовали первые советские машинные стихи, сочиненные ЭВМ: 

Ночь кажется чернее кошки этой,
Края луны расплывчатыми стали,
                                    рвется к свету,
О берег бьется
                           крыльями усталыми.
Измученный бредет один кочевник.
И пропасть снежная
                                его зовет и ждет.
Забыв об осторожности, плачевно
Над пропастью
                            мятущийся бредет.
Забытый страх ползет под потолки,
Как чайка, ветер.
                                Дремлет дождь.
                                                 Ненастье.
А свечи догорают…
                                  Мотыльки
Вокруг огня все кружатся
                                  в честь Бакстер. История создания этого произведения, которую приводили авторы книги, оставляла ряд вопросов

Написано ли это стихотворение советской ЭВМ? Кто автор алгоритма? Когда именно стихотворение появилось и где? И только спустя девять лет, в 1968 году, в газете «Московский комсомолец» были даны ответы. Стихотворение оказалось подделкой, написанной человеком. История советской машинной поэзии началась не с достижений математиков в гене­ративном стихотворчестве, а с мистификации

История создания этого произведения, которую приводили авторы книги, оставляла ряд вопросов. Написано ли это стихотворение советской ЭВМ? Кто автор алгоритма? Когда именно стихотворение появилось и где? И только спустя девять лет, в 1968 году, в газете «Московский комсомолец» были даны ответы. Стихотворение оказалось подделкой, написанной человеком. История советской машинной поэзии началась не с достижений математиков в гене­ративном стихотворчестве, а с мистификации.

В конце 1970-х стало известно о первом настоящем эксперименте в области советской машинной поэзии — его описание появилось на страницах научного журнала «Автоматика и телемеханика» за 1978 год. Статья «О программе, сочиняющей стихи» была написана выпускником МГУ и сотрудником ПНИИС НАТИ  Подмосковная научно-исследовательская испытательная станция Научно-исследова­тельского тракторного института (бывший Научный автотракторный институт). Борисом Кацем. 

Словарь, с которым работала ЭВМ, Кац почти полностью набрал из сборника стихотворений Осипа Мандельштама «Камень» (1916). Впрочем, математик подчеркивал в статье, что выбор словаря существенно не влияет на качество стихов, меняются только «настроение» и «тематика».

В память машины были введены несколько сотен слов различных словоформ — машина комбинировала их в строки, каждая из которых должна была состоять не больше чем из одного подлежащего, одного сказуемого, нескольких опреде­лений и обстоятельств. Кроме того, программа разрешала ЭВМ в случае ритми­ческой необходимости опустить один из перечисленных членов предложения. 

Машина писала строку с конца, что позволяло сразу же учесть рифму — если ЭВМ так и не находила нужной рифмы, она начинала заново. Кроме того, машина учитывала ударение. У нее были и творческие запреты, например на подбор одного и того же слова из словаря для создания рифмы. 

В приложении к статье Кац опубликовал результаты машинного творчества — двадцать одно стихотворение. Среди них были такие:

Ветви хрупкие светились,
Нежный танцевал, влюблен,
Краски за рекой кружились.
Осмелеет перезвон,
Серая земля взовьется —
Вновь над лесом голоса.
Боль в темнице не вернется,
Спорят сладкие глаза.

***

И перламутровый узор
Точеный бледный
Над озером ответил взор
Печальный бедный.

***

Добрый реет шелест
Плачет пустота
Слушают качели 
И поет беда
Стань покорно горе
Томно тишь летит
И прозрачно море
Тайно шелестит
И бежит земная
Незаметно тень
Медленно лесная
Славит влажный день

Вскоре после выхода статьи Борис Кац эмигрировал, и его исследования в области машинной поэзии не были продолжены. Однако в 1980-х в научной периодике появлялась информация о другом поэтическом машинном экспери­менте — сочинении ЭВМ скальдической поэзии  А. М. Кондратов, А. В. Зубов. Программа «Скальд» — опыт моделирования поэтического творчества для ЭВМ // Кибернетика. № 5. 1984., а также об алгоритме сочинения сказок  М. Г. Гаазе-Раппопорт, Д. А. Поспелов, Е. Т. Семенова. Порождение структур волшебных сказок. М., 1980..

Что такое кибернетика?

Кибернетика — это междисциплинарная наука об общих закономерностях получения, хранения, преобразования и передачи информации в сложных управляющих системах, будь то машины, живые организмы или общество. Это попытка ученых создать общую математическую теорию управления сложными системами, совместить на первый взгляд несовместимое и найти общность там, где ее не может быть.

Сло­во «ки­бер­не­ти­ка» впер­вые упот­ребил Пла­то­н в диа­ло­ге «За­ко­ны» (4 в. до н. э.) для обо­зна­че­ния «принципов управ­ле­ния людь­ми». В научный оборот термин «кибернетика» ввел французский физик и математик Андре-Мари Ампер, чьим именем мы измеряем силу электрического тока. В 1834 году в своем фундаментальном труде «Опыт о философии наук, или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний» он определил кибернетику как науку об управлении государством, которая должна обеспечить гражданам разнообразные блага.

В том виде, в каком мы понимаем его сегодня, термин «кибернетика» ввел американский математик Норберт Винер в своей книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном и в машине», опубликованной издательством MIT Press/Wiley and Sons в 1948 году. Он создал совершенно новую область исследований и совершенно новый взгляд на мир.

Уникальность его идей в том, что он показал: животные, как и машины, могут быть включены в более обширный класс объектов, отличительной особенностью которого является наличие систем управления.

Винера называют «отцом кибернетики». Однако большой вклад в развитие науки внесли и другие ученые — английский психиатр Уильям Эшби, американский нейрофизиолог Уоррен Маккалок, английский математик Алан Тьюринг, мексиканский физиолог Артуро Розенблют, советские математики Андрей Колмогоров и Виктор Глушков и другие.

Академик Виктор Глушков — ключевая фигура советской кибернетики

(Фото: ТАСС)

Основные принципы кибернетики

Как и в любой науке, у кибернетики есть свои законы и принципы. Основные из них — это принцип «черного ящика» и закон обратной связи.

Принцип «черного ящика» ввел английский психиатр, специалист по кибернетике и пионер в исследовании сложных систем Уильям Эшби. Этот принцип позволяет изучать поведение системы, то, как она реагирует на внешние воздействия, и в то же время абстрагироваться от ее внутреннего устройства. То есть кибернетики соглашаются с когнитивными ограничениями человека и невозможностью понять всех состояний системы, которые она может принимать прямо сейчас.

Закон обратной связи заключается в простом факте: если есть объект управления и субъект управления, то для выработки адекватных управляющих воздействий, имея информацию о состоянии объекта, субъект может принимать адекватное решение по его управлению. То есть манипулируя входными сигналами, мы можем наблюдать некий результат работы системы на выходе. При этом принципы и законы кибернетики одинаково применимы к управлению автомобилем, крупным предприятием, поведением толпы или бионическим протезом.

Одно из важнейших достижений кибернетики — разработка и широкое использование метода математического моделирования. Он позволяет проводить эксперименты не с реальными физическими моделями изучаемых объектов, а с их математическим описанием в виде компьютерных программ.

Визуальное искусство

Кибернетических экспериментов в области визуального искусства было гораздо меньше, чем в области машинной музыки и машинной поэзии. Это объясняется в первую очередь техническими ограничениями, которые накладывало на программы устройство ЭВМ.

Исключением стал ASCII-арт который не требовал специальных технических ресурсов и создавался с помощью букв, цифр и других печатных знаков. По всему СССР работники НИИ и вычислительных отделов госпредприятий — то есть практически любых учреждений, где был доступ к ЭВМ, — писали алгоритмы, с помощью которых машина рисовала и распечатывала самые разные изображения — от мультипликационных героев и известных памятни­ков до репродукций шедевров живописи. 

Портрет Владимира Ленина с обложки журнала «Кибернетика». 1970 год

ASСII-арт был настолько популярен, что в апреле 1970-го на обложке киевского научного журнала «Кибернетика» даже оказалось ASCII-изображение Влади­мира Ленина, сделанное в честь его 100-летия.

Как примета времени ASCII-арт появлялся и в советском кинематографе. В фильме 1977 года «Служебный роман» репродукция «Джоконды» да Винчи висела над столом секретарши Верочки, а в «Берегите мужчин!» 1982 года в технике ASCII был выполнен портрет одного из главных героев. 

Кадр из фильма «Служебный роман». Режиссер Эльдар Рязанов. 1977 год

В 1968 году советские математики начали работу над первым советским компьютерным мультфильмом «Кошечка». Авторы эксперимента разработали компьютерную программу для БЭСМ-4, которая позволяла имитировать движение кошки. В статье для журнала «Проблемы кибернетики» они объяс­няли, что, с одной стороны, их интересовала возможность автоматизации рисунка в мультипликации, а с другой — создание математической модели, которая отражала бы принципы движения.

В ноябре 1972 года в Москве было проведено научно-творческое совещание «Архитектурная форма и научно-технический прогресс». В опубликованных материалах совещания можно найти множество примеров сотрудничества кибернетиков и архитекторов по всему СССР — архитекторы использовали программы, помогавшие проектировать как отдельные здания, так и целые микрорайоны. 

Автоматическое моделирование изменений мимики лица в работе скульптора с ЭВМ. 1977 год Из брошюры Виталия Файна «Человеко-­машинный диалог в художественном творчестве».

В 1977 году вышла небольшая брошюра Виталия Файна «Человеко-машинный диалог в художественном творчестве», где рассматривалась возможность автоматизации работы скульптора, приводились конкретные примеры алгоритмов. В 1969 году была опубликована программа для автоматизации создания декоративно-прикладного искусства — проектирования и анализа ткацких переплетений. ЭВМ БЭСМ-4, которая работала по этой программе, выдавала на печатающее устройство 104 рисунка за 20 минут.

Области исследований и перспективы [ править ]

В настоящее время интерес к применению методов управления в физике продолжает расти. Активно развиваются следующие направления исследований:

• Контроль колебаний
• Контроль синхронизации
• Контроль хаоса, раздвоений
• Контроль фазовых переходов, стохастический резонанс
• Оптимальный контроль в термодинамике
• Управление микромеханическими, молекулярными и квантовыми системами

Среди наиболее важных приложений: управление синтезом , управление лучами, управление в нано- и фемтотехнологиях.

Для облегчения обмена информацией в области кибернетической физики было создано . IPACS организует регулярные конференции (конференции по физике и управлению) и поддерживает электронную библиотеку, электронную библиотеку и информационный портал, .

Примечания

1. Словарь по кибернетике / Под редакцией академика В. С. Михалевича. — 2-е. — Киев: Главная редакция Украинской Советской Энциклопедии имени М. П. Бажана, 1989. — С. 259. — 751 с. — (С48). — 50 000 экз. — ISBN 5-88500-008-5.
2. «Энциклопедия кибернетики» под ред. В. М. Глушкова, т.1., Киев, 1974 — с. 440.
3. Norbert Wiener. Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine. (Hermann & Cie Editeurs, Paris, The Technology Press, Cambridge, Mass., John Wiley & Sons Inc., New York, 1948)
4. Couffignal, Louis. «Essai d’une définition générale de la cybernétique», The First International Congress on Cybernetics, Namur, Belgium, June 26-29, 1956, Gauthier-Villars, Paris, 1958, pp. 46—54
5. . slovariki.org. Дата обращения: 25 мая 2016.
6. Цитируется по сборнику «Кибернетика ожидаемая. Кибернетика неожиданная». — М.: Наука, 1968. — стр. 152.
7. Jean-Pierre Dupuy. «The autonomy of social reality: on the contribution of systems theory to the theory of society» in: Elias L. Khalil & Kenneth E. Boulding eds., Evolution, Order and Complexity, 1986.
8. Peter Harries-Jones. «The Self-Organizing Polity: An Epistemological Analysis of Political Life by Laurent Dobuzinskis» in: Canadian Journal of Political Science (Revue canadienne de science politique), Vol. 21, No. 2 (Jun., 1988), pp. 431—433.
9. Kenneth D. Bailey. Sociology and the New Systems Theory: Toward a Theoretical Synthesis, 1994, p.163.
10. Kenneth D. Bailey. Sociology and the New Systems Theory: Toward a Theoretical Synthesis, 1994.
11. Kevin Kelly. «Out of control: The new biology of machines, social systems and the economic world», 1994, Addison-Wesley ISBN 0-201-48340-8

Литература

• Винер Н. Кибернетика. — М.: Советское радио, .
• Китов А. И. Техническая кибернетика // Радио (№ 11), 1955.
• Китов А. И., Ляпунов А. А., Полетаев И. А., Яблонский С. В. О кибернетике // Труды 3-го Всесоюзного математического съезда. Том 2. М., 1956.
• Китов А. И. Кибернетика и управление народным хозяйством // Кибернетику — на службу коммунизму. Сборник статей под редакцией А. И. Берга. Том 1. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961.
• Берг А. И., Китов А. И., Ляпунов А. А. Кибернетика в военном деле // Военная мысль, 1961.
• Китов А. И. Кибернетика в управлении хозяйством // М. Экономическая газета. Август 1961, № 4.
• Китов А. И., Ляпунов А. А. Кибернетика в технике и экономике // Вопросы философии (№ 9), 1961.
• Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. — М.: Изд. иностр. лит., 1963. — 830 с.
• Эшби У. Р. Введение в кибернетику. — М.: Изд. иностр. лит., 1959. — 432 с.
• Марков А. А. Что такое кибернетика. — В кн.: Кибернетика, мышление, жизнь. — М.: Мысль, .
• Петрушенко Л. А. Самодвижение материи в свете кибернетики. — М.: Наука, 1971.
• Кузин Л. Т. Основы кибернетики (в 2-х томах). — М.: Энергия, .
• В. М. Глушков, Н. М. Амосов и др. «Энциклопедия кибернетики». Киев. 1975 г.
• Бирюков Б. В., Спиркин А. Г. Кибернетика и логика. — М.: Наука, 1978. — 333 с.
• Клаус Г. Кибернетика и философия = Kybernetik in philosophischer Sicht / Перевод с немецкого И. С. Добронравова, А. П. Куприяна, Л. А. Лейтес; редактор В. Г. Виноградов; Послесловие Л. Б. Баженова, Б. В. Бирюкова, А. Г. Спиркина. — М.: ИЛ, 1963.
• Основы кибернетики. Математические основы кибернетики / Под ред. профессора К. А. Пупкова. — М.: Высшая школа.
• Основы кибернетики. Теория кибернетических систем / Под ред. профессора К. А. Пупкова. — М.: Высш. школа, 1976. — 408 с. — (Учеб. пособие для вузов). — 25 000 экз.
• Поваров Г. Н. Ампер и кибернетика. — М.: Советское радио, .
• Теслер Г. С. Новая кибернетика. — Киев: Логос, 2004. — 401 с.
• Кибернетика и информатика // Сборник научных трудов к 50-летию Секции кибернетики Дома учёных им. М. Горького РАН. — Санкт-Петербург, 2006. — 410 с.
• Игнатьев М. Б. Информационные технологии в микро-, нано- и оптоэлектронике. — изд. ГУАП, Санкт-Петербург, 2008. — 200 с.
• Теплов Л. П. Очерки о кибернетике. — М.: Московский рабочий, 1963. — Тираж 50000 экз. — 413 c.