Результаты работы --> Статьи --> Кибернетика

Несколько слов о Кибернетике

Несколько слов о Кибернетике

Кудрявцев Н.Г.

Данный экскурс является результатом попытки в нескольких словах объяснить сту-дентам, что такое кибернетика, как она появилась и что представляет собой на текущий мо-мент времени.

Простая механическая тележка имеет два ведущих колеса, приводимых в действие каждое своим электродвигателем. В какой последовательности и на какое время надо вклю-чать электродвигатели, другими словами, подавать тележке команды "прямо", "направо", "налево" и т. п., чтобы эта тележка заняла заранее определенное положение на плоскости? Казалось бы, задача имеет простое решение: определить координаты начальной и конечной точек маршрута тележки и подать определенную последовательность команд, перемещаю-щих тележку из одной заданной точки плоскости в другую. Однако в реальных условиях выполнение одной и той же последовательности команд в течение одного и того же времени может привести к различным результатам. Причин этому может быть несколько: разрядка аккумуляторов, различный коэффициент сцепления с поверхностью, изменение веса тележки, наличие препятствий и т. п. Чтобы добиться положительного результата при управлении движением как самой простой тележки, так и более сложного технического устройства по плоскости или в пространстве, необходимо научить его определять свое местоположение. Для нахождения своего местоположения надо научить это техническое устройство определенным образом взаимодействовать с окружающей средой. А для того, чтобы "осмысленно" взаимодействовать с окружающей средой, необходимо научить устройство распознавать объекты этой окружающей среды.

Передача команд и телеметрической информации, определение координат и расстоя-ний, распознавание образов, управление сложными техническими системами - все эти и ряд других родственных направлений лежат в русле сразу нескольких математических дис-циплин, об истории развития и достижениях которых и хотелось бы поговорить далее.

Историческое первенство в области, о которой мы ведем речь, принадлежит теории автоматического управления и регулирования, а одной из первых классических проблем, исследуемых этим научным направлением, было обеспечение равномерности частоты вращения вала паровой машины.

Еще великий изобретатель паровой машины Джемс Уатт (Watt, 1736 - 1819) разра-ботал центробежный регулятор для поддержания постоянства частоты вращения турбины. Если нагрузка паровой машины уменьшалась, то при неизменной подаче пара частота вра-щения вала резко и опасно возрастала. Регулятор Уатта состоял из двух тяжелых шаров на вертикальном валу, связанном с валом машины. Шары были стянуты между собой жесткой пружиной. При вращении вала центробежная сила, преодолевая упругость пружины, подни-мала шары, а с шарами была связана заслонка на пароприводе, снижающая доступ пара в машину. Жесткость пружины подбиралась так, что при номинальной нагрузке на валу частота вращения равнялась заданной. При увеличении частоты вращения из-за уменьшения нагрузки возросшая центробежная сила разводила шары, в результате заслонка уменьшала подачу пара, предотвращая большие отклонения частоты вращения от номинального значения. Регулятор Уатта является одним из первых регуляторов, работающих на принципе обратной связи по отклонению. Регуляторы с обратной связью являются основой автоматического управления до самого последнего времени.

С семидесятых годов девятнадцатого столетия до сороковых годов двадцатого теория автоматического управления насчитывает несколько переломных моментов в своем разви-тии. Однако все это время она занимается изучением относительно простых объектов и управляющих систем, описываемых системами дифференциальных и разностных уравнений.

Во второй половине 30-х годов в нескольких странах появились первые проекты электромеханических и электронных устройств, нацеленных на выполнение массовых вычислений. Первый проект, завершившийся созданием прообраза будущих вычислительных машин, был выполнен в США. К декабрю 1939 года Дж. Атанасов и К. Берри создали макет процессора, а в мае 1942 года первая в мире вычислительная машина начала действовать. То, что работы велись в условиях секретности, послужило впоследствии причиной судебного разбирательства по вопросу о приоритете с разработчиками машины ЭНИАК, созданной в США в период с 1943 по 1946 годы. Именно ЭНИАК считают предтечей той вычислительной техники, которая породила сначала кибернетику, а затем и информатику.

Примерно в это же время видный американский математик XX века, известный своими работами по гармоническому анализу и исследованию случайных процессов, Норберт Винер (Norbert Wiener, 1894 - 1964) выдвинул новую концепцию управления как в технических, так и биологических и социальных системах. Работая над теорией сообщений, он отождествил понятия "коммуникация" и "управление". В своей книге "Кибернетика", вышедшей в 1948 г., он писал, что, для того чтобы установить связь с другим лицом, ему необходимо сообщить сигнал, а когда это лицо устанавливает связь с вами, то оно возвращает подобный сигнал, содержащий информацию, первоначально не доступную для вас. Если необходимо управлять действиями другого лица, то ему так же сообщается сигнал; и хотя этот сигнал дается в императивной форме, техника коммуникации не отличается от техники коммуникации при сообщении сигнала факта. Когда вы посылаете приказ машине, то возникающая в данном случае ситуация не отличается от ситуации, когда вы отдаете приказ какому-либо лицу. В обоих случаях отдающий приказ посылает сигнал команды и получает сигнал повиновения. В процессе изложения Н. Винер последовательно показывает, что теория управления в человеческом обществе, живой природе или механической технике является частью теории информации. Таким образом, было заявлено новое направление исследований - кибернетика (греч. kubernёtes - "рулевой", "кормчий", "искусство управления") - наука об управлении, получении, передаче и преобразовании информации в кибернетических системах. Важнейшая общая закономерность процессов управления, указанная Н. Винером, состоит в использовании обратной связи и передаче информации для реализации этой обратной связи.

В СССР кибернетика развивалась трудно. Винер утверждал, что многие концептуальные схемы, определяющие поведение живых организмов при решении конкретных задач, практически идентичны схемам, характеризующим процессы управления в сложных технических системах. И более того, он был убежден, что социальные модели управления и модели управления в экономике могут быть проанализированы на основе тех же общих положений, которые разработаны в области управления системами, созданными людьми. Однако руководство страны не могло допустить, чтобы такие идеи кибернетики овладели умами советских граждан, которым настойчиво внушали, что "высшие формы" существования материи не сводимы к "низшим формам".

В начале пятидесятых годов XX века некоторые "ведущие" философы СССР исполь-зовали социально-политическую обстановку поиска врагов, царящую тогда в стране, для развертывания кампаний поиска "ведьм" в разных сферах общественной, политической и научной жизни страны. Одним это помогало самоутвердиться, другим - очистить путь к власти, третьим - убрать своих недругов. В 1953 году на страницах журнала "Вопросы фи-лософии" в виде публикации статей "материалиста" была развернута травля кибернетики. Это могло бы стать концом "лженауки" и "пустоцвета на древе познания", однако результа-ты, получаемые в данной области, напрямую затрагивали оборону страны. Ряд ведущих уче-ных, несмотря на проблемы, которые у них могли возникнуть, при поддержке представите-лей министерства обороны и ЦК партии выступили с ответной статьей в защиту кибернети-ки. В отделе науки ЦК ВКП(б) ознакомились с текстом статьи и, "посоветовавшись кое с кем", сказали, что инициатива авторов статьи своевременна. После этого нападки на кибер-нетику постепенно прекратились.

Период зарождения кибернетики в нашей стране можно отнести к годам с 1955 до 1959. В 1959 году в АН СССР был создан научный совет по комплексной проблеме "Кибер-нетика", а в лице адмирала Берга, занимавшего в 1953 - 1957 годах пост заместителя мини-стра обороны СССР по радиоэлектронике, кибернетика обрела человека, обеспечившего благоприятные условия для ее становления и расцвета.

Все авторы первых отечественных книг по кибернетике были военными, работали в учебных заведениях министерства обороны. Первыми ВУЗами, в которых преподавание ки-бернетики стало обязательным, были академии имени Жуковского и Дзержинского в Моск-ве, академия имени Можайского в Ленинграде, харьковское высшее авиационно-техническое училище и киевское высшее инженерно-радиотехническое училище.

На 60-е и 70-е годы приходится расцвет кибернетики в нашей стране. Во многих на-правлениях исследований результаты советских специалистов или находились на мировом уровне, или опережали его. Это работы в области машинного перевода, распознавания обра-зов, исследования в области эвристического программирования и целесообразного поведе-ния.

В пятидесятые и шестидесятые годы в нашей стране были получены также неплохие результаты при создании ЭВМ первого и второго поколений. Разными авторскими коллективами был разработан целый ряд оригинальных вычислительных машин и комплексов, которые с успехом использовались как в народном хозяйстве, так и при создании оборонных систем. Работы выполнялись под руководством таких выдающихся конструкторов, как С.А. Лебедев (мэйнфреймы "МЭСМ", "БЭСМ-1" - "БЭСМ-6"), В.М. Глушков (серия "МИР1" - "МИР3"), Б.И. Рамеев (семейства "Урал" и "Стрела"), И.С. Брук (малые и управляющие машины), М.А. Карцев (многомашинные вычислительные комплексы и кластеры), Н.Я. Матюхин (вычислительные машины для системы ПВО), Г.П. Лопато ("М-3" и семейство "Минск"). К сожалению, при таком многообразии вычислительных машин и комплексов возникла и не была решена очень серьезная проблема - проблема программной совместимости как между различными семействами ЭВМ, так и между поколениями внутри одного семейства. Талантливые разработчики ЭВМ и программного обеспечения для них работали разобщенно, вне рамок какой-либо государственной программы и требований стандартизации. Это привело сначала к потере темпа, потом к отставанию и, наконец, к роковому для отечественной информатики копированию в СССР и странах Восточной Европы разработок фирмы IBM. После этого наши достижения в области программирования, операционных систем, языков программирования практически сошли на нет, что и отмечается зарубежными экспертами.

Отдельной строкой можно отметить работы по параллельному программированию. Начало исследований в этой области относится к середине 60-х годов, когда в институте ма-тематики СО АН СССР (Новосибирск) и в московском энергетическом институте возникли первые коллективы, заинтересовавшиеся теорией параллельных процессов в вычислитель-ных системах, состоящих из однородных или неоднородных машин. Отечественные специа-листы первыми в мировой науке дали постановку и предложили первые решения таких за-дач, как сегментация алгоритмов и программ, планирование выполнения больших программ на вычислительных системах, динамическое диспетчерирование потока программ и сегмен-тов программ, асинхронная организация протекания процессов. В это время было предложе-но несколько оригинальных моделей для параллельных вычислений, заново переоткрытых потом в США и других странах.

Также заслуживает упоминания школа М.Л. Цетлина - М.М. Бонгарда. Вокруг этих двух ярких и самобытных людей объединились математики, программисты, физиологи, ин-женеры и физики. Основной круг интересов участников школы концентрировался вокруг проблем моделирования в биологии, физиологии, медицине и этологии. Достижения этой школы в области индуктивного формирования понятий, моделей зрения, моделей роста тка-ней и коллективного поведения во многом не превзойдены западной наукой и по сей день.

В своей программе развития кибернетики Винер поразительно точно спрогнозировал генеральный путь развития технологий. Он писал, что автоматизация производства потребует широкого использования компьютеров в системах управления и учета, а также значительного развития средств коммуникаций. И действительно, компьютер, рассчитывающий форму лопатки турбины и затем непосредственно управляющий изготовлением этой лопатки на станке, расположенном на другом берегу океана, стал реальностью уже в 60-е годы XX века. Что же касается телекоммуникаций, то они давно переросли рамки средств организации производства и стали важнейшим фактором социальной жизни.

Как же обстоит дело с кибернетикой сейчас? Прошли те времена, когда учебники и кафедры кибернетики были достаточно широко распространены. Теперь, в лучшем случае, можно встретить упоминание о кибернетике лишь в контексте со словом "экономическая". Уже в "предперестроечные" времена найти хотя бы одного "кибернетика" было невозмож-но! И если ученому, который занимался одной из проблем, поставленной Н. Винером в качестве предмета исследований кибернетики, задавался вопрос о специальности, то этот ученый, с большой долей вероятности, отвечал, что его специальность - прикладная математика, моделирование или программирование. Да и упомянутые учебники и кафедры в своем названии обычно содержали дополнительное уточнение: "техническая", "математическая" или "экономическая" кибернетика. Приходится признать, что и в нашей стране, и во всем мире "кибернетика вообще" как научная дисциплина так и не сложилась. Круг вопросов, отнесенных Н. Винером к кибернетике, оказался разобранным множеством взаимосвязанных, но все-таки особых научных дисциплин: теорией оптимального управления, теорией распознавания образов, теорией передачи информации, исследованием операций, искусственный интеллектом, системным программированием. На западе этот круг обозначается как "Computer Science", а у нас все чаще и чаще используется слово "информатика".

Литература 1. Поспелов Д.А. Становление информатики в России. - Очерки истории информа-тики в России / Д.А. Поспелов, редакторы-составители: Д.А. Поспелов, Я.И. Фет. - Новосибирск: Научно-издательский центр ОИГГМ СО РАН, 1998. - 664 с.

2. Петров Ю.П. Очерк истории автоматического управления / Ю.П. Петров. - СПб.: НИИХ СПбГУ, 2004. - 271 с.

3. Частиков А.П. Архитекторы компьютерного мира / А.П. Частиков. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 384 с.: ил.