Искусство управления всем: что такое кибернетика и зачем она нужна

Социальная кибернетика

С начала войны в разработке вычислительных устройств участвовал Н. Винер (вместе с американским конструктором В. Бушем ). С 1943 г. он начал разработку ЭВМ совместно с Дж. фон Нейманом . В связи с этим в Принстонском Институте перспективных исследований (США) в 1943–1944 гг. были проведены совещания с участием представителей разных специальностей – математиков, физиков, инженеров, физиологов, неврологов. Здесь окончательно сформировалась группа Винера – фон Неймана, в которую входили учёные У. Мак-Каллок (США) и А. Розенблют (Мексика); работа этой группы позволила сформулировать и развить кибернетические идеи применительно к реальным техническим и медицинским задачам. Итог этим исследованиям подвёл Винер в опубликованной в 1948 г. книге «Кибернетика» ( Wiener N. Cybernetics, or Control and communication in the animal and the machine. New York, 1948 ).

Медицинская кибернетика — это междисциплинарное научное направление, связанное с использованием идей, методов и технических средств кибернетики в медицине и здравоохранении. Медицина стала одной из тех сфер, наряду с робототехникой и компьютерными технологиями, где кибернетика получила большое распространение.

Киберне́тика, наука об управлении , изучающая главным образом математическими методами общие законы получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах. Существуют другие, несколько отличающиеся друг от друга, определения кибернетики. В основе одних лежит информационный аспект, других – алгоритмический , в иных выделяется понятие обратной связи , как выражающее специфику кибернетики. Во всех определениях, однако, обязательно указывается задача изучения математическими методами систем и процессов управления и информационных процессов. Под сложной управляющей системой в кибернетике понимается любая техническая, биологическая, административная, социальная, экологическая или экономическая система . В основе кибернетики лежит сходство процессов управления и связи в машинах, живых организмах и их популяциях. Основная задача кибернетики – исследование общих закономерностей, лежащих в основе процессов управления в различных средах, условиях, областях. Это прежде всего процессы передачи, хранения и переработки информации. При этом процессы управления протекают в сложных динамических системах – объектах, обладающих изменчивостью и способностью к развитию.

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.

Развитие кибернетики сопровождалось поглощением ею отдельных наук, научных направлений и их разделов и, в свою очередь, зарождением в кибернетике и последующим отделением от неё новых наук, многие из которых образовали функциональные и прикладные разделы информатики (в частности, распознавание образов , анализ изображений, искусственный интеллект ). Кибернетика имеет достаточно сложную структуру, и в научном сообществе не достигнуто полного согласия относительно направлений и разделов, являющихся её неотъемлемыми частями. Предложенное в данной статье толкование опирается на традиции отечественных школ информатики, математики и кибернетики и на положения, не вызывающие серьёзных разногласий между ведущими учёными и специалистами, большинство из которых соглашается с тем, что кибернетика посвящена информации, практике её обработки и технике, связанной с информационными системами ; изучает структуру, поведение и взаимодействие естественных и искусственных систем, хранящих, обрабатывающих и передающих информацию; развивает собственные концептуальные и теоретические основания; имеет вычислительные, когнитивные и социальные аспекты, включая социальное значение информационных технологий , поскольку и ЭВМ, и отдельные люди, и организации обрабатывают информацию.

Кибернетический принцип автоматического регулирования на основе обратной связи был реализован в автоматических устройствах Ктесибием (около 2 – 1 вв. до н. э.; поплавковые водяные часы) и Героном Александрийским (около 1 в. н. э.). В Средние века было создано множество автоматических и полуавтоматических устройств, использовавшихся в часовых и навигационных механизмах, а также в водяных мельницах. Систематическая работа над созданием телеологических механизмов, т. е. машин, демонстрирующих целесообразное поведение, снабжённых корректирующей обратной связью, началась в 18 в. в связи с необходимостью регулировать работу паровых машин. В 1784 г. Дж. Уатт запатентовал паровую машину с автоматическим регулятором, сыгравшую большую роль в переходе к индустриальному производству. Началом разработки теории автоматического регулирования считается статья Дж. К. Максвелла , посвящённая регуляторам (1868). К родоначальникам теории автоматического регулирования относят И. А. Вышнеградского . В 1930-х гг. в трудах И. П. Павлова наметилось сравнение мозга и электрических переключательных схем. П. К. Анохин изучал деятельность организма на основе разработанной им теории функциональных систем, в 1935 г. предложил т. н. метод обратной афферентации – физиологический аналог обратной связи при управлении поведением организма. Окончательно необходимые предпосылки развития математической кибернетики были созданы в 1930-х гг. работами А. Н. Колмогорова , В. А. Котельникова , Э. Л. Поста , А. М. Тьюринга , А. Чёрча .

В 1975 году киевское «Динамо» выиграла у мюнхенской «Баварии» Суперкубок Европы по футболу со счетом 3:0. Это произошло благодаря работе тренера Валерия Лобановского, футбольного статиста Анатолия Зеленцова и футболиста и тренера Олега Базилевича. Они создали первый в мире постоянно действующий научный центр при команде «Динамо» в Киеве. Там разработали уникальные программы и методики моделирования учебно-тренировочного процесса, контроля и анализа соревновательной деятельности, моделирования стратегии и тактики игр. Сегодня работу профессиональных спортсменов различных спортивных направлений сложно представить без компьютерных технологий и математических методов анализа.

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.

Что такое кибернетика?

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.

В кибернетике существенное значение имеют задачи анализа и синтеза кибернетических систем. Задача анализа состоит в нахождении свойств преобразования информации, осуществляемых системой. Задача синтеза состоит в построении системы по описанию преобразования, которое она должна осуществлять; при этом класс элементов, из которых может состоять система, фиксирован. Важное значение имеет задача нахождения кибернетических систем, задающих одно и то же преобразование, т. е. задача об эквивалентности кибернетических систем. Если задать функционал качества работы кибернетических систем, то возникают задачи нахождения в классе эквивалентных кибернетических систем наилучшей системы, т. е. системы с максимальным значением функционала качества. В кибернетике рассматриваются также задачи надёжности кибернетических систем, решение которых направлено на повышение надёжности функционирования систем за счёт совершенствования их структуры.

С 1980-х гг. наблюдается некоторое снижение интереса к кибернетике. Оно связано с двумя основными факторами: 1) в период становления кибернетики создание искусственного интеллекта многим казалось задачей более простой, чем она являлась в действительности, а перспектива её решения относилась к обозримому будущему; 2) на базе кибернетики, унаследовав её основные методы, в частности математические, и практически полностью поглотив кибернетику, возникла новая наука – информатика.

Для изучения сложных систем в кибернетике применяют как подход, использующий математические методы, так и экспериментальный подход, использующий различные эксперименты либо с самим изучаемым объектом, либо с его реальной физической моделью. К основным методам кибернетики относятся алгоритмизация, использование обратной связи, метод машинного эксперимента, метод «чёрного ящика», системный подход, формализация. Одним из важнейших достижений кибернетики является разработка нового подхода – метода математического моделирования. Он состоит в том, что эксперименты проводятся не с реальной физической моделью, а с компьютерной реализацией модели изучаемого объекта, построенной по его описанию. Эта компьютерная модель, включающая программы, реализующие изменения параметров объекта в соответствии с его описанием, реализуется на ЭВМ, что даёт возможность проводить с моделью различные эксперименты, регистрировать её поведение в различных условиях, менять те или иные структуры модели и т. п.

Теоретическую основу кибернетики составляет математическая кибернетика, посвящённая методам исследования широких классов кибернетических систем. В математической кибернетике используется ряд разделов математики, таких как математическая логика , дискретная математика, теория вероятностей , вычислительная математика , теория информации, теория кодирования, теория чисел , теория автоматов , теория сложности, а также математическое моделирование и программирование .

Правовая кибернетика — научные исследования в сфере закономерностей оптимального функционирования государственно-правовых систем. Она решает задачи автоматизации юридической деятельности и ее отдельных видов. Сегодня правовая кибернетика активно используется для понимания различных законов и нормативных актов и того, как они могут применяться или не применяться в отдельных случаях.