Лекція Кібернетика як наука: становлення та розвиток

« Назад

1. Історія кібернетики. Перша задача кібернетики

2. Економічна кібернетика як один із напрямків кібернетики

Кібернетика - молода наука, формування якої почалося лише після другої світової війни. Проте, вона розвивається настільки стрімко, що вже зараз робить великий вплив на методи дослідження і способи рішення практичних задач в найрізноманітніших областях науки і техніка: в біології і медицині, в техніці зв'язку і в автоматиці, в обчислювальній техніці, в економіці і соціології. В основі кібернетики лежить ідея можливості розвинути загальний підхід до розгляду процесів управління в системах різної природи. Сила цієї ідеї полягає в тому, що виявилося можливим, окрім загальних міркувань методологічного характеру запропонувати також могутній апарат для кількісного опису процесів, для вирішення складних задач, заснований на методах теорії інформації, теорії динамічних систем, теорії алгоритмів і теорії вірогідності.

Народження кібернетики прийнято пов'язувати з датою публікації (в 1948 г.) Норбертом Вінером його знаменитої книги «Кібернетика, або управління і зв'язок в тварині і машині». В цій роботі видатного американського математика вперше були чітко показані шляхи створення загальної теорії управління і закладені основи методів розгляду проблем управління і зв'язку для різних систем з єдиної точки зору. Цікаво відзначити, що до цих проблем привернули увагу Вінера, Розенблюта і інших учених, причетних до її зародження, не тільки бажання зрозуміти напрям розвитку і методологію науки, прагнення узагальнити досягнення різних наук, хоча це теж зіграло свою роль. Безпосереднім поштовхом для інтенсивної розробки проблем управління з найзагальніших позицій послужили конкретні практичні задачі, такі, як: створення і використання обчислювальних машин і особливо обчислювальних пристроїв для управління вогнем зенітної артилерії Задача відділення корисного сигналу від супроводжуючого його шуму, задача створення машини для читання вголос, деякі задачі нейрофізіології і т.п. не поменшуючи заслуг Норберта Вінера і його колег, необхідно, проте відзначити, що по суті ряд наукових напрямів, що становлять зараз основні положення кібернетики, розроблявся вже впродовж багатьох років, а деякі навіть протягом сторічь.

Вже більше 100 років (починаючи з робіт Максвела і Вишнеградського) розробляється теорія регулювання, теорія систем із зворотним зв'язком. Майже 70 років пройшло з початку робіт по вживанню алгебри логіки для дослідження схем перемикачів (роботи радянських учених Шестакова, Гаврилова, японського ученого Накасимо). Ідея створення цифрових обчислювальних машин розроблялася ще Паскалем і Лейбніцем в XVII в. і в розвиненішому вигляді Бебіджем в XIX в. Проте, тільки після роботи Вінера почалася ланцюгова реакція формування загальної теорії управління.

Взаємодіючи і взаємовпливаючи одна на  одну, почали бурхливо розвиватися теорія інформації, теорія схем перемикачів, теорія автоматичного управління, теорія нейронних мереж. З'явилися нові технічні засоби у вигляді аналогових і цифрових електронних обчислювальних машин, пізніше - могутніх комп'ютерних систем з'явилася можливість ставити кібернетичні експерименти, засновані на моделюванні процесів управління за допомогою комп'ютерних технологій.

Не зважаючи на те, що багато учених класичного напряму відносилися до цієї нової науки іронічно, кібернетика продовжувала свій переможний хід, доводячи право на існування не тільки теоретичними результатами, але величезним внеском в рішення ряду складних практичних задач. Поява могутніх комп'ютерних систем, створення оптимальних і самоналагоджувальних систем управління, створення ефективних методів дослідження операцій і багато інших важливих наукових і практичних результатів, з'явилися прямо або побічно результатом розвитку робіт в області кібернетики і привели до того, що до середини XX ст. ця наука вже завоювала право на існування і академічне визнання.

 

НОРБЕРТ ВІНЕР

(біографічна довідка)

«Батько кібернетики» Норберт Вінер народився 26 листопаду 1894 р. до Колумбії, США. Батьки Норберта, польські євреї за походженням, були вихідцями з Росії. Батько Норберта, Лео Вінер, був професором слов'янських мов і літератури Гарвардського університету. З чотирьох років Норберт навчився читати і майже з цього ж віку почав захоплюватися науковою літературою самого різного характеру. До семи років у Норберта був вже досвід  читання книг Дарвіна, Кинглі, Жарко і ін. Батько розробив для маленького Норберта вельми напружену програму домашнього навчання: хлопчик повинен було вивчати різні мови і займатися математикою. Після закінчення в 1906 р. початкової школи Норберт поступив в коледж, який він закінчив в 1909 р. і одержав звання бакалавра. Після цього Норберт слухає лекції в Гарвардському (1909-1913 рр.) і Корнуельському  (1910 р.) університетах. У віці 18 років Вінер захистив в Гарвардському університеті дисертацію по філософії математики на ступінь доктора філософії. Після закінчення університетського курсу Гарвардський університет надав Н. Винеру стипендію для поїздки за кордон. Н. Винер використовував цю можливість, щоб побувати в Англії - в Кембріджі (1913-1916 р.) і в Німеччині - в Геттінгене (1914 е.). В Кембріджі під керівництвом Бертрана Рассела Вінер вивчав математичну логіку і філософію науки взагалі і, крім того, слухав лекції з математики Р. До. Харді. Після повернення в США Вінер в 1915 е. прослуховував курс лекцій в Колумбійському університеті. В 1915/16 р. Вінер одержав місце викладача-стажиста Гарвардського університету. Проте незабаром він покинув університет і в 1917- 1918 р. працював в Американській енциклопедії. В 1918-1919 р. Вінер - військовослужбовець Абердінського полігону, а в 1919 р. - службовець газети «Бостон геральд.». В 1919 р. Вінер одержав посаду асистента на кафедрі математики Массачусетського технологічного інституту. В цей період ним були написані статті про броунівський рух, в яких була розкрита можливість сумісного використовування лебегової техніки інтеграції і статистичної фізики Гиббса. Ці роботи згодом виявилися цінними для аналізу афекту дробу в радіоелектроніці. З 1919 по 1929 р. Вінер - викладач, з 1929 по 1932 р. доцент, а з 1932 р. - професор Массачусетського технологічного інституту. В цей період Н. Винером був написаний ряд статей  по теорії банахових просторів, теорії потенціалу, теорії функцій дійсного змінного і по інших проблемах різних розділів математики і фізики. Під час другої світової війни Вінер під керівництвом В. Буша брав участь в розробці і застосуванні електронної обчислювальної машини для балістичних розрахунків. Задачі управління артилерійським вогнем примушують Н. Вінера зайнятися теоретичними і експериментальними дослідженнями, безпосередньо пов'язаними з теорією автоматичного управління.

Ідеї про спільність принципів управління в живих і неживих системах, гаряче підтримані нейрофізіологом доктором Ровенблютом, з'явилися початком формування кібернетичної концепції Вінера, яка була пізніше висловлена ним в його книгах «Кібернетика» і «Кібернетика і суспільство».

Окрім робіт по кібернетиці, Н. Вінеру належать фундаментальні дослідження по теорії імовірності і по теорії інтеграла Фурьє і його додатків. Помер Норберт Вінер 19 березня 1964 р.

Оформлення кібернетики як самостійної науки явилося справді революційною подією, що викликала глибоку перебудову всього сучасного наукового світогляду. Під безпосереднім впливом ідей Вінера про сутність інформації і ентропії, їх ролі в організованих системах розвивалися також роботи, що привели до створення теорії інформації.

Змістом однієї з основних ідей, внесених в наш світогляд кібернетикою, є новий погляд на складові, з яких складається навколишній нас світ. Класичне уявлення про світ, що складається з матерії і енергії, повинне було поступитися місцем уявленню про світ, що складається з трьох складових: енергії, матерії і інформації, бо без інформації немислимі організовані системи, а спостережувані в природі живі організми і створені людиною керовані системи є організованими системами. Більш того, ці системи не тільки є організованими, але і зберігають свою організованість з часом, не розтрачуючи її, як виходило б з другого принципу термодинаміки. Єдиним можливим поясненням факту збереження організованості є безперервне витягання із зовнішнього світу потоку інформації про явища, що відбуваються в ньому, про процеси, що відбуваються в самих системах.

Однією з основних особливостей кібернетики є те, що вона розглядає керовані системи не в статичному стані, а в їх русі і розвитку. Розгляд систем в русі корінним чином міняє підхід до їх вивчення, і у ряді випадків дозволяє розкривати закономірності і встановлювати факти, які інакше виявилися б нерозкритими. Така функціональна властивість систем, як їх стійкість, що має вирішальне значення для оцінки працездатності багатьох систем і навіть з'ясування можливості їх тривалого існування, було б неможливим без розгляду динаміки процесів, що відбуваються в них.

Кібернетика розглядає не ізольовані системи, а деяку їх сукупність, в яку, взагалі кажучи, входить весь Всесвіт. Ця наука повинна враховувати, і враховує ті багатоманітні зв'язки, які закономірно утворюються між окремими частинами складних систем і визначають їх властивості, поведінку, їх розвиток, загибель і відтворення.

Кібернетичний підхід відрізняється відносністю точки зору на систему в тому значенні, що одна і та ж сукупність елементів в одному випадку може розглядатися як система, а в іншому випадку при рішенні інших задач - як частина деякої більшої системи, в яку вона входить. Так, наприклад, пневматичний молоток сам по собі може розглядатися як деяка динамічна система, але як систему можна розглядати і людину, що виконує роботу за допомогою пневматичного молотка. Ця сукупність в свою чергу є частиною системи, яка є організацією, в роботі якої бере участь ця людина, і т.д. Властивості і особливості будь-яких об'єктів не можуть бути правильно оцінені і враховані без розгляду багатоманітних зв'язків і взаємодій, що закономірно утворюються між окремими об'єктами і навколишнім їх середовищем. Облік впливу середовища є характерним для кібернетичного підходу до розгляду явищ, що відбуваються в керованих системах.

Як би детально і строго ми не прагнули вивчати поведінку системи, ми ніколи не зуміємо врахувати всю незліченну безліч чинників, прямо або побічно впливаючих на її поведінку. Тому необхідно зважати на неминучість наявності деяких випадкових чинників, що є результатом дії цих неврахованих процесів, явищ і зв'язків. Кібернетика широко використовує статистичні методи для дослідження поведінки систем, схильних до випадкових дій. Завдяки статистичним методам, виявляється можливим, хоча і не безумовно, а лише в аспекті вірогідності - в середньому, але строго і точно передбачати поведінку складних систем.

Ідеї і методи, що розвиваються в кібернетиці, направлені на досягнення наступних цілей, які стоять перед цією наукою:

а) встановити важливі факти, загальні для всіх керованих систем або, принаймні, для деяких класів цих систем. Як і у всякій теорії, фактичні дані є найважливішою її складовою частиною і служать основою для висунення гіпотез, побудови теорії і встановлення закономірностей;

б) виявити обмеження, властиві керованим системам, і встановити їх походження, тобто тим самим встановити ті межі, в межах яких проектувальник вільний вибирати структуру системи, управляючий пристрій здатний змінювати управляючу дію, керована система може змінювати свої стани;

в) знайти загальні закони, яким підкоряються керовані системи. Спираючись на фактичні дані, висуваючи відповідну аксіоматику, вибудовуваючи докази положень, що ґрунтуються на прийнятих аксіомах, кібернетика як будь-яка інша точна наука може і повинна поступово створювати струнку систему теоретичних положень, законів і принципів, які складатимуть центральне ядро цієї науки;

г) вказати шляхи використовування фактів і закономірностей, що становлять теорію, для практичної діяльності людини. Це прикладний напрям кібернетики, зрозуміло, є не менше важливим, ніж її теоретичний розвиток. Ясно, що було б безглуздо вивчати поведінку систем, встановлювати факти і закономірності, якби вони не могли бути використані для практичних цілей. Проте сама по собі теорія ще далеко не завжди забезпечує рішення безпосередньо прикладних задач. Для того, щоб вирішувати практичні задачі, необхідно побудувати міст між теоретичними положеннями і прикладними методами рішення задач. При цьому доводиться враховувати специфічні особливості певних класів керованих систем. Тому додатки загальних методів кібернетики для вирішення практичних задач вивчаються в таких прикладних науках, породжених кібернетикою, як технічна кібернетика, економічна кібернетика, біологічна кібернетика, соціальна кібернетика.

У цілому виникнення будь-якої науки зумовлюється наявністю об'єктивних і суб'єктивних передумов. Об'єктивними умовами  виникнення нової науки є:

1) наявність об'єкту дослідження;

2) необхідність дослідження, що виникла в суспільній практиці;

3) можливість науки здійснити таке дослідження.

Об'єкт дослідження кібернетики - процеси управління в живій і неживій природі - існував задовго до виникнення науки: процеси управління людьми виникли одночасно з появою суспільства, виникнення держави привело до становлення процесів державного управління. В ході свого розвитку наука здатна продукувати деякі нові об'єкти дослідження: так з'явилися автомати, управляючі системи і машини, автоматизовані системи управління.

Таким чином, перша умова характеризує необхідність об'єктивного існування об'єкту дослідження - систем - і процесів управління різної природи, але ще не зумовлює конкретного моменту появи нової науки.

Друга умова - потреба у виконанні дослідження виникає в надрах суспільної практики, коли виявляється гостра необхідність в пізнанні об'єктивних законів управління, що заповнюють пропуски в системі, що склалася, вже відомих законів природи, суспільства, мислення.

Необхідність дослідження систем і процесів управління достатньо гостро виявилася відразу в декількох областях. По-перше, виникла потреба дослідження знарядь праці з метою автоматизації управління ними. По-друге, назріла необхідність в здійсненні оптимального синтезу людино-машинних систем. По-третє, з'явився науковий напрям, що вивчає структури і функції біологічних систем і що мають на меті як їх копіювання в техніці, так і власне і управління ними. І, нарешті, виникла необхідність дослідження складних соціально-економічних систем: управління промисловістю, наукою, фінансами, державою і ін. Проте напрям і розвиток кібернетики визначався не тільки її необхідністю для суспільної практики, але і закономірностями, внутрішньою логікою розвитку науки. Кібернетика виникла в результаті одночасної дії тенденцій до диференціації і інтеграції наукових знань при переважанні другої тенденції над першою. Диференціація науки обумовлена тим, що поступове накопичення і безперервне збільшення об'ємів інформації в кожній з наук закономірно приводить до звуження предмету дослідження. Це закономірний процес еволюційного розвитку, більшою мірою  стихійний, ніж творчий. У міру розвитку різних наук і теорій в них все помітніше виділялися розділи, які спеціально вивчав і системи і процеси управління. З другого боку, накопичення знань про схожість досліджуваних різними науками процесів, законів приводить до якісного стрибка - широкого теоретичного узагальнення, що розглядає різні явища природи, суспільства, мислення з єдиних світоглядних позицій, за допомогою єдиної термінології і загальних методів, - відбувається процес інтеграції наук.

Творчий характер змістовних аналогій між різними за своєю природою процесами і системами управління простежується в історії людської думки задовго до Н. Вінера. Ще до нашої ери з'являються образні порівняння державного правителя з керманичем на кораблі. В поемі Платона «Горгий» вперше зустрічається і слово «кібернус» - воно означає мистецтво управління кораблем. В «Левіафані» Томаса Гоббса (XVII в.) держава порівнюється з живим людським організмом. Декарт і Ламетрі проводять порівняння людини і машини. Франсуа Кене (1758 р.) будує модель економіки по аналогії з системою кровообігу. Знаменитий французький математик і фізик Андре Марі Ампер в 1834 р. в своїй роботі «Нариси по класифікації наук» називає кібернетикою науку про управління суспільством.

Кібернетика як наука широких теоретичних узагальнень займає певне місце в загальній системі наукових знань, і чітке визначення об'єкту і предмету її дослідження є важливим методологічним питанням. Для таких наук, як кібернетика, важливим є розмежування предмету науки і об'єктів її дослідження: багато наук можуть вивчати різні види законів функціонування одного і того ж об'єкту, і в той же час одна наука може досліджувати закони, загальні для багатьох якісно різних об'єктів. Саме звідси випливає можливість існування науки, що досліджує загальні закони управління в живих організмах, машинах і суспільстві. Незліченні, існуючі навколо нас об'єкти матеріального світу не є виключно системами управління і нічим більш. Наприклад, такий об'єкт, або система управління, як людина, вивчається біологією, анатомією, психологією, соціологією і т. д., причому кожна з цих наук має свій власний предмет, що характеризує певний круг закономірностей, який вона досліджує.

Наука - це система знань про об'єктивні закони існування, руху і розвитку природи, суспільства і мислення, що склалася унаслідок її необхідності для суспільної практики.

Об'єкти дослідження науки - це матеріальні явища або процеси, що вивчаються даною наукою.

Предмет науки - це основний її зміст, тобто закони існування, руху і розвитку об'єктів її дослідження, що вивчаються нею, іншими словами, предмет науки можна образно представити як «інструментарій», за допомогою якого вивчається об'єкт дослідження.

Кібернетика є самостійною наукою, закони її специфічні, тобто не є предметом дослідження ніякої іншої науки.

Об'єктивною основою існування кібернетики як науки про закони управління в системах різної природи є єдність світу, що виявляється в ізоморфізмі систем і процесів управління - схожості форми при якісно різному змісті.

Як визначення кібернетики можна привести наступне: