Кибернетика

К наиболее ранним и близким  прообразам современных цифровых ЭВМ  относится «аналитическая машина»  английского математика Чарльза  Беббиджа (1792—1871 гг.). В первой половине XIX века он разработал проект машины для автоматического решения задач, в котором гениально предвосхитил идею современны кибернетических машин. Машина Беббиджа содержала арифметическое устройство («мельницу») и память для хранения чисел («склад»), т. е. основные элементы современных ЭВМ.

Большой вклад в развитие кибернетики и вычислительной техники сделан английским математиком Аланом Тьюрингом (1912-1954 гг.). Выдающийся специалист по теории вероятностей и математической логике, Тьюринг известен как создатель теории универсальных автоматов и абстрактной схемы автомата, принципиально пригодного для реализации любого алгоритма. Этот автомат с бесконечной памятью получил широкую известность как «машина Тьюринга» (1936 г.). После второй мировой войны Тьюринг разработал первую английскую ЭВМ, занимался вопросами программирования и обучения машин, а в последние годы жизни - математическими вопросами биологии.

Исключительное значение для развития кибернетики имели  работы американского ученого (венгра по национальности) Джона фон Неймана (1903—1957 гг.) — одного из самых выдающихся и разносторонних ученых нашего века. Он внес фундаментальный вклад в область теории множеств, функционального анализа, квантовой механики, статистической физики, математической логики теории автоматов, вычислительной техники. Благодаря ему получили развитие новые идеи в области этих научных направлений. Д. фон Нейман в середине 40-х годов разработал первую цифровую ЭВМ в США. Он — создатель новой математической науки — теории игр, непосредственно связанной с теоретической кибернетикой. Им разработаны пути построения сколь угодно надежных систем из ненадежных элементов и доказана теорема о способности достаточно сложных автоматов к самовоспроизведению и к синтезу более сложных автоматов.

Важнейшие для кибернетики  проблемы измерения количества информации разработаны американским инженером и математиком Клодом Шенноном, опубликовавшим в 1948 г. классический труд «Теория передачи электрических сигналов при наличии помех» в котором заложены основные идеи существенного раздела кибернетики — теории информации.

Ряд идей, нашедших отражение в кибернетике, связан с именем советского математика академика А. Н. Колмогорова. Первые в мире работы в области линейного программирования (1939 г.) принадлежат академику Л. В. Канторовичу.

Необходимо отметить и труды А. А. Богданова (1873—1928 гг.) в этой области. Всем известна острая критика, которой В. И. Ленин подверг А. А. Богданова за его путаные философские построения. Но Богданов был также автором ряда работ по политической экономии и большой монографии «Всеобщая организационная наука (тектология)». Эта работа, опубликованная впервые в 1912—1913 гг., а затем изданная в виде трехтомника в 1925—1929 гг., содержит ряд оригинальных идей, предвосхищающих многие положения современной кибернетики.     

Появление в 1948 г. работы Н. Винера было представлено на Западе некоторыми журналистами как сенсация. О кибернетике, вопреки мнению самого Винера, писали как о новой универсальной науке, якобы способной заменить философию, объясняющую процессы развития в природе и обществе. Все это наряду с недостаточной осведомленностью отечественных философов с первоисточниками из области теории кибернетики привело к необоснованному отрицанию ее в нашей стране как самостоятельной науки.

Однако уже в середине 50-х годов положение изменилось. В 1958 г. в русском переводе выходит первая книга Н. Винера, а в 1959 г.— книга «Введение в кибернетику» английского биолога У. Р. Эшби, написанная им в 1958 г. Эта, а также другие работы Эшби, в частности его монография «Конструкция мозга» (1952 г.) принесли ученому широкое признание в области кибернетики, и биологической кибернетики в частности.

Интенсивное развитие кибернетики  в нашей стране связано с деятельностью таких крупных ученых, как академик А. И. Берг (1893—1979 гг.) — выдающийся ученый, организатор и бессменный руководитель Научного совета по кибернетике АН СССР;

академик В. М. Глушков (1923—1982 гг.) — математик и автор ряда работ по кибернетике, теории конечных автоматов, теоретическим и практическим проблемам автоматизированных систем управления; академик В. А. Котельников, разработавший ряд важнейших проблем теории информации; академик С. А. Лебедев (1902—1974 гг.), под руководством которого был создан ряд быстродействующих ЭВМ; член-корреспондент АН СССР А. А. Ляпунов (1911—1973 гг.)—талантливый математик, сделавший очень много для распространения идей кибернетики в нашей стране; академик А. А. Харкевич (1904—1965 гг.) — выдающийся ученый в области теории информации, и многих других. Большой вклад в развитие экономической кибернетики внесли академики Н. П. Федоренко и А. Г. Аганбегян. Первые работы по сельскохозяйственной кибернетике выполнены М. Е. Браславцем, Р. Г. Кравченко, И. Г. Поповым. Поэтому не случайно, что признавая конкретные достижения отдельных русских и советских ученых в области кибернетики, некоторые зарубежные исследователи по праву называют второй родиной этой науки Советский Союз.

Предмет кибернетики ее методы и цели.

Кибернетика как наука  об управлении имеет очевидно объектом своего изучения управляющие системы. Для того чтобы в системе могли протекать процессы управления она должна обладать определенной степенью сложности. С другой стороны, осуществление процессов управления в системе имеет смысл только в том случае, если эта система изменяется, движется, т. е. если речь идет о динамической системе. Поэтому можно уточнить, что объектом изучения кибернетики являются сложные динамические системы. К сложным динамическим системам относятся и живые организмы (животные и растения), и социально-экономические комплексы (организованные группы людей, бригады, подразделения, пред приятия, отрасли промышленности, государства), и технические агрегаты (поточные линии, транспортные средства, системы агрегатов).

Однако, рассматривая сложные  динамические системы, кибернетика  не ставит перед собой задач всестороннего изучения ид функционирования. Хотя кибернетика и изучает общие закономерности управляющих систем, их конкретные физические особенности находятся вне поля ее зрения. Так, при исследовании с позиций кибернетической науки такой сложной динамической системы, как мощная электростанция, мы не сосредоточиваем внимания непосредственно на вопросе о коэффициенте ее полезного действия, габаритах генераторов, физических процессах генерирования энергии и т. д. Рассматривая работу сложного электронного автомата, мы не интересуемся, на основе каких элементов (электромеханические реле, ламповые или транзисторные триггеры, ферритовые сердечники, полупроводниковые интегральные схемы) функционируют его арифметические и логические устройства, память и др. Нас интересует, какие логические функции выполняют эти устройства, как они участвуют в процессах управления. Изучая, наконец, с кибернетической точки зрения работу некоторого социального коллектива, мы не вникаем в биофизические и биохимические процессы, происходящие внутри организма индивидуумов, образующих этот коллектив.

Изучением всех перечисленных  вопросов занимаются механика, электротехника, физика, химия, биология. Предмет кибернетики составляют только те стороны функционирования систем, которыми определяется протекание в них процессов управления, т. е. процессов сбора, обработки, хранения информации и ее использования для целей управления. Однако когда те или иные частные физико-химические процессы начинают существенно влиять на процессы управления системой, кибернетика должна включать их в сферу своего исследования, но не всестороннего, а именно с позиций их воздействия на процессы управления. Таким образом, предметом изучения кибернетики являются процессы управления в сложных динамических системах.

Всеобщим методом познания, в равной степени применимым к  исследованию всех явлений природы и общественной жизни, служит материалистическая диалектика. Однако, кроме общефилософского метода, в различных областях науки применяется большое количество специальных методов.

До недавнего времени в биологических  и социально-экономических науках современные математические методы применялись в весьма ограниченных масштабах. Только последние десятилетия характеризуются значительным расширением использования в этих областях теории вероятностей и математической статистики, математической логики и теории алгоритмов, теории множеств и теории графов, теории игр и исследования операций, корреляционного анализа, математического программирования и других математических методов. Теория и практика кибернетики непосредственно базируются на применении математических методов при описаний и исследовании систем и процессов управления, на построении адекватных им математических моделей и решении этих моделей на быстродействующих ЭВМ. Таким образом, одним из основных методов кибернетики является метод математического моделирования систем и процессов управления.

К основным методологическим принципам кибернетики относился применение системного и функционального подхода при описании и исследовании сложных систем. Системный подход исходя из представлений об определенной целостности системы выражается в комплексном ее изучении с позиций системного анализа, т.е. анализа проблем и объектов как совокупности взаимосвязанных элементов.

Функциональный анализ имеет своей  целью выявление и изучение функциональных последствий тех или иных явлений или событий для исследуемого объекта. Соответственно функциональный подход предполагает учет результатов функционального анализа при исследовании и синтезе систем управления.

Основная цель кибернетики  как науки об управлении - добиваться построения на основе изучения структур и механизмов управления таких систем, такой организации их работы, такого взаимодействия элементов внутри этих систем и такого взаимодействия с внешней средой, чтобы результаты функционирования этих систем были наилучшими,  т.е. приводили бы наиболее быстро к заданной цели функционирования при минимальных затратах тех или иных ресурсов (сырья, энергии, человеческого труда, машинного времени горючего и т. д.). Все это можно определить кратко термином «оптимизация». Таким образом, основной целью кибернетики является оптимизация систем управления.                  

Место кибернетики в системе  наук

Теоретическая кибернетика, подобно математике, является по существу абстрактной наукой. Ее задача - разработка научного аппарата и методов исследования систем управления независимо от их конкретной природы. В теоретическую кибернетику вошли и получили дальнейшее развитие такие разделы прикладной математики, как теория информации и теория алгоритмов, теория игр, исследование операций и др. Ряд проблем теоретической кибернетики разработан уже непосредственно в недрах этого научного направления, а именно: теория логических сетей, теория автоматов, теория формальных языков и грамматик, теория преобразователей информации и т. д.

Теоретическая кибернетика  включает также общеметодологические и философские проблемы этой науки.

В зависимости от типа систем управления, которые изучаются прикладной кибернетикой, последнюю подразделяют на техническую, биологическую и социальную кибернетику.

Техническая кибернетика - наука об управлении техническими системами. Техническую кибернетику часто и, пожалуй, неправомерно отождествляют с современной теорией автоматического регулирования и управления. Эта теория, конечно, служит важной составной частью технической кибернетики, но последняя вместе с тем включает вопросы разработки и конструирования автоматов (в том числе современных ЭВМ и роботов), а также проблемы технических средств сбора, передачи, хранения и преобразования информации, опознания образов и т. д.

Биологическая кибернетика  изучает общие законы хранения, передачи и переработки информации в биологических системах. Биологическую кибернетику в свою очередь подразделяют: на медицинскую кибернетику, которая занимается главным образом моделированием заболеваний  и использованием этих моделей для диагностики, прогнозирования и лечения; физиологическую кибернетику, изучающую и моделирующую функции клеток и органов в норме и патологии; нейрокибернетику, в которой моделируются процессы переработки информации в нервной системе; психологическую кибернетику, моделирующую психику на основе изучения поведения человека. Промежуточным звеном между биологической и технической кибернетикой является бионика — наука об использовании моделей биологических процессов и механизмов в качестве прототипов для совершенствования существующих и создания новых технических устройств.

Социальная кибернетика - наука, в которой используются методы и средства кибернетики в целях исследования и организации процессов управления в социальных системах. Необходимо, однако, учитывать, что социальная кибернетика, изучающая закономерности управления обществом в количественном аспекте, не может стать всеобъемлющей наукой об управлении обществом, характеризующимся в значительной мере неформализуемыми явлениями и процессами.

В связи с этим наибольшие практические успехи в современных условиях могут быть достигнуты в результате применения кибернетики в области управления экономикой, производственной деятельностью как важнейшими основами развития общества. Среди социальных подсистем именно экономика характеризуется наиболее развитой системой количественных показателей и соотношений. Сферой экономической кибернетики являются проблемы оптимизации управления народным хозяйством в целом, его отдельными отраслями, экономическими районами, промышленными комплексами, предприятиями и т. д.

В качестве основного  метода экономической кибернетики используется экономико-математическое моделирование, позволяющее представить динамику развития производственно-экономических систем разрабатывать меры по улучшению их структуры и методы экономического прогнозирования и управления. Основным направлением и одной из важнейших целей экономической кибернетики в настоящее время стала разработка теории построения и функционирования автоматизированных систем управления (АСУ). Необходимость создания АСУ обусловливается высокими темпами роста производства, углублением его специализации, расширением кооперирования предприятии, существенным увеличением числа межхозяйственных связей и их усложнением. В ходе развития этих процессов происходит снижение эффективности традиционных методов управления производством, возникает настоятельная необходимость привлечения на помощь руководителю кибернетической техники, т. е. создания систем управления «человек — машина» которые нашли реальное воплощение в виде АСУ. Особенности сельскохозяйственного производства (территориальная рассредоточенность, большая длительность производственных циклов, сильное влияние случайных факторов и др.) повышают значение АСУ в управлении им.