Исходные понятия кибернетики

Сторонники машинной математики готовы отвергнуть всякое общее математическое исследование, если машина может дать численный ответ для любого конкретного варианта. Подобные взгляды заставляют вспомнить о госпоже Простаковой, не желавшей учить сына географии, раз он всегда может взять извозчика.

Д.А. Франк-Каменецкий,

советский физик

По определению Н. Винера, кибернетика – наука об управлении и связи в животном и машине.

Понятие управления здесь употребляется в широком значении, поскольку оно в равной мере относится к техническим, биологическим и социальным системам.

Управление есть процесс информационного воздействия управляющего устройства на исполнительное.

Конкретная природа управляющих и исполнительных устройств может быть различной, но принципиальная схема процессов управления оказывается одинаковой. Для определенности дальнейшего освещения вопросов приведем несколько примеров процессов управления в системах различной природы.

Пример 1. Регулятор Уатта, управляющий работой паровой машины. Рабочий цилиндр паровой машины вращает маховик. Вокруг оси вала маховика вращаются два небольших грузика, прикрепленных к валу пружинами. При большой скорости вращения вала грузики под действием центробежных сил разбегаются, и этим их движением клапан прикрывает отверстие, через которое пар проходит в рабочий цилиндр. С прикрытием отверстия клапаном уменьшается поступление пара в рабочий цилиндр, соответственно уменьшается давление пара на поршень, и скорость вращения вала снижается до заданной величины.

Пример 2. Термостат – прибор для поддержания постоянной температуры. В простом случае это можно представить себе в виде духовки с электрическим терморегулятором, например, в виде термопары. Если в духовке температура поднимается выше заданной, то терморегулятор генерирует сигнал (ЭДС термопары), который по цепи обратной связи поступает на реостат и увеличивает его электрическое сопротивление так, чтобы уменьшилась сила тока в электрической цепи нагревателя. Вместе с величиной силы тока падает нагрев электропечи, уменьшается выделение тепла, и температура в духовке возвращается к заданному значению.

Пример 3. В живых организмах имеется множество различных механизмов и цепей саморегуляции. Например, механизм, который удерживает в нужных для организма пределах концентрацию глюкозы в крови. Ее концентрация не должна падать ниже 0,06 %, иначе ткани будут испытывать недостаток в основном источнике энергии. Но ее концентрация не должна и подниматься выше 0,18 %, иначе наступят другие нежелательные последствия. Если уровень концентрации глюкозы в крови падает ниже 0,07 %, то надпочечники начинают выделять адреналин, который заставляет печень превращать свои запасы гликогена в глюкозу, поступающую в кровь. С другой стороны, при избытке глюкозы в крови повышается секреция инсулина поджелудочной железой, что заставляет печень удалять глюкозу из крови.

Пример 4. К врачу пришел больной. Пока он неподвижно сидит на стуле, кажется, что у него со здоровьем все в порядке. Но если ему предложить сигарету, то при попытке взять ее рукой он промахнется. Затем он столь же тщетно качнет руку в обратном направлении, потом опять вперед, и, наконец, его рука начнет совершать быстрые бесцельные колебательные движения. Если ему дать стакан воды, то он всю ее расплещет, прежде чем поднесет стакан ко рту. Такой больной страдает атаксией. Его мышцы достаточно сильны и здоровы, но он не может управлять своими движениями. У него повреждение мозжечка, он болен мозжечковым тремором. По-видимому, функция мозжечка состоит в том, чтобы соразмерять мышечную реакцию с проприоцептивными сигналами, и если эта соразмерность нарушена, то одним из следствий может явиться тремор.

В процессах управления управляющее устройство играет ключевую роль. Поэтому понятие управляющей системы имеет значение не только в кибернетике, но и в других науках. Конкретная природа управляющего устройства может быть разной, но для всех случаев кибернетика устанавливает общую функциональную структуру.

Любое управляющее устройство (УУ) должно иметь чувствительный элемент, или входное устройство, с помощью которого УУ воспринимает сведения, или, как обычно говорят, информацию, например, о состоянии исполнительного устройства (ИУ). Роль такого чувствительного элемента в приведенном выше первом примере выполняют подвижные грузики, во втором – термопара, в третьем – интерорецепторы, в четвертом – проприорецепторы.

Далее, управляющая система должна содержать механизм преобразования информации, полученной от чувствительного элемента. В указанных примерах преобразование информации выглядит по-разному: в виде открытия или закрытия отверстия клапаном в первом случае, генерирования ЭДС термопарой – во втором, преобразования печенью гликогена в глюкозу – в третьем, корректирующего действия мозжечка – в четвертом.

Наконец, УУ должно иметь механизм передачи преобразованной информации от УУ к ИУ, для этого оно должно включать в себя выходное устройство. В кибернетических машинах управляющая система включает в себя еще запоминающее устройство (ЗУ), предназначенное для хранения программы и исходных данных.

УУ определяет порядок выполнения операций (команд) и координирует работу всех узлов электронной вычислительной машины (ЭВМ). Роль исполнительного устройства в ЭВМ обычно выполняют арифметические устройства, моделирующие арифметические (логические) операции, выполняющие расчеты, выводы и т. д. Следует отметить, что исполнительное устройство также имеет «вход» и «выход».

Метод кибернетического исследования является поведенческим, или, как отмечал Винер, бихевиористским.

Бихевиоризм, как известно, рассматривает поведение животных по схеме «стимул - реакция». Однако кибернетика имеет дело не только с животными, но и с поведением любых систем, в том числе и машин. Поэтому в кибернетике применяют более широкие понятия: вместо понятия «стимул» вводится понятие «вход», вместо понятия «реакция» – понятие «выход» и т. д. Процесс управления в общем виде может быть представлен схематически:

С выхода УУ подается управляющий сигнал на вход исполнительного устройства. На выходе ИУ можно наблюдать поведение объекта управления, то есть серию действий ИУ.

Как видим, понятия «управление», «объект управления», «вход», «выход» не содержат никакого упоминания о специфической структуре и внутренней организации объекта управления (ИУ). Это умолчание имеет принципиальное значение, так как в кибернетике используется поведенческое рассмотрение объекта, а не структурно-функциональное. В кибернетике объект управления уподобляется некоему «черному ящику» в том смысле, что мы ничего не знаем о его содержимом. Здесь известно лишь, какая серия сигналов подается на вход ИУ, а также его реакция, или поведение на выходе. В отличие от этого при структурно-функциональном подходе главную цель изучения составляет внутренняя организация объекта, а его поведение мало интересует исследователя.

Под поведением в кибернетике понимается любое изменение отношения объекта управления к окружающей среде. Поведение считается активным, если объект управления является источником энергии своих действий. Если же реакция объекта управления совершается за счет энергии, поступившей на его вход извне, то такое поведение оценивается как пассивное.

Активное поведение можно подразделить на два вида – нецеленаправленное, или случайное, и целенаправленное.

Целенаправленность означает, что поведение определяется заранее заданным (или известным) результатом, то есть конечным состоянием. Совершая произвольное действие, мы произвольно выбираем специфическую цель, а не специфическое движение.

Так, решив взять стакан с водой и поднести его ко рту, мы не приказываем определенным мышцам сократиться в определенной последовательности и степени, мы просто задаемся целью, как отмечал Винер, и реакция следует автоматически.

Физиологический функциональный (бихевиористский) подход не способен объяснить произвольной деятельности, тогда как целевой, или телеологический, подход решает такую задачу. Более того, бихевиористский подход, объясняющий поведение по схеме «стимул - реакция», в принципе не объясняет произвольного действия, потому что, как показал Н.А. Бернштейн, исполнительный (костно-мускульный) аппарат по необходимости должен иметь множество степеней свободы.

Многие виды механизмов и устройств функционируют нецеленаправленно. Например, часы: хотя они и характеризуются регулярным поведением, но нет такого специфического состояния, к которому бы стремилось движение часов. Подобно этому и ружье: хотя его и можно использовать для определенной цели, но в механизм его действия не заложена никакая цель, поэтому возможна случайная пальба, нарочито бесцельная.

Напротив, в механизм действия активных целенаправленных систем заложена специфическая цель, например, торпеду снабжают механизмом поиска цели. Для обозначения машин с внутренне целенаправленным поведением был введен специальный термин «сервомеханизм».

Активное целесообразное поведение подразделяют на два вида – с обратной связью (ОС) и без нее. При наличии ОС сигнал с выхода исполнительного устройства, несущий сообщение о поведении объекта управления, подается обратно на вход управляющего устройства:

В общем случае обратная связь устанавливается для того, чтобы УУ могло контролировать и регулировать поведение ИУ.

Но иногда это нужно для того, чтобы знать, выполнена команда, переданная от УУ к ИУ, или нет. Это важно, так как УУ и ИУ могут отстоять друг от друга на значительном расстоянии, или из-за условий плохой видимости. Например, диспетчер на железнодорожной станции должен поднять семафор и разрешить движение поезда по рельсам. Для этого он нажимает на соответствующую кнопку пульта управления. Но может случиться, что на линии передачи командного сигнала произойдет обрыв электроцепи, и тогда семафор не сработает, а диспетчер не будет об этом знать. Поэтому на семафоре устанавливается чувствительное устройство, например электромагнитное реле, которое при поднятии семафора срабатывает и передает на пульт управления сигнал о выполнении команды.

Однако кибернетиков интересует другое назначение ОС, а именно, для коррекции поведения объекта управления. При этом обратную связь подразделяют на два вида – положительную и отрицательную. Открытие указанных видов ОС – еще одна заслуга кибернетики. С тех пор эти понятия вошли в широкий обиход в разных видах науки и практики.

При положительной обратной связи сигнал, пришедший от ИУ в УУ, сообщает, что поведение объекта управления соответствует командам, но цель еще не достигнута. Поэтому УУ усиливает ту же команду, чтобы ИУ быстрее достигло поставленной цели. Это значит, что при положительной ОС командный сигнал и сигнал обратной связи имеют одинаковую информационную структуру, поэтому они просто складываются и суммарный сигнал снова подается на вход ИУ. Из-за простого сложения сигналов прямой и обратной связи данный вид обратной связи и называют положительной.

Иное назначение имеет отрицательная ОС. В процессе управления объектом в его поведении могут произойти значительные отклонения и он не достигнет поставленной цели. Для подобных случаев между УУ и ИУ устанавливается отрицательная ОС. Сигнал, пришедший в УУ по отрицательной ОС, показывает фактическое состояние объекта управления. Поэтому УУ должно оценить, насколько объект отклонился от цели, и сформировать новую, скорректированную команду с последующей передачей ее на вход ИУ.

Например, зенитную ракету направили сбить летящий самолет, который, однако, успел изменить свой курс, и тогда УУ должно скорректировать траекторию ракеты. Активное целенаправленное поведение с отрицательной ОС называют телеологическим (это слово производно от латинского «телеос» – цель).

Остановимся еще на кибернетическом значении понятия гомеостаза. Это слово происходит от древнегреческого «гомеостазис», означающего «одинаковое состояние». Этот термин предложил в 1929 году американский биолог У. Кеннон, истолковав его в узком физиологическом смысле в связи со своей концепцией «мудрости тела». Применять такую концепцию к механическим или электротехническим устройствам нельзя. Поэтому в 1948 году один из основателей кибернетики английский биолог У.Р. Эшби провел обширное исследование и детально разработал широкую концепцию устойчивости динамических равновесных систем, которая применима к системам любой природы. Так возникла кибернетическая концепция гомеостаза. Именно в кибернетическом истолковании это понятие получило широкое признание и применение в разных областях науки и практики.

Гомеостаз – это процесс саморегуляции систем любой природы относительно заданного состояния на основе обратных связей, обеспечивающий динамическое равновесие системы, называемой гомеостатом.

Функцию гомеостаза могут выполнять системы различной природы, например, регулятор Уатта, термостат, автопилот, регулятор кровяного давления в животном организме и т. д.

Рассмотренные понятия являются исходными и базовыми для кибернетики. Уже с 60-70-х годов они обрели статус общенаучных, поскольку имеют существенное значение для естественных, гуманитарных и технических дисциплин. К сожалению, не все базовые понятия кибернетики оказались столь простыми и четко определяемыми, как рассмотренные выше. Среди существенно важных и ключевых для кибернетики понятий особое положение занимают два - информация и искусственный интеллект, которые до сих пор не получили глубокого качественного осмысления. Особенно трудным и наименее разработанным оказалось второе. По нашему мнению, необходимым условием качественного развития кибернетики является расширение состава ее базовых понятий или хотя бы более глубокое решение вопроса о природе информации и интеллекта. Ниже мы остановимся на качественной характеристике информации. Необходимость выяснения качественной стороны, или природы, информации для самой кибернетики и особенно для решения многих прикладных задач была осознана уже в 60-70-е годы. С тех пор были выдвинуты разные подходы к решению вопроса и высказано большое число разных точек зрения, но общепринятого решения пока не существует. Мы не будем освещать различных точек зрения (отчасти устаревших), а остановимся лишь на сопоставлении информации с энтропией, чтобы подойти к авторскому решению вопроса.