Кибернетика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей.

Киберне́тика (от др.-греч. kybernetike — «искусство управления», от др.-греч. kybernao — «правлю рулём, управляю», от др.-греч. Κυβερνήτης — «кормчий», в частности от этого корня происходят слова «губернатор» или английское «government» — правительство) — наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в различных системах, будь то машины, живые организмы или общество.

Содержание 1 Обзор 2 История 2.1 Корни кибернетической теории 2.2 В начале XX века 2.3 Падение и возрождение кибернетики 3 Сфера кибернетики 3.1 Направления 3.1.1 Чистая кибернетика 3.1.2 В биологии 3.2 Теория сложных систем 3.2.1 В компьютерной науке 3.2.2 В инженерии 3.2.3 В экономике и управлении 3.2.4 В математике 3.2.5 В психологии 3.2.6 В социологии 4 История 4.1 Имена 5 Примечания 6 Литература 7 См. также

[править] Обзор

Термин «кибернетика» в современном понимании как наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе впервые был предложен Норбертом Винером в 1948 году.

Стаффорд Бир назвал её наукой эффективной организации, а Гордон Паск расширил определение, включив потоки информации «из любых источников», начиная со звёзд и заканчивая мозгом. Она включает изучение обратной связи, чёрных ящиков и производных концептов, таких как управление и коммуникация в живых организмах, машинах и организациях, включая самоорганизации. Она фокусирует внимание на том, как что-либо (цифровое, механическое или биологическое) обрабатывает информацию, реагирует на неё и изменяется или может быть изменено, для того чтобы лучше выполнять первые две задачи ^[1]. Более философское определение кибернетики, предложенное в 1956 году Л.Куффиньялем (англ.), одним из пионеров кибернетики, описывает кибернетику как «искусство обеспечения эффективности действия» ^[2]. Новое определение было предложено Льюисом Кауфманом, президентом американского Общества Кибернетики, «Кибернетика — исследование систем и процессов, которые взаимодействуют сами с собой и воспроизводят себя».

Кибернетика — междисциплинарные исследования структуры регулирующих систем. Кибернетика близко связана с теорией управления и теорией систем. И в зарождении и в развитии во второй половине XX века, кибернетика одинаково применима к физическому и социальному (то есть, основанный на языке) системам.

Кибернетические методы применяются при исследовании случая когда действие системы в окружающей среде вызывает некоторое изменение в окружающей среде, а это изменение проявляется на системе через обратную связь, что вызывает изменения в способе поведения системы. В исследовнии этих «петель обратной связи» и заключаются методы кибернетики.

Современная кибернетика началась как междисциплинарные исследования, соединяющее области систем управления, теории электрических цепей, машиностроения, математического моделирования, математической логики, эволюционной биологии, неврологии, антропологии, и психологии. Эти исследования, как и сам винеровский термин «кибернетика» появились в 1940 году, в основном в трудах учёных на т.н. конференциях Мэйси (англ.).

Другие области исследований, которые влияли или были под влиянием кибернетики, включают теорию игр, теорию систем (математический эквивалент кибернетики), психология (особенно нейропсихология, бихевиоризм, познавательная психология), философия.

[править] История

[править] Корни кибернетической теории

Слово «кибернетика» сначала использовалась в контексте «исследования самоуправления» Платоном в «Законах», для обозначения управления людьми. Слово «cybernétique» использовалось практически в современном значении в 1830 году французским физиком и систематизатором наук Андре Ампером (André-Marie Ampère, 1775—1836), для обозначения науки управления в его системе классификации человеческого знания:

«КИБЕРНЕТИКА. Отношения народа к народу, изучаемые <...> предшествующими науками, — лишь небольшая часть объектов, о которых должно печься правительство; его внимания также непрерывно требуют поддержание общественного порядка, исполнения законов, справедливое распределение налогов, отбор людей, которых оно должно назначать на должности, и всё, способствующее улучшению общественного состояния. Оно постоянно должно выбирать между различными мерами, наиболее пригодными для достижения цели; и лишь благодаря глубокому изучению и сравнению разных элементов, предоставляемых ему для этого выбора знанием всего, что имеет отношение к нации, оно способно управлять в соответствии со своим характером, обычаями, средствами существования процветания организацией и законами, которые могут служить общими правилами поведения и которыми оно руководствуется в каждом особом случае. Итак, только после всех наук, занимающихся этими различными объектами, надо поставить эту, о которой сейчас идёт речь и которую я называю кибернетикой, от слова κυβερνητιχη; это слово, принятое в начале в узком смысле для обозначения искусства кораблевождения, получило употребление у самих греков в несравненно более широком значении искусства управления вообще»^[3]

Первая искусственная автоматическая регулирующая система, водяные часы, была изобретена древнегреческим механиком Ктезибием. В его водяных часах вода вытекала из источника, такого как стабилизирующий бак в бассейн, затем из бассейна на механизмы часов. Устройство Ктезибия использовало конусовидный поток, для контроля уровня воды в своём резервуаре и регулировки скорости потока воды соответственно, чтобы поддержать постоянный уровень воды в резервуаре, так, чтобы он не был ни переполнен ни осушен. Это было первым искусственным действительно автоматическим саморегулирующим устройством, которое не требовало никакого внешнего вмешательства между обратной связью и управляющими механизмами. Хотя они, естественно, не ссылались на это понятие как на науку кибернетику (они считали это областью инженерного дела), Ктезибий и другие мастера древности, такие как Герон Александрийский или китайский учёный Су Сун, как полагают, считаются одними из первых, изучавших кибернетические принципы. Исследование механизмов машинах с корректирующей обратной связью датируется ещё концом XVIII века, когда паровой двигатель Джеймса Уатта был оборудован управляющим устройством, центробежным регулятором обратной связи для того, чтобы управлять скоростью двигателя. А.Уоллес описал обратную связь как необходимую для принципа эволюции в его известной работе 1858. В 1868 году великий физик Дж.Максвелл опубликовал теоретическую статью по управляющим устройствам, одним из первых рассмотрел и усовершенствовал принципы саморегулирующихся устройств. Я.Икскюль применил механизм обратной связи в своей модели функционального цикла (Funktionskreis), для объяснения поведения животных и происхождение значения вообще.

[править] В начале XX века

Современная кибернетика началась в 1940-ых как междисциплинарная область исследования, объединяющая системы управления, теории электрических цепей, машиностроение, логическе моделирование, эволюционную биологию, неврологию. Системы электронного управления берут начало с работы инженера Bell Labs Гарольда Блэка (англ.) в 1927 году по использованию отрицательной обратной связи, для управления усилителями. Идеи также имеют отношения к биологической работе Берталанфи, Людвиг фон в общей теории систем.

Ранние применения отрицательной обратной связи в электронных схемах включали управление артиллерийскими установками и радарными антеннами во время Второй мировой войны. Джей Форрестер, аспирант в Лаборатории Сервомеханизмов в Массачусетском технологическом институте, работавший во время Второй мировой войны с Гордоном С. Брауном, над совершенствованием систем электронного управления для американского флота, позже применил эти идеи к общественным организациям, таким как корпорации и города как первоначальный организатор Школы индустриального управления Массачусетского технологического института в en:MIT Sloan School of Management. Также Форрестер известен как основатель системной динамики. У.Деминг, гуру комплексного управления качеством, которому Япония назначила свою главный послевоенный индустриальный приз, был молодым специалистом в Bell Labs в 1927 и, возможно, был под влиянием работ в области сетевого анализа). Деминг сделал «Понимающие Системы» одним из четырёх столпов того, что он описал как «Глубокое Знание» в его книге «Новая Экономика».

Многочисленные работы появились в смежных областях. В 1935 году российский физиолог П.К.Анохин издал книгу, в которой было изучено понятие обратной связи («обратная афферентация»). Исследования продолжались, в осбенности в области математического моделирования регулирующих процессов, и две ключевые статьи были опубликованы в 1943. Этими работами были «Поведение, цель и телеология» А.Розенблюта (англ.), Норберта Винера и Дж.Бигелоу (англ.); и работа «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной активности» У.Мак-Каллока и У.Питтса (англ.).

Окончательно кибернетика как научная дисциплина была основана на работах Винера, Мак-Каллока и других, таких как У.Р.Эшби и У.Г.Уолтер (англ.).

Уолтер был одним из первых, кто построил автономные роботы в помощь исследованию поведения животных. Вместе с США и Великобританией, важным географическим местоположением ранней кибернетики была Франция.

Весной 1947 года Винер был приглашён на конгресс по гармоническому анализу, проведённому в Нанси, Франция. Мероприятие было организовано группой математиков Николя Бурбаки, где большую роль сыграл математик Ш.Мандельбройт.

Во время этого пребывания во Франции Винер получил предложение написать сочинение на тему объединения этой части прикладной математики, которая найдена в исследовании броуновского движения (т.н. винеровский процесс) и в теории телекоммуникаций. Следующим летом, уже в Соединённых Штатах, он решил ввести неологизм «кибернетика» как заглавие научной теории. Это название было придумано, чтобы обозначить исследование «целенаправленных механизмов» и было популяризировано через его книгу «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». (Hermann & Cie, Париж, 1948). В Великобритании это стало центром для Ratio Club.

В начале 1940-ых Джон фон Нейман, более известный по его работам в математике и информатике, внёс уникальное и необычное дополнение в мир кибернетики: понятие клеточного автомата, и «универсального конструктора» (самовоспроизводящегося клеточного автомата). Результатом этих обманчиво простых мысленных экспериментов стало точное понятие самовоспроизводения, которое кибернетика приняла как основное понятие. Понятие, что те же самые свойства генетического воспроизводства относились к социальному миру, живым клеткам, и даже компьютерным вирусам, является дальнейшим доказательством несколько удивительной универсальности кибернетических исследований.

Винер популяризировал социальные значения кибернетики, проведя аналогии между автоматическими системами (такими как регулируемый паровой двигатель) и человеческими институтами в его бестселлере «Кибернетика и общество» (The Human Use of Human Beings: Cybernetics and Society Houghton-Mifflin, 1950).

Одним из главных центорв исследований в те времена была Биологическая компьютерная лаборатории в Иллинойском университете, под руководством фон Фёрстера в течение почти 20 лет, начиная с 1958 года.

[править] Падение и возрождение кибернетики

В течение прошлых 30 лет кибернетика прошла цикл взлётов и падений, становясь всё более значимой в области искусственного интеллекта и биологических машинных интерфейсов (то есть киборгов), и когда это исследование лишилось поддержки, область в целом сбилась со своего основного направления.

В 1970-ых новая кибернетика проявилась во многих областях, сначала в биологии. Некоторые биологи под влиянием кибернетических понятий (Матурана и Варела, 1980; Варела, 1979; Атлан, 1979), осознали, что кибернетические метафоры программы, на которых базировалась молекулярная биология, представляли собой концепцию автономии невозможную для живого существа. Следовательно, этим мыслителям пришлось изобрести новую кибернетику, более подходящую для организаций, которые человечество обнаруживает в природе — организации, которые он самостоятельно не изобрёл. Возможность того что эта новая кибернетика могла также составлять социальные формы организации, оставалась объектом дебатов среди теоретиков на самоорганизации в 1980-ых.

В политологии Проект Cybersyn попытался ввести кибернетически административно-командную экономику в течение начала 1970-ых. В 1980-ых, в отличие от её предшественника, новая кибернетика интересуется взаимодействием автономных политических фигур и подгрупп, и практического и рефлексивного сознания предметов, создающих и воспроизводящих структуру политического сообщества. Основное мнение — рассмотрение рекурсивности, или самозависимости политических выступлений, как в отношении выражения политического сознания, так и путями, в которых системы создаются на основе себя.

Geyer и van der Zouwen в 1978 году обсуждали много особенностей появляющейся «новой кибернетики». Одна особенность новой кибернетики — то, что она рассматривает информацию как построенную и восстановленную человеком, взаимодействующим с окружающей средой. Это обеспечивает эпистемологическое основание науки, рассматривая это как зависимое от наблюдателя. Другая особенность новой кибернетики — свой вклад к соединению «микромакро-промежутка». Таким образом, это связывает человека с обществом. Гайер и ван дер Зоувен также отметили, что переход от классической кибернетики к новой кибернетике приводит к переходу от классических проблем к новым проблемам. Эти изменения в размышлении включают, среди других, изменения от акцента на управляемой системе, к управляющей, и фактору, который направляет управляющие решения. И новый акцент на коммуникации между несколькими системами, которые пытаются управлять друг другом.

Недавние усилия в истинном направлении кибернетики, системы контроля и поведения на стадии становления, в таких смежных областях, как теория игр (анализ группового взаимодействия), и Metamaterials (исследование материалов со свойствами вне ньютоновых свойств их составляющих атомов), системы обратной связи в эволюции, и метаматериал (изучение материалов со свойствами за Ньютоновскими свойства их составных атомов), привели к возрождению интереса в этой всё более актуальной области.

[править] Сфера кибернетики

Объектом кибернетики являются все управляемые системы. Системы, не поддающиеся управлению, в принципе, не являются объектами изучения кибернетики. Кибернетика вводит такие понятия, как кибернетический подход, кибернетическая система. Кибернетические системы рассматриваются абстрактно, вне зависимости от их материальной природы. Примеры кибернетических систем — автоматические регуляторы в технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество. Каждая такая система представляет собой множество взаимосвязанных объектов (элементов системы), способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею. Кибернетика разрабатывает общие принципы создания систем управления и систем для автоматизации умственного труда. Основные технические средства для решения задач кибернетики — ЭВМ. Поэтому возникновение кибернетики как самостоятельной науки (Н. Винер, 1948) связано с созданием в 40-х гг. XX века этих машин, а развитие кибернетики в теоретических и практических аспектах — с прогрессом электронной вычислительной техники.

Кибернетика является междисциплинарной наукой. Она возникла на стыке математики, логики, семиотики, физиологии, биологии, социологии. Ей присущ анализ и выявление общих принципов и подходов в процессе научного познания. Наиболее весомыми теориями, объединяемыми кибернетикой, можно назвать следующие:

• Теория передачи сигналов
• Теория управления
• Теория автоматов
• Теория принятия решений
• Синергетика
• Теория алгоритмов
• Распознавание образов
• Теория оптимального управления

Кроме средств анализа, в кибернетике используются мощные инструменты для синтеза решений, предоставляемые аппаратами математического анализа, линейной алгебры, геометрии выпуклых множеств, теории вероятностей и математической статистики, а также более прикладными областями математики, такими как математическое программирование, эконометрика, информатика и прочие производные дисциплины.

[править] Направления

Кибернетика — более раннее, но всё ещё используемое общее обозначение для многих предметов. Эти предметы также простираются в области многих других наук, но объединены при исследовании управления системами.

[править] Чистая кибернетика

Чистая кибернетика изучает системы управления как понятие, пытаясь обнаружить основные её принципы.

• Искусственный интеллект
• Кибернетика второго порядка
• Компьютерное зрение
• Системы управления
• Эмерджентность
• Обучающиеся организации
• Новая кибернетика
• Interactions of Actors Theory
• Теория общения

[править] В биологии

Кибернетика в биологии — исследование кибернетических систем в биологических организмах, прежде всего сосредотачиваясь, как животные приспосабливаются к их окружающей среде, и как информация в форме генов передаются от поколения к поколению. Также имеется второе направление — киборги.

• Биоинженерия
• Биологическая кибернетика
• Биоинформатика
• Бионика
• Медицинская кибернетика
• Нейрокибернетика
• Гомеостаз
• Синтетическая биология
• Системная биология

[править] Теория сложных систем

Complexity Science attempts to analyze the nature of complex systems, and the reasons behind their unusual properties.

• Сложная адаптивная система
• Сложные системы
• Теория сложных систем

[править] В компьютерной науке

Компьютерная наука напрямую применяет концепты кибернетики для управления устройствами и анализа информации.

• Робототехника
• Система поддержки принятия решений
• Клеточный автомат
• Симуляция

[править] В инженерии

Кибернетика в инженерии используется, чтобы проанализировать отказы систем, в которых маленькие ошибки и недостатки могут привести к сбою всей системы.

• Адаптивная система
• Инженерная кибернетика
• Эргономика
• Биомедицинская инженерия
• Нейрокомпьютинг
• Техническая кибернетика
• Системотехника

[править] В экономике и управлении

• Кибернетическое управление
• Экономическая кибернетика
• Исследование операций
• Системотехника

[править] В математике

• Динамическая система
• Теория информации
• Теория систем

[править] В психологии

• Гомункул

[править] В социологии

• Меметика
• Социальная кибернетика

[править] История

Впервые термин предположительно был употреблён Платоном в смысле искусства управления кораблём или колесницей.

Термин в современном его значении ввёл Норберт Винер, считающийся отцом-основателем кибернетики (наряду с Колмогоровым), как отдельной самостоятельной науки. Само слово использовалось и ранее. Некоторые задачи кибернетики были поставлены А. А. Богдановым в его организационной науке «тектология», впоследствии забытой современниками.

В СССР в философский словарь 1954 года издания попала характеристика кибернетики как «реакционной лженауки»^[4]. В 1960-е и 1970-е гг. на кибернетику делалась большая ставка, как на техническую, так и на экономическую.

[править] Имена

• Ампер, Андре Мари (1775—1836)
• Вышнеградский, Иван Алексеевич (1831—1895)
• Норберт Винер (Norbert Wiener) (1894—1964)
• Уильям Эшби (Ashby) (1903—1972)
• Хайнц фон Фёрстер (1911—2002)
• Клод Шеннон (1916—2001)
• Грегори Бейтсон (1904—1980)
• Ляпунов Алексей Андреевич (1911—1973)
• Глушков Виктор Михайлович (1923—1982)
• Бир Стаффорд (1926—2002)
• Берг, Аксель Иванович
• Кузин, Лев Тимофеевич (1928—1997)
• Поваров, Геллий Николаевич (1928—2004)
• Тихонов, Андрей Николаевич (1906—1993)

[править] Примечания

[править] Литература

• Винер Н. Кибернетика. — М.: Советское радио, 1968
• Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. — М.: Изд. иностр. лит., 1963. — 830 с.
• Эшби У. Р. Введение в кибернетику. — М.: Изд. иностр. лит., 1959. — 432 с.
• Гринченко С. Н. История человечества с кибернетических позиций // История и Математика: Проблемы периодизации исторических макропроцессов. М.: КомКнига, 2006. С. 38-52.
• Грэхэм, Л. Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе. М. Политиздат, 1991. — 480 с.
• Кузин Л. Т. Основы кибернетики (в 2-х томах). — М.: Энергия, 1973
• Марков А. А. Что такое кибернетика. — В кн.: Кибернетика, мышление, жизнь. — М.: Мысль, 1964
• Поваров Г. Н. Ампер и кибернетика. — М.: Советское радио, 1977
• Петрушенко Л. А. Самодвижение материи в свете кибернетики. М.: Наука, 1971.
• «Отыскание истины: Россия, XXI век», «Компьютерра» № 4 от 01 февраля 2005 года
• Уроки Стаффорда Бира
• Теслер Г. С. Новая кибернетика.- Киев: Логос, 2004. — 401 с.
• «Кибернетика и информатика» Сборник научных трудов к 50-летию Секции кибернетики Дома ученых им. М.Горького РАН, Санкт-Петербург, 2006, 410 стр.
• Игнатьев М. Б. «Информационные технологии в микро-, нано- и оптоэлектронике» изд. ГУАП, Санкт-Петербург, 2008, 200 стр.
• К истории кибернетики в СССР. Очерк первый ,Очерк второй

[править] См. также

• Кибернетический подход
• Информация
• Управление
• The Principia Cybernetica Web