Зарождение и развитие кибернетики

Блестящие работы И. П. Павлова обогатили физиологию высшей нервной деятельности учением об условных рефлексах и формулировкой принципа обратной афферентации, являющегося аналогом принципа обратной связи в теории автоматического регулирования. Труды И. П. Павлова стали основой и отправным пунктом для ряда исследований в области кибернетики, и биологической кибернетики в частности.

Материальной  базой реализации управления с использованием методов кибернетики является электронная  вычислительная техника. При этом «кибернетическая эра» вычислительной техники характеризуется появлением машин с «внутренним программированием» и «памятью», т. е. таких машин, которые в отличие от логарифмической линейки, арифмометров и простых клавишных машин могут работать автономно, без участия человека, после того как человек разработал и ввел в их память программу решения сколь угодно сложной задачи. Это позволяет машине реализовать скорости вычислений, определяемые их организацией, элементами и схемами, не ожидая подсказки «что дальше делать» со стороны человека-оператора, не способного выполнять отдельные функции чаще одного-двух раз в секунду. Именно это и позволило достичь в настоящее время быстродействия ЭВМ, характеризующегося сотнями тысяч, миллионами, а в уникальных образцах — сотням миллионов арифметических операций в секунду.

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.