Реферат: Основные понятия кибернетики

Основные понятия кибернетики

Реферат

Основные понятия кибернетики

Кибернетика - это наука о системах любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования.

Эта формулировка - одно из многих определений кибернетики. Можно привести и ряд других.

Кибернетика - это наука о системах, открытых для энергии, но замкнутых для информации и управления.

Кибернетика - это наука, изучающая любые обособленные информируемые, информирующие и информационные системы.

Кибернетика - это наука, изучающая способы создания, раскрытия строения и тождественного преобразования алгоритмов, описывающих процессы управления.

Кибернетика - наука об оптимальном, целенаправленном управлении сложными развивающимися системами.

Несмотря на внешние отличия этих определений, ознакомление с их конкретным содержанием позволяет установить, что имеющиеся различия связаны не с сущностью самого предмета, а с особенностями подхода к изучаемым явлениям. Это становится ясным, если рассмотреть основные понятия и принципы, сформулированные в кибернетике.

Подзаголовок книги Н.Винера <Кибернетика> - control and communication in the animal and the machine. Однако заслуга кибернетики, как науки, не в том, что в ней подчеркивается внешнее сходство в функциях животных и машин. Это было замечено задолго до появления кибернетики и просматривается вплоть до Ламеттри (La Mettrie) и Декарта. И не в том, что эта наука ввела в обиход понятие обратной связи т.е. регуляции управляющих воздействий на основе информации об их результатах. Само по себе представление об обратной связи было известно со времен создания оросительных систем в древнем Вавилоне. Однако принципиально важным было обратить внимание на то, что любая система с обратной связью является автоматически целенаправленной и что различие между автоматически направляемой системой и системой, преследующей цель в результате усилия воли, является чисто "внутренним": его нельзя установить с достоверностью с помощью какого-либо внешнего критерия.

Таким образом, заслуга кибернетики состоит в демонстрации того, что как животные, так и машины могут быть включены в новый и более обширный класс объектов, отличительной особенностью которых является наличие систем управления. Другими словами, кибернетика не просто проводит аналогии между животными и машинами, но занимается вопросами развития систем на столь абстрактном уровне, что для нее и животные, и машины выступают лишь как частные случаи, к которым можно приближаться, моделируя их.

Значимость кибернетики также и в том, что в ее рамках стало возможным говорить о живых организмах, включая человека, и о машинах на одном языке, который годится для описания любых телеологических (целенаправленных) систем. Это последнее допущение, эпистемиологическое по своей сути, в значительной мере определяет специфику средств и методов, используемых в кибернетике.

Анализ существующих взглядов на предмет и содержание этой области знания показывает, что основа кибернетики - принципы организации сложных систем, процессы передачи, хранения и переработки информации, механизмы целенаправленного управления. Именно эти принципы, процессы и механизмы используются для изучения специфических свойств управления и связи, обеспечивающих синтез или имитацию поведения живых организмов и автоматических систем, и составляют суть кибернетических исследований.

Одна из основных идей, внесенных кибернетикой в современное мировоззрение, заключается в новом взгляде на составляющие, из которых состоит окружающий нас мир. Классическое представление о мире, состоящем из материи и энергии уступило взгляду на мир, включающему три составляющие - материю, энергию, и информацию, так как без информации организованные системы немыслимы.

Стало очевидным также, что любые сложные системы не определяются полностью одним лишь их физическим описанием. Должны быть также описаны их информационное содержание и структура управления. Например, система «ген» не определяется полностью описанием молекул ДНК; в гене заключена, помимо этого, информация, закодированная в конфигурации молекул, а также в контурах управления, синтезирующих белки, и в таком контексте ген становится единицей наследственности.

Еще одним принципиальным вопросом, выдвинутым кибернетикой, стал вопрос о соотношении возможностей вычислительных машин и мышления, как крайних типов управляющих систем: полностью формализованной - в случае ЭВМ, и совсем не формализованной, когда речь идет о мышлении.

По мере развития кибернетики взгляд на этот основной вопрос трансформировался, стали разделять собственно кибернетику и искусственный интеллект. Причем, в рамках искусственного интеллекта разрабатываются модели систем, реализующих разные стороны познавательной деятельности, но без требования, чтобы методы, которые при этом используются были теми же, что используют люди и животные. В то же самое время, в собственно кибернетике речь идет о “подобии” живым прототипам.

Кибернетика имеет два аспекта: “синтаксический” и “семантический”, используя эти термины аналогично тому, как это делается в лингвистике. Первый аспект связан с изучением принципов, определяющих функционирование множества всех возможных систем, второй - с изучением соотношений между этими принципами и реально существующими системами из разных областей знаний. При этом главное внимание уделяется очень сложным вероятностным саморегулирующимся системам, являющимся предметом исследования в кибернетике.

Подход к исследованию таких систем осуществляется на уровне организации и информации, а свойства материала, из которого сделаны системы, учитываются только в том случае, когда они влияют на организацию. Для получения конкретных специальных результатов широко используются разнообразные математические методы, позволяющие строить эффективные динамические модели, что является основным методическим приемом в кибернетических исследованиях.

Сейчас уже абсолютно ясно, что многие концептуальные схемы, определяющие, например, поведение живых организмов при решении конкретных задач, практически идентичны схемам, характеризующим процессы управления в сложных технических системах. Более того, не вызывает сомнения, что и социальные модели управления и модели управления в экономике могут быть проанализированы на основе тех же общих положений и в рамках понятий, которые разработаны к настоящему времени в кибернетике.

В изучении общих закономерностей, присущих весьма разнообразным по своей природе и по конкретным механизмам их деятельности системам, необходимо далеко идущее абстрагирование, основанное на ряде математических дисциплин (теория вероятностей, математическая статистика, теория множеств, функциональный анализ, топология и т.д.). Опираясь в своем развитии на математические дисциплины, кибернетика вместе с тем способствует их развитию и возникновению новых направлений математической науки. Фактически в прямой зависимости от кибернетики возникли и оформились в самостоятельные направления такие математические дисциплины как теория информации, теория игр, теория автоматов и некоторые другие.

Организация. В триединой сущности кибернетики - организация , информация, управление - организацию можно условно поставить на первое место как начальное условие для последующего анализа кибернетических систем От Дж. фон Неймана идет представление о том, что когда исследуются сложные системы вопрос, как элементы исследуемых систем работают, является только одной частью проблемы,. Вторая часть - вопрос о способе, каким элементы соединены в целое. И именно эта часть является собственно кибернетической, так как она связана с организацией систем и оценкой степени их организованности.

Обычно под организацией понимают объединение множества элементов в некое целое, подчиняющее их разнообразную деятельность какому-то общему порядку, который определяет специфические свойства образующейся при этом системы.

В свою очередь, система - совокупность взаимодействующих элементов или процессов, объединенных в целое выполнением некоторой общей функцией, несводимой к функции ее компонентов. Таким образом понятия системы и организации тесно связаны между собой.

В качестве признаков системы можно выделить следующие: во взаимодействиях со средой система выступает как единое целое; каждый элемент внутри системы является неделимым; при изменениях внешних условий и внутреннего состояния сохраняется общая структура взаимодействий между элементами системы.

Общим для всех систем является наличие определенных входных переменных, которые преобразуются в выходные переменные в соответствии с функцией, реализуемой этой системой. Наиболее полной характеристикой любой системы является описание всей совокупности значений величин, определяющих ее поведение. Эта совокупность определяется множеством входных величин, множеством выходных величин, множеством внутренних состояний, множеством функций перехода состояний и множеством функций выхода и представляет собой пространство состояний системы.

Как правило, пространство состояний является - мерным, где задается количеством независимых переменных и определяет число координат. В пространстве состояний системы количество независимых переменных является числом степеней ее свободы.

Наличие большого числа элементов, взаимодействующих между собой непростым образом, приводит к тому, что в кибернетических системах целое больше, чем сумма частей, в том смысле, что по заданным свойствам частей и их взаимодействиям нельзя правильным образом получить выводы о свойствах этой системы в целом.

Организация кибернетических систем проявляется также в процессе управления. Характерным является то, что для организованных систем в каждый момент времени динамика протекающих в них процессов определяется относительно небольшим количеством параметров, и это, в свою очередь, позволяет рационально строить процесс управления и отыскивать наиболее важные свойства таких систем.

Сложность кибернетических систем, как правило, проявляется в форме иерархии, и все иерархические системы обладают общими свойствами, не зависящими от конкретного содержания самих этих систем, а определяемыми интенсивностями и структурами взаимодействий подсистем, из которых они состоят.

Исходя из этого, под иерархической системой понимают систему, состоящую из взаимосвязанных подсистем, каждая из которых в свою очередь является иерархической по своей структуре, и т.д. до тех пор, пока мы не дойдем до некоторого самого нижнего уровня элементарных подсистем. Таким образом, особенностью иерархических структур является последовательное расчленение системы на подсистемы, между которыми устанавливаются отношения соподчиненности.

Хорошо известна иерархическая организация биологических систем. Если считать элементарной подсистемой клетку, то клетки организованы в ткани, ткани - в органы, органы - в системы органов, системы органов - в организм и т.д.

С представлениями об иерархической организации тесно связаны представлениям об уровнях организации, т.е. об уровнях описания, абстрагирования и сложности принимаемых решений для кибернетических систем. Из этих представлений следует, что, например, живыми организмами имеет смысл заниматься только на более высоких уровнях, чем физические и химические процессы, и что именно на этих уровнях возникают совершенно новые явления, весьма существенные для самоорганизующихся систем и не заметные на более низких уровнях.

По характеру своей организации, проявляющейся в функционировании все системы можно разделить на детерминированные и вероятностные. Детерминированной является система, при исследовании которой не возникает никакой неопределенности. Для такой системы, если заданы предыдущее состояние, входной сигнал и правила преобразования входного сигнала, то последующее состояние можно предсказать безошибочно. Если при тех же условиях предсказание можно сделать только с большей или меньшей вероятностью, то такая система называется вероятностной. Выше уже упоминалось, что именно вероятность является одной из характеристик систем, являющихся предметом исследования в кибернетике.

Существенной характеристикой любой сложной системы является степень ее организованности, зависящая от степени разнообразия элементов и связей между ними, а также множественностью связей, т.е. достаточной структурной и функциональной сложностью системы. Организованность, т.е. наличие определенной структуры, выражающейся в целесообразности составляющих систему элементов и связей между ними , является необходимым условием для существования в системе хотя бы потенциальных возможностей к управлению.

Определить понятие организованности достаточно сложно, но интуитивно понятно, что для организованных систем характерна большая или меньшая упорядоченность, а в качестве меры упорядоченности можно принять степень отклонения состояния системы от термодинамического равновесия.

Можно считать, что организация возникает в тот момент, когда связь между двумя величинами начинает зависеть от значения или состояния третьей. Это можно проиллюстрировать на условном примере («остов палатки»). Пусть a необходимо для в и с, в - для a и с, с - для a и в. Никакие два из этих членов не могут существовать без третьего, и потому любая попытка построить такую систему последовательным прибавлением членов оборвется на первом же шаге. Другими словами, система такого рода представляет собой и может существовать как единое целое, где взаимодействие между каждой парой элементов зависит от третьего элемента.

Одной из особенностей организованной системы является свойство извлекать порядок для поддержания или даже повышения собственной упорядоченности. Этот последний случай представляет особый интерес, так как позволяет предположить существование универсального принципа обеспечивающего, например, биологическим системам повышать упорядоченность структуры и функции в ходе роста, развития и приспособления к окружающей среде. Кибернетические системы, в которых реализуется этот принцип получили название самоорганизующихся.

Характерной особенностью самоорганизующихся систем является их способность изменять свое поведение в зависимости от изменений той среды, в которой они функционируют. Такое поведение включает в себя и простое приспособление, обеспечиваемое обратной связью, и более сложную его разновидность - приспособление посредством обучения. При этом решаются два класса задач управления: управление внутренней организацией системы и управления ее функционированием.

Термин «самоорганизация» имеет , по крайней мере, два значения. Первое значение относится к случаю, когда в наличии система, все части которой вначале отделены друг от друга, а затем в процессе работы между ними образуются связи. Второе значение относится к случаю, когда имеет место переход от системы с «плохой организацией» к системе с « хорошей организацией».

В кибернетике под «хорошей организацией» понимается такая, которая в каждом конкретном случае обеспечивает взаимодействие частей системы для достижения некоторого заданного условия (целевой функции). Но в принципе понятие «хорошая организация» является относительным. Например, многообразие функциональных связей между отдельными частями мозга животных хорошо постольку поскольку внешняя среда богата связями. Когда части окружающей среды не очень связаны (независимы) приспособление будет идти быстрее, если части мозга также будут слабо связаны (независимы).