Кибернетика и ее принципы

     Введение 

     В современной науке проходят интенсивные  процессы дифференциации и интеграции знания, развиваются комплексные  и междисциплинарные исследования, новые способы и методы познания, методологические установки, появляются новые элементы картины мира, выделяются новые, более сложные типы объектов познания, характеризующиеся историзмом, универсальностью, сложностью организации, которые раньше не поддавались теоретическому моделированию. Одним из таких объектов является процесс самоорганизации. Изучением этого процесса занимаются кибернетика и синергетика. 

 

1. Кибернетика и ее принципы

 

1.1. Понятие кибернетики 

     Кибернетика (с греч. управление, искусство управления) – возникла в 40-х гг. ХХ века в результате насущной практической потребности в повышении качества управления в производственно-технической, хозяйственной, политический, военной и других областях человеческой деятельности.

     Отцом кибернетики по праву называют выдающегося  американского математика Н.Венера, который в 1948 г. впервые сформулировал  основные идеи и принципы этой науки. Возникновение кибернетики было подготовлено всем предшествующим развитием науки – в первую очередь теории автоматического регулирования следящих систем, техники переработки и передачи информации, теории игр и оптимальных решений, физиологии (теории рефлексов), медицины, математической, логики, теории алгоритмов и машин, радиоэлектроники и других наук. Решающую роль в появление и в развитии кибернетики имело появление электронной автоматики и быстродействующих ЭВМ.

     В создании кибернетики принимали участие многие ученые: Д.Биглоу, К.Шеннон, И.М.Сеченов, И.П.Павлов, А.М.Ляпунов, А.А.Марков, А.Н.Колмогоров и др.

     Кибернетика – это наука об управлении и связи, оптимальном управлении, о восприятии, хранении и переработке информации, о причинных сетях. Каждое из этих определений подчеркивает существенную сторону кибернетики.

     Область применения кибернетики определил  Н.Винер – это машины, живые  организмы и их объединения.

     Исходя  из вышесказанного, кибернетика – это наука об управлении в машинах, живых организмах и их объединениях на основе получения, хранения, переработки и использовании информации. Кибернетика – это наука об управлении в кибернетических системах. Кибернетические системы – это сложные динамические системы любой природы (технические, биологические, экономические, социальные, административные) с обратной связью. Сложными динамическими системами  называются такие системы, которые содержат в себе множество более простых, взаимодействующих друг с другом систем и элементов, которые меняются, т.е. под воздействием определенных процессов переходят из одного устойчивого состояния в другое.

     Сущность  управления, базирующегося на использовании  обратной связи, было разработано задолго  до возникновения кибернетики –  в рефлекторной теории И.М.Сеченова и И.П.Павлова. идея обратной связи была использована при создании автоматических регуляторов – поплавковых регуляторов Уатта.

     Кибернетика сформулировала принцип обратной связи: без обратной связи невозможно управление сложными и сложнодинамическими системами. В настоящее время этот принцип сознательно кладется в основу конструирования станков-автоматов, ЭВМ и других технических устройств. С учетом принципа обратной связи организуется управление (руководство) предприятия со стороны министерства, промышленными предприятиями – со стороны дирекции, по той же схеме ректор осуществляет руководство преподавателем и группой, студенческими коллективами, а преподаватель – студентами.

     Для кибернетики характерен макроподход: она ответвляется от внутреннего строения системы и рассматривает ее как единое целое, некий «черный ящик», способный функционировать с помощью потоков информации. Это и есть информативный принцип кибернетики. Теория информации – раздел кибернетики, занимающийся методами описания, оценки, хранения, передачи и использования информации. Рассматривая зависимость информации на выходе от информации, К.Шеннон разработал принцип функциональной связи.

     Кибернетика использует и микроподход: она предполагает определение внутреннего строения системы управления, выявление ее основных элементов, их взаимосвязи, алгоритмов их  работы и возможность синтезировать из этих элементов системы управления.

     Кибернетику подразделяют на:

• теоретическую,
• техническую,
• прикладную.

     Теоретическая кибернетика связана с разработкой аппарата и методов исследования систем управления любой природы. Она связана с машинным моделированием на ЭВМ. Моделирование на ЭВМ ставит теоретическую кибернетику в особое положение по отношению к другим наукам: она дает принципиально новый подход и метод исследования практически всех наук: естественных, технических, гуманитарных. В этом она сходна с математикой. Но кибернетика – не математика, так как имеет свой предмет исследования – системы управления. Создаются новые научные направления – математическая логика, теория вероятностей, вычислительная математика, теория информации, теория кодирования, теория алгоритмов и т.д. В самой кибернетике возникли такие разделы, как теория автоматов, теория формальных языков и грамматик, теория распознавания образов, теория самообучающихся  и самоорганизующихся систем, теория игр, теория статистических решений и т.п. Машинное моделирование позволяет исследовать объекты на основе математической модели.

     Техническая кибернетика – это конструирование и эксплуатация технических средств, применяемая в управляющих и вычислительных устройствах. Одна из главных проблем здесь – это проблема «человек-машина», т.е. изучение автоматических систем управления (АСУ), где обязательно принимает участие человек-оператор. Здесь она пересекается с инженерной психологией. Основные проблемы, стоящие перед технической кибернетикой, - это распознавание образов, создание читающих автоматов, анализ ситуаций, характеризующих технический процесс, разработка диагностических устройств.

     Прикладная кибернетика содержит приложение двух предыдущих подразделов кибернетики к решению задач, относящихся к частным системам в биологии, медицине, экономике, промышленности, транспорте. Поэтому выделяют психологическую, биологическую и другие виды кибернетики.

     Таким образом, в кибернетике скрестились  почти все виды отраслей знаний –  это целое направление в науке, занимающейся исследованием общих  принципов управления и способов использования их в технике. 

     1.2. Самоорганизующиеся системы 

     Сложнодинамические системы часто представляют собой самоорганизующиеся системы. В зависимости от выделения той или иной ведущей группы свойств их также называют саморегулирующимися, самонастраивающимися, самоалгоритмизирующимися системами.

     Самоорганизующимися называют такие системы, которые способны при изменении внешних или внутренних условий их функционирования и развития сохранять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта, сигналы о которой поступают по каналам обратной связи.

     Примеры самоорганизующихся систем: отдельная живая клетка, организм, биологическая популяция, человеческий коллектив, машина-автомат, машина-робот.

     Так как  в сложнодинамических системах имеют место процессы самоуправления и применяются операции управления, то они называются системами управления. Каждая система управления  состоит из двух систем: управляемой и управляющей.

     Управляющая система воздействует на элементы управляемой системы и приводит ее в соответствие с заданным алгоритмом или целью в новое состояние. Различают три вида системы управления:

• живые организмы,
• сложные (с обратной связью) машины,
• человеческие коллективы.

     Заслуга кибернетики в том, что она  показала универсальность процессов  управления.

     Процесс управления осуществляется в соответствии с задачей или целью управления. Управляющая система вырабатывает и передает по каналу обратной связи сигналы, несущие команды, которые поступают в управляемую систему и приводят ее к изменению. От управляемой системы по каналу обратной связи передаются сигналы, несущие информацию о том, как выполнены команды. В соответствии с этой информацией система вырабатывает новые, корректирующие команды. Это происходит до тех пор, пока цель управления не оказывается достигнутой. 

     1.3. Связь кибернетики с процессом самоорганизации 

     По  современным представлениям, в формировании которых существенную роль сыграла кибернетика, процесс самоорганизации представляет собой автоматический процесс, при котором, если говорить о биологических системах, выживают комбинации, выгодные с точки зрения адаптации всего вида и отдельных организмов.

     Кибернетика играет существенную роль в понимании  общих принципов процессов самоорганизации  и дает исследователям методы конструирования  различных типов самоорганизующихся систем. Но при этом остается открытым вопрос о физических процессах, происходящих в ходе самоорганизации в самых различных физических, метеорологических, химических, биологических и других системах. Эти процессы, как правило, очень сложны. И все же установление общих закономерностей процессов самоорганизации оказывается возможным. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Синергетика как новое направление  междисциплинарных  исследований

 

     2.1. Понятие синергетики 

     Синергетика – это теория, исследующая процессы самоорганизации, устойчивости, распада и возрождения самых разнообразных структур живой и неживой природы.

     Синергетика стоит в одном ряду с такими дисциплинами, как теория систем и кибернетика, является естественным их продолжением. Как и эти науки, она претендует на статус обобщенной теории поведения систем различной природы.

     Во  всех рассматриваемых синергетикой системах процесс самоорганизации  идет обязательно с участием большого числа объектов (атомов, молекул  и более сложных преобразований) и, следовательно,  определяется совокупным, кооперативным действием. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство Г.Хакен ввел специальный термин «синергетика». С одной стороны имеется в виду сотрудничество ученых разных специальностей, разных областей знания, подоплекой которого выступает общность феномена самоорганизации. С другой стороны выражена суть явлений данного рода – кооперативность действий разрозненных элементов, спонтанно организующихся в структуру некоторой системы. 

     2.2. Отличие синергетики  от кибернетики 

     Первые  серьезные успехи в изучении проблем  развития и самоорганизации были заложены кибернетикой. Это направление имело дело прежде всего с техническими управляющими и саморегулирующимися системами. В этом отношении примечательны гомеостатические системы, т.е. системы, поддерживающие свое функционирование в заданном режиме. С этих позиций становятся ясными факты устойчивости и сохранения системы, но нельзя понять, как возникают новые системы.

     Синергетика как новое направление междисциплинарных исследований представляет собой интерес для науки в целом.

     Во-первых, она представляет собой иной подход к изучению процессов самоорганизации, развития различного рода систем, чем кибернетика. Кибернетика ограничивалась анализом самоорганизующихся систем. Синергетика пытается раскрыть единые принципы самоорганизации в любых природных системах, т.е. как в живых, так и в неживых.

     Во-вторых, принципы самоорганизации могут стать основой для создания общей концепции глобального эволюционизма, т.е. развития в масштабе всей Вселенной.

     В-третьих, синергетика является более общей теории самоорганизации, чем теория, основанная на данных кибернетики. Обрисовывая единые механизмы структурогенеза, она становится целостной естественнонаучной концепцией становления и развития материальных структур.

     В-четвертых, для синергетики характерен особый подход в постановке вопроса об изоморфных законах структурной статики и динамики. У нее есть собственные основания для решения этого вопроса, которых нет у кибернетики, ни у теории систем. Это положение о когерентном, самосогласованном, самоинструктированном поведении большого ансамбля инородных объектов, поставленных в определенные условия. Синергетика рассматривает мир объектов, основываясь не на известном ранее моменте активности материи – «резонансном возбуждении» вступающих во взаимодействие объектов. 
 
 
 

     2.3. Связь синергетики с другими науками 

     Процессы  самоорганизации, которые изучает  синергетика, основываются на одном  общем эффекте – способности  разнокачественных единиц материи  в известных условиях проявлять  активность, и даже не просто активность, а своего рода двойственность, каким-то образом согласованную, протекающую по единому плану и направленную в каждом конкретном случае на вполне конкретный факт структурирования или структурной трансформации.