Основные понятия кибернетики

Науки о сложных системах

Тема 7

Кибернетика (от греч. χυβερνητησ [cuernhethes] – кормчий) – это наука об управлении сложными живыми и неживыми системами, которые обладают механизмом обратной связи; о закономерностях процессов управления и передачи информации в технических, биологических, социальных системах. Кибернетика возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии. Основателем кибернетики считается американский математик Норберт Винер (1894 – 1964), выпустивший в 1948 г. книгу, которая так и называлась «Кибернетика». В нашей стране значительный вклад в развитие этой науки внесли А.И. Берг, В.М. Глушков и др.

Оригинальность кибернетики заключается в том, что она изучает не структуру систем, а лишь результат их работы, являющийся реакцией на внешние воздействия. А уже по этим результатам делается вывод о структуре и иных свойствах исследуемых систем. Объектами изучения кибернетики являются сложные динамические системы, способные к изменению своего состояния и содержащие множество более простых, взаимосвязанных и взаимодействующих элементов и подсистем. Предметом изучения кибернетики являются способы связи и модели управления сложными системами. Основными понятиями кибернетики являются: сложная система, обратная связь, информация, управление, порог сложности, черный ящик и устойчивость.

Разделение систем на простые и сложные является фундамен­тальным в естествознании. Сложные системы, в отличие от простых, состоят из большого числа переменных и большого количества связей между ними. Взаимоотношения между отдельными компонентами таких систем не всегда поддаются математической обработке. Трудность изучения сложных систем объясняется еще и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т.е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы, например, человек испытывает чувство радости или страха, но отнести эти ощущения к определенному органу тела невозможно. Подобной сложной системой является погода. Климатичес­кие процессы также представляют собой сложные системы, со­стоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними. Сложные кибернетические системы обладают такими свойствами, как регулирование, переработка и передача информации, адаптация, самоорганизация, стратегическое поведение и др.

Другим важным понятием кибернетики является обратная связь – изменение поведения объекта в зависимости от оказываемого на него воздействия (любое живое существо будет вести себя по-разному в зависимости от оказываемого на него воздействия). Поведение системы может усиливать внешнее воздействие. В этом случае говорят о положительной обратной связи. Если оно уменьшает внешнее воздействие, то это отрицательная обратная связь. Обратная связь ведет к устойчивому равновесию или колебаниям внутри некоторого среднего положения. Особый случай – гомеостатические обратные связи, которые сводят внешнее воздействие к нулю. Свойство системы, остающееся без изменений в потоке событий, называется инвариантом системы. Пример, температура тела человека, которая остается постоянной благодаря гомеостатическим обратным связям.

Механизмы обратной связи присутствуют практически во всех наших действиях, делая наши взаимоотношения с окружающим миром более устойчивыми, надежными и эффективными. Мы не замечаем их действия, потому что они включаются автоматически. Но иногда мы пользуемся ими сознательно. Скажем, один человек предлагает место встречи, а другой повторяет: да, мы встречаемся там-то и во столько-то. Это обратная связь, делающая договоренность более надежной.

Понятие «информация» (от лат. informatio – озна­комление, разъяснение) имеет несколько трактовок: 1) это форма взаимодействия между двумя или несколькими объектами физической природы; 2) определенная сторона взаимодействия, которая несет сведения о взаимодействующих объектах; 3) благодаря теории информации и кибернетики понятие «информация» впервые получило фундаментальный статус в есте­ствознании как мера организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизован­ности. Информация растет с повышением разнообразия системы.

По К. Шеннону и Н. Винеру, информация – это мера уменьшения неопределенности знания о каком-либо событии. «Информация – это неисчерпаемый ресурс общества. Она является первоосновой мира, ибо в основе всего – информация. Информация является таким же фундаментальным и всеобщим свойством мироздания как вещество и энергия».

Поскольку кибернетикой еще называют науку о процессах приема, сохранения, передачи и переработки информации, а самым существенным из отмеченных этапов работы с информацией является последний, то изучение алгоритмов переработки информации можно считать ядром кибернетики. Таким образом, кибернетика выявляет зависимости между информацией и дру­гими характеристиками систем. По­нятие «информация» имеет такое большое значение, что оно вошло в заглавие нового научного направления, возникшего на базе ки­бернетики – информатики (название произошло из соединения слов «информация» и «математика») – научной дисциплины, изучающей структуру и общие свойства информации, а также закономерности ее создания, преобразования, передачи и использования в различных сферах человеческой деятельности.

Управление – это процесс выработки и осуществления управляющих воздействий. Управление состоит из нескольких последовательных этапов. Постановка цели (целенаправленность управления) осуществляется либо в начале управления, либо вырабатывается в процессе управления. Определение оптимальности управления – наивыгоднейшее достижение цели. Сбор информации и преобразование ее в форму, удобную для передачи по каналам связи и поступления ее в управляющую систему.

Порог сложности – это некоторый предел, после достижения которого в системе начинает проявляться самоорганизация, повышается ее организация. В том случае, если порог сложности не достигнут, в системе наступает деградация. Таким образом, для дальнейшего развития системы необходимо постоянно повышать порог сложности («планку»). Понятие «порог сложности» широко используется в педагогике, образовании, спорте.

«Черный ящик» – это устройство, которое преобразует сигналы, полученные на входе в систему, в сигналы на выходе из нее. Как происходит преобразование сигналов неизвестно. Примером «черного ящика» является дрессируемое животное. В данном случае известны только входные сигналы (действия дрессировщика) и выходные сигналы (поведение животного).

Устойчивость – это способность системы сохранять общую стабильность состояния, несмотря на динамичность состояния ее отдельных компонентов (например, гомеостаз организма). Некоторые ученые (У. Эшби, Р. Том) связывают устойчивость с эволюцией. Они полагают, что конечной целью эволюции любой системы является достижение ею ультраустойчивого состояния, при котором система адаптируется к своему окружению до тех пор, пока не достигнет равновесия с ним.

Дата добавления: 2014-01-07