Что изучает наука кибернетика сообщение
Обновлено: 30.06.2024
Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.
Что изучает наука кибернетика?
Ответ
Кибернетика — наука об управлении.
В середине прошлого века выдающийся американский учёный Норберт Винер (1894-1964), изучавший различные технические и биологические системы, установил, что управление в них осуществляется по общей схеме. Винер считается основоположником науки об управлении — кибернетики.
Кибернетика, это наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и их объединениях. Кибернетика является теоретической основой автоматизации технологических процессов.
Норберт Винер
Кибернетика как наука
Возникновение кибернетики обусловлено, с одной стороны, потребностями практики, выдвинувшей задачи создания сложных устройств автоматического управления, и, с другой стороны — развитием научных дисциплин, изучающих процессы управления в различных физических областях в подготовивших создание общей теории этих процессов.
К числу таких наук относятся:
В отличие от указанных наук, занимающихся конкретными процессами управления, кибернетика изучает то общее, что свойственно всем процессам управления, независимо от их физической природы, и ставит своей задачей создание единой теории этих процессов.
Кибернетика и робототехника
Для любых процессов управления характерно:
- наличие организованной системы, состоящей из управляющих и управляемых (исполнительных) органов
- взаимодействие данной организованной системы с внешней средой, являющейся источником случайных или систематических возмущений
- осуществление управления на основе приема и передачи информации
- наличие цели и алгоритма управления
В задачу кибернетики входит также систематическое сравнительное изучение структуры и различных физических принципов работы систем управления с точки зрения их способности воспринимать и перерабатывать информацию.
Кибернетика по своим методам является наукой, широко использующей разнообразный математический аппарат, а также сравнительный подход при изучении различных процессов управления.
Основные разделы кибернетики
В качестве основных разделов кибернетики могут быть выделены:
- теория информации
- теория методов управления (программирования)
- теория систем управления
Теория информации изучает способы восприятия, преобразования и передачи информации. Информация передается при помощи сигналов — физических процессов, у которых определенные параметры находятся в однозначном соответствии с передаваемой информацией. Установление такого соответствия называется кодированием.
Теория программирования занимается изучением и разработкой методов переработки и использования информации для управления. Программирование работы любой системы управления в общем случае включает в себя:
- определение алгоритма нахождения решений
- составление программы в коде, воспринимаемом данной системой
Нахождение решений сводится к переработке заданной входной информации в соответствующую выходную информацию (команды управления), обеспечивающую достижение поставленные цели. Оно осуществляется на основе некоторого математического метода, представленного в виде алгоритма. Наиболее развитыми являются математические методы определения оптимальных решений. Такие, как линейное программирование и динамическое программирование, а также методы выработки статистических решений в теории игр.
Теория алгоритмов, используемая в кибернетике, изучает формальные способы описания процессов переработки информации в виде условных математических схем — алгоритмов. Основное место занимают здесь вопросы построения алгоритмов для различных классов процессов и вопросы тождественных (равносильных) преобразований алгоритмов.
Программирование для управления
Основной задачей теории программирования является выработка методов автоматизации процессов переработки информации на электронных программно-управляемых машинах. Основную роль играют здесь вопросы автоматизации программирования. Т. е. вопросы составления программ решения различных задач на машинах с помощью этих машин.
С точки зрения сравнительного анализа процессов переработки информации в различных естественно и искусственно организованных системах кибернетика выделяет следующие основные классы процессов:
- мышление и рефлекторная деятельность живых организмов
- изменение наследственной информации в процессе эволюции биологических видов
- переработка информации в автоматических системах
- переработка информации в экономических и административных системах
- переработка информации в процессе развития науки
Выяснение общих закономерностей этих процессов составляет одну из основных задач кибернетики.
Теория систем управления изучает структуру и принципы построения таких систем и их связи с управляемыми системами и внешней средой. Системой управления в общем случае может быть назван любой физический объект, осуществляющий целенаправленную переработку информации. Это может быть, нервная система животного, система автоматического управления движением самолета и др.).
Кибернетика изучает абстрактные системы управления, представленные в виде математических схем (моделей), сохраняющих информационные свойства соответствующих классов реальных систем. В рамках кибернетики возникла специальная математическая дисциплина — теория автоматов. Она изучает специальный класс дискретных систем переработки информации, включающих в себя большое число элементов и моделирующих работу нейронных сетей.
Кибернетика выделяет два общих принципа построения систем управления: обратной связи и многоступенчатости (иерархичности) управления. Принцип обратной связи позволяет системе управления постоянно учитывать фактическое состояние всех управляемых органов и реальных воздействий внешней среды. Многоступенчатая схема управления обеспечивает экономичность и устойчивость системы управления.
Кибернетика и автоматизация процессов
Комплексная автоматизация при применении принципов самонастраивающихся и самообучающихся систем позволяет обеспечить достижение наивыгоднейших режимов управления, что особенно важно для сложных производств. Необходимой предпосылкой такой автоматизации является наличие для данных производств, процесса детального математического описания (математической модели), которое вводится в ЭВМ, управляющую процессом, в виде программы ее работы.
В эту машину поступает информация о ходе процесса от различных измерительных устройств и датчиков. Машина на основе имеющей математические модели процесса рассчитывает его дальнейший ход при тех или иных командах управления.
Если подобное моделирование и прогнозирование протекает значительно быстрее реального процесса, то имеется возможность путем расчета и сравнения ряда вариантов выбирать наивыгоднейший режим управления. Оценка и выбор вариантов могут производиться как самой машиной полностью автоматически, так и с помощью человека-оператора. Важную роль при этом играет проблема оптимального сопряжения человека-оператора и управляющей машины.
Симбиоза машины и человека
Систематическое применение этого метода позволяет формализовать все более сложные процессы умственной деятельности. Что является первым необходимым этапом для их последующей автоматизации. Большие перспективы для повышения эффективности научной работы имеет проблема информационного симбиоза машины и человека. Т.е. непосредственного взаимодействия человека и информационно-логической машины в процессе творчества при решении научных задач.
Техническая кибернетика
Техническая кибернетика — наука об управлении техническими системами. Методы и идеи технической кибернетики вырастали вначале параллельно и независимо в отдельных технических дисциплинах, относящихся к связи и управлению. В автоматике, радиоэлектронике, телеуправлении, вычислительной технике и т. д. По мере выяснения общности, основной задач теории и методов их решения, формировались положения технической кибернетики, образующей единую теоретическую базу для всех областей техники связи и управления.
Техническая кибернетика, как и кибернетика вообще, изучает процессы управления безотносительно к физическим природе систем, в которых происходят эти процессы. Центральная задача технической кибернетики — синтез эффективных алгоритмов управления с целью определения их структуры, характеристик и параметров. Под эффективными алгоритмами понимаются правила переработки входной информации в выходные сигналы управления, которые являются успешными в определенном смысле.
Техническая кибернетика теснейшим образом связана с автоматикой и телемеханикой, но не совпадает с ними, поскольку в технической кибернетике не рассматриваются вопросы конструирования конкретной аппаратуры. Техническая кибернетика связана также с другими направлениями кибернетики, например, добытые биологическими науками сведения облегчают разработку новых принципов управления, в т.ч. принципов построения новых типов автоматов, моделирующих сложные функции умственной деятельности человека.
Техническая кибернетика возникшая из потребностей практики, широко использующая математический аппарат, является сейчас одним из наиболее разработанных разделов кибернетики. Поэтому прогресс технической кибернетики существенно способствует развитию других ветвей, направлений и разделов кибернетики.
Развитие технической кибернетики
Значительное место в технической кибернетике занимает теория оптимальных алгоритмов или, что по существу то же, теория оптимальной стратегии автоматического управления, обеспечивающей экстремум некоторого критерия оптимальности.
В различных случаях критерии оптимальности могут быть разными. Например, в одном случае может потребоваться максимальная быстрота переходных процессов, в другом — минимальный разброс значений некоторой величины и т. д. Однако существуют общие методы формулировки и решения самых разнообразных задач этого рода.
В результате решения задачи определяется оптимальный алгоритм управления в автоматической системе, либо оптимальный алгоритм распознавания сигналов на фоне шумов в приемнике системы связи и т. д.
Другое важное направление в технической кибернетике — разработка теории и принципов действия систем с автоматическим приспособлением. Которое заключается в целенаправленном изменении свойств системы или ее частей, обеспечивающем возрастающую успешность ее действий. В этой области имеют большое значение системы автоматической оптимизации, приводимые поиском автоматическим к оптимальному режиму функционирования и поддерживаемые вблизи этого режима при непредвиденных заранее внешних воздействиях.
Третьим направлением является разработка теории сложных систем управления, состоящих из большого количества элементов, включающих сложные взаимосвязи частей и работающих в трудных условиях.
Большое значение для технической кибернетики имеют теория информации и теория алгоритмов, в частности теория конечных автоматов.
Любые системы управления так или иначе связаны с человеком, который их проектирует, налаживает, контролирует, управляет их работой и использует результаты работы систем в своих целях. Отсюда возникают проблемы взаимодействия человека с комплексом автоматических устройств и обмена информации между ними.
Царица цифрового мира – наука кибернетика. Этим термином объединяется множество понятий, в основном связанных с интеллектуальной техникой, роботами и автоматизированными системами. Но, грубо говоря, его восприятие немного искажено. Изначально кибернетика это, в общем смысле, наука об управлении, которая относилась к искусству государственных деятелей в древней Греции.
В наше же время понятие трансформировалось, приобретя новый, более широкий смысл. Теперь этой научной дисциплиной называют систему получения, хранения и преобразования информации для сложных, основанных на математических принципах действия, систем. К которым безусловно относятся и современные компьютерные и автоматические комплексы обработки данных. Но и не только. Фантастическая картинка-иллюстрация кибернетики
В ней анализируются взаимосвязи происходящих процессов в комплексе особей живого мира, включая растительный и микробиологический. Не обходит кибернетика вниманием и социально-экономические структуры. К каким относятся предприятия, группы людей, отрасли промышленности, политические объединения, страны.
Системы изучения
Главное, что изучает кибернетика – логическое взаимодействие отдельных элементов системы для получения конкретного результата. Примером можно привести управленческую структуру производственного предприятия, отдел ПТО. Упрощенная схема взаимодействия ПТО и остальных элементов предприятия
Он – часть общей системы завода, его функциональная единица. У организации есть план выполнения, который разработан в соответствии с ресурсными возможностями и максимальной прибылью. Задача отдела выполнить документационную и проектную работу по подготовке всех этапов производства.
То есть, в рамках кибернетики, в ПТО приходит указание на выпуск такого-то количества продукции определенного вида. Отдел разрабатывает документы – планы и схемы самих изделий, акты на закупку исходных ресурсов, сметы. Результаты деятельности от этого логического элемента предприятия отправляются поставщикам, в производственные цеха, бухгалтерию. Вот пример функциональной системы, изучаемой кибернетикой, причем весьма далекий от технологии как таковой.
Главное для кибернетики – логическое взаимодействие комплексных частей и влияние отдельного элемента, поступающих ему стимулов и его реакции от них на происходящие процессы в целом.
Элементы и их взаимодействие, исследуемые в рамках кибернетики
В общем виде, область рассмотрения этой наукой – взаимодействие частей системы. Каждая из которых довольно сложна и описывается различными дискретными математическими моделями, входящими в дисциплины теории игр, информации и алгоритмов.
Комплексный элемент структуры обрабатывает входной сигнал в зависимости от своего строения, которое моделируется в рамках кибернетики методами теории графов, кодирования, управляющих систем и комбинаторного анализа, преобразует его и выдает собственный результат, для последующего разбора или выполнения другой частью системы.
История кибернетики
Современное понимание дисциплины было введено американским ученым Нобертом Винтером в 1947 году и касалось уже общности математических систем управляющих элементов.
Ученые-кибернетики
Управление кибернетическими механизмами регулирования было еще заложено в устройствах Ктесибия, жившего в 2-1 веках до нашей эры, и Герона Александрийского (около 1 в. до н.э.).
В средние века основы дисциплины применялись в изготовлении часовых и навигационных приборов или различных видов мельниц, где требовалось автоматическая регулировка работы устройств.
Основной рассвет систематизации кибернетики возник в век пара, относящий к технологическому периоду использования его в устройствах движения. Первый автоматический регулятор работы паровых двигателей запатентован Джеймсом Уаттом (1736-1819), они же, в свою очередь, дали большой толчок процессу индустриализации общества. Теоретические работы по кибернетическим системам тех лет относят к статье Джеймс Клерк Максвелла (1831-1879), посвященной регуляторам. Фотография Джеймса Клерка Максвелла
Для сохранения истины, хотелось бы вспомнить о том, что устройства обработки информации существовали еще до трудов Н. Винтера, только они не получали необходимого теоретического обоснования, требуемого в рамках научной дисциплины. В общность таких приборов входят различные арифмометры, механические вычислительные машины Чарльза Бэббриджа и станки Жозефа Мари Жакара, регуляторы множества изобретателей и созданные Конрадом Эрнст Отто Цузе релейные компьютеры.
Применение
Как научная дисциплина ее тезисы, математические решения и методы исследования применяются в изготовлении всей окружающей автоматики, включая такие ее виды: распознающие образы на изображениях, нейросистемы искусственного интеллекта, различные контролирующие устройства или их части, медицинское оборудование, вся цифровая техника, роботов, комплексы восприятия и синтеза голоса.
В сущности, в 21 веке сложно найти что-то в окружении человека, которое не содержит тех или иных управляющих элементов в зависимости от поступающих сигналов. Кибернетика – основа замены человека во всех областях жизни
Медицинская кибернетика
Одной из ниш, которую плотно заняла научная дисциплина кибернетика, стала медицина. Средства контроля и автоматизации используются в миллионах относящихся к этой сфере деятельности приборов и устройств. Сюда входят системы предварительной поддержки жизнедеятельности организма человека – аппараты искусственного дыхания, фибрилляции, контролирующие его состояние приборы (различные анализаторы и индикаторы), а также вживляемые и устанавливаемые протезы.
Все эти ниши важны, но хотелось бы отдельно упомянуть о последних из перечисленных. Наиболее видимо и полно соответствуют понятию кибернетики различные современные протезы конечностей человека. Теперь управление ими осуществляется отдачей команд при помощи мыслей, а не устаревшими механическими способами.
Кроме того, созданы, пока экспериментальные, системы обратной связи, которые позволяют чувствовать искусственную руку или ногу как реальное продолжение человеческого тела с восприятием информации от различных датчиков, размещенных на протезе. Швейцарский бионический протез с обратной связью по чувствительности и управлению мозговыми волнами
Перспективы и будущее
Не зря наше время – период царствования науки кибернетика. Все вокруг получает большую автоматизацию для удобства использования человеком. Это касается как бытовых и развлекательных приборов, так и почти всех производственных процессов.
К области интересов дисциплины можно отнести любые современные контролирующие системы, от таймеров в печках или стиральных машинах, до автоматов, управляющих ядерными реакторами или работой светофоров у переходов через дорогу. К дисциплине относятся и все электронные устройства – принцип их действия непосредственно построен на использовании ее теорий и практик.
Компьютерная техника, как в стационарных ее видах ПК и мэйнфреймах, или перемещаемая в виде сотовых телефонов, фитнес-браслетов, игровых приставок, ноутбуков или планшетов, это вообще ниша, полностью и безраздельно занимаемая кибернетикой, математические методы которой используются в аппаратных частях оборудования и программном его заполнении. Некоторые виды компьютерной техники
В перспективах развития, обозначенных этой дисциплиной, можно упомянуть большую роботизацию человеческой деятельности и создание искусственного интеллекта, которые вообще снимут с людей не только физическую, но и возможную умственную активность, выполняя за наш вид все процессы, приносящие пользу, по созданию чего-либо нового или обеспечивающие удовлетворение жизненных потребностей.
Содержание
Обзор
Пример кибернетического мышления. С одной стороны, компания рассматривается в качестве системы в окружающей среде. С другой стороны, кибернетическое управление может быть представлено как система.
Другие области исследований, повлиявшие на развитие кибернетики или оказавшиеся под её влиянием, — теория управления, теория игр, теория систем (математический эквивалент кибернетики), психология (особенно нейропсихология, бихевиоризм, познавательная психология) и философия.
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 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.
Особенно велика роль кибернетики в психологии труда и таких ее отраслях, как инженерная психология и психология профессионально-технического образования. Кибернетика — наука об оптимальном управлении сложными динамическими системами, изучающая общие принципы управления и связи, лежащие в основе работы самых разнообразных по природе систем — от самонаводящих ракет-снарядов и быстродействующих вычислительных машин до сложного живого организма. Управление — это перевод управляемой системы из одного состояния в другое посредством целенаправленного воздействия управляющего. Оптимальное управление — это перевод системы в новое состояние с выполнением некоторого критерия оптимальности, например, минимизации затрат времени, труда, веществ или энергии. Сложная динамическая система — это любой реальный объект, элементы которого изучаются в такой высокой степени взаимосвязи и подвижности, что изменение одного элемента приводит к изменению других.
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.
Чистая кибернетика
Чистая кибернетика изучает системы управления как понятие, пытаясь обнаружить основные её принципы.
ASIMO использует датчики и интеллектуальные алгоритмы, чтобы избежать препятствий и перемещаться по лестнице
В биологии
Кибернетика в биологии — исследование кибернетических систем в биологических организмах, прежде всего сосредотачиваясь на том, как животные приспосабливаются к их окружающей среде, и как информация в форме генов передаются от поколения к поколению. Также имеется второе направление — киборги.
Теория сложных систем
Теория сложных систем анализирует природу сложных систем и причины, лежащие в основе их необычных свойств.
В компьютерной науке
Компьютерная наука напрямую применяет концепты кибернетики для управления устройствами и анализа информации.
В инженерии
Кибернетика в инженерии используется, чтобы проанализировать отказы систем, в которых маленькие ошибки и недостатки могут привести к сбою всей системы.
В экономике и управлении
В математике
В психологии
В социологии
История
XX век
Современная кибернетика началась в 1940-х как междисциплинарная область исследования, объединяющая системы управления, теории электрических цепей, машиностроение, логическое моделирование, эволюционную биологию, неврологию. Системы электронного управления берут начало с работы инженера Bell Labs Гарольда Блэка в 1927 году по использованию отрицательной обратной связи, для управления усилителями. Идеи также имеют отношения к биологической работе Людвига фон Берталанфи 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 MIT Sloan School of Management (англ.). Также Форрестер известен как основатель системной динамики.
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. Наряду с Великобританией и США, 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.
Одним из главных центров исследований в те времена была Биологическая компьютерная лаборатория в Иллинойском университете, которой в течение почти 20 лет, начиная с 1958 года, руководил Х. Фёрстер.
Кибернетика в СССР
Развитие кибернетики в СССР, было начато в 1940-х годах.
В 60-е и 70-е на кибернетику, как на техническую, так и на экономическую, уже стали делать большую ставку.
Упадок и возрождение
В течение последних 30 лет кибернетика прошла через взлёты и падения, становилась всё более значимой в области изучения искусственного интеллекта и биологических машинных интерфейсов (то есть киборгов), но, лишившись поддержки, потеряла ориентиры дальнейшего развития.
Читайте также: