Зарегистрироваться

Техническая кибернетика

Категории Математическая кибернетика | Под редакцией сообщества: Математика

Эта версия статьи от 01 Ноябрь 2010 15:03, редактировал Алешин Станислав Владимирович
Список всех версий Перейти к списку версий
Перейти к последней версии

Техническая кибернетика (Т.к.) – научное направление исследований в рамках общекибернетического подхода, связанное с изучением управления техническими системами и процессов, протекающих в них. Под техническими системами (в узком смысле) понимаются устройства и процессы, созданные человеком в ходе своего исторического развития, особенно в период построения индустриального и постиндустриального общества. В широком смысле под техническими системами можно понимать модели объектов разнообразной физической природы, создание которых представляет интерес с прикладной точки зрения. Главной особенностью таких систем, является их сложность как по числу подсистем, входящих в них, так и по количеству связей между подсистемами, определяющими функционирование всей системы в целом. Кроме того, необходимо отметить, что при моделировании живых и технических систем приходится учитывать не сводимость их к механической сумме своих компонент (в этой ситуации может не срабатывать принцип суперпозиции взаимодействий). Отсюда возникает важность и необходимость учета функциональных и иных связей между ее компонентами, что требует развития как новых математических моделей и методов, так и прямого аналого-цифрового моделирования свойств системы с целью выработки исходных гипотез для построения адекватной изучаемой системе модели.

Предметом исследований в Т.к. являются как сами технические системы (например, задачи анализа и синтеза систем, обладающих необходимым поведением, а также надежность их функционирования) так и системы, имеющие естественное происхождение, а также процессы взаимодействия систем с внешней средой, в качестве которой могут выступать объекты разной физической природы: от среды обитания человека (включая космическое пространство) вплоть до самого человека (моделирование интеллектуальных функций человека, проблема взаимодействия человек-машина и др.)

Генетически предмет исследований Т.к. в первую очередь связан с задачами автоматического регулирования, возникшими в связи с появлением паровых машин в первой половине XIX века (регуляторы И.И. Ползунова, Дж.Уатта), теоретические обоснования функционирования регуляторов , связанные в первую очередь с проблемами управляемости и устойчивости были работы заложены в трудах Дж.К.Максвелла «О регуляторах», И.А.Вышнеградцева «О регуляторах прямого действия», А.Стодола «О регулировании турбин», в трудах П.Л. Чебышова по теории механизмов и машин и др.). Тематика, связанная с устойчивостью, получила мощное теоретическое развитие в трудах российских и зарубежных ученых в начале и середине XX , особенно в связи с созданием устройств, работающих на электрическом токе (здесь особенно следует отметить вклад в фундаментальные вопросы теории устойчивости А.Пуанкаре, А.М.Ляпунова, Н.Г. Четаева, позднее работы Л.С.Понтрягина и его школы по оптимальному управлению).

В 30-40-х годах XX века, по мере развития техники (особенно в связи с ее использованием в военном деле) и увеличения скоростей передвижения, стало ясно, что скорость реакции человека на процессы управления и взаимодействия с различными техническими устройствами явно недостаточна для адекватной реакции на происходящие в них события, что потребовало создания новых устройств, которые могли бы облегчить процесс взаимодействия человека с этими устройствами. Было замечено, что существенную роль в процессе управления объектами играет обратная связь (См. Обратная связь), что в конце 40-х годов XX века и было явно сформулировано Н.Винером в работе «Кибернетика или управление и связь в животных и машинах». Упомянем с связи с этим также работы Берталанфи «Общая теория систем» и работу А.Богданова «Тектология или всеобщая организационная наука», в которой еще в начале XX века были высказаны многие идеи (правда в иных, чем принято сейчас, терминах) лежащие в основе современной кибернетики. Бурные события начала XX века, а также резкая критика А.Богданова в книге В.Ленина «Материализм и эмпириокритицизм» не способствовала широкому распространению его идей в научной среде.

Сложность математических моделей, описывающих в том числе и процессы автоматического регулирования, требовала больших вычислительных ресурсов для получения практически значимых результатов и, соответственно, новых моделей и методов вычислений - это стало мощным стимулом для исследований по созданию технических устройств, моделирующих вычислительный интеллект человека.

Модели таких устройств, решавших ограниченных круг задач, были созданы еще Б.Паскалем и Г.Лейбницем, идея более совершенного механического вычислительного устройства была разработана Ч.Беббиджем, но до практической реализации не была доведена, однако в 20-х годах прошлого века была развита индустрия счетных устройств и иных механических приспособлений, позволявших облегчить интеллектуальный труд человека, правда в весьма ограниченном размере.

Одним из первых устройств, использующим электрические сигналы для вычислительных задач, был дифференциальный анализатор фон Цузе. Тематика изучения и моделирования техническими устройствами вычислительных процессов прочно вошла в исследования ученых начиная с 30- годов прошлого века и получила бурное развитие в связи с созданием первых универсальных вычислительных машин в конце 40-х-начале 50-х годов XX (Д.Нейман, А.Тьюринг, С.Лебедев, В.Глушков и др.) века.

Теоретический фундамент науки, которая получила название «кибернетика» и который служит методологической основой для исследований по Т.к. был заложен в это же время в работах А.Тьюринга, К.Шеннона, Д.Неймана, в России – это работы В.И. Шестакова Котельникова, А.А. Ляпунова, А.А.Маркова, А.Н. Колмогорова, С.В.Яблонского, О.Б.Лупанова и др. Исторически, теоретические работы по созданию устройств, моделирующих в той или иной мере интеллект человека, восходят к трудам Г.Лейбница с его идеей универсального исчисления, в котором рассуждения заменялись бы на цепочки логического вывода в рамках заданного алфавита и правил вывода, а также к трудам Дж.Буля, Ч.Пирса и др. по символической логике. Заметим, что идея Г.Лейбница в частичном виде была им реализована в виде языка и методов, лежащих в основе современного дифференциального и интегрального исчислений, что позволило, начиная с XIX века, осуществлять массовую подготовку специалистов в различных технических областях, владеющих аналитическими методами математического анализа.

В исследованиях по Т.к. можно выделить ряд поднаправлений, связанных с задачами практического их применения. Такими поднаправлениями являются:

  • создание управляющих и контрольно-измерительных приборов для различных процессов, протекающих во времени;
  • передача, обработка и хранение информации;
  • создание компьютеров различной архитектуры;
  • программная и аппаратная поддержка задач автоматизации вычислений;
  • устройства для распознавания и классификации объектов (сюда включаются модели зрительных, звуковых, обонятельных, тактильных и иных образов);
  • задачи управления и диагностики состояний сложных технических систем и процессов, включая создание автоматизированных систем управления технологическими процессами и управления предприятиями;
  • робототехника;
  • развитие локальных и глобальных компьютерных сетей и технологии создания СБИС ряд других направлений.

Особенностью развития Т.к. кибернетики в 60-90 годы XX века было связано с широким использованием компьютерной техники в исследованиях. В отличие от предыдущего этапа в руках ученых появился мощный инструмент, позволяющий создавать сложные модели и просчитывать их поведение, тем самым предсказывая заранее свойства этих моделей. Отметим в качестве примеров два проекта 70-х годов XX века по созданию систем управления экономикой в масштабах страны: проект С.Бира «Киберсин» (управление экономикой Чили) и проект, инициатором которого был В.Глушков – «Объединенная государственная автоматизированная система (ОГАС)» в СССР. К сожалению, оба проекта по разным причинам до конца доведены не были. Результаты широкого внедрения компьютеров в практику, совершенствование и развитие идей и методов обработки информации, появление теории и технологии создания больших баз данных, дали повод к введению нового термина «информатика», который трактуется многими учеными в весьма расширенном смысле. Более того ряд ученых стал использовать его в качестве синонима термина «кибернетика», а порой и объявляя его более объемлющим, чем термин «кибернетика» – вопрос это пока дискуссионный. Появление такого мощного инструмента познания, как современный компьютер тало толчок как в реализации старых идей, возникших в лоне кибернетики, так и появлению целого ряда новых направлений исследований, которые, однако, не выходят за рамки кибернетической парадигмы. Поэтому стоит ли называть этот этап новым термином или считать, что в рамках исследований по кибернетике возник целый ряд новых направлений, зависит от точки зрения исследователей, однако бесспорно, что термин «информатика» оправданно вошел в научный оборот.

Дальнейшее развитее вычислительной техники и минитюаризация элементной базы, появление персональных компьютеров и их широкая доступность породило новые направления исследований в Т.к. связанное с созданием глобальных компьютерных сетей, а также с созданием искусственных систем, обладающих элементами интеллекта, т.е. обладающих целесообразным поведением в различных средах (см. Интеллектуальные системы). Такие системы находят широкое применение в практике и являются основой для создания различных технических устройств, заменяющих (частично или полностью) человека в процессе их функционирования, тем самым освобождая время человека для интеллектуального труда. Именно об этом задумывался еще в 1945 г. советник президента Ф.Рузвельта по науке в годы войны В.Буш в своей пионерской работе «As we may think»(1945 г.), где он, размышляя о гигантском научном потенциале (включая человеческий ресурс) накопленном в годы Второй мировой войны, задумывался о его дальнейшем использовании и развитии для будущего мирного развития человечества. Фактически в этой работе была высказана идея современного Интернета (в частности идея гипертекста), конечно в рамках доступных тогда технических средств (проект «Memex»). Холодная война не дала возможности реализовать эти идеи, часть из которых была использована (явно или неявно) в технологиях создания Интернет.

Обозначенные выше направления исследований по Т.к. очерчивают лишь контуры исследований, которые при их подробном рассмотрении распадаются на более мелкие направления , имеющие постоянную тенденцию к обособлению , что является нормальным явлением в науке, однако Т.к. реализует синтетический подход к изучаемым явлениям из-за их сложности и комплексности проявляемых реальными объектами свойств, вследствие чего она выступает, образно говоря , в роли «несущего каркаса» исследований по обозначенным выше направлениям, не давая уйти исследователям в сторону решения менее важных для приложений задач. В тоже время Т.к. выступает в роли дисциплины, которая обобщая полученные научные результаты, выводит исследования на новые технологический и методологический уровни изучения и моделирования технических систем и процессов.

Рекомендуемая литература

Сборник переводов «Общая теория систем», М, Мир,1966 г.

Техническая кибернетика в СССР, М.,1968 г.

Богданов А.А. Тектология, т.1-2, М., 1987 г.

Винер Н. Кибернетика, М., 1985 г.

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.