Кибернетика

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 годах XX века этих машин, а развитие кибернетики в теоретических и практических аспектах — с прогрессом электронной вычислительной техники.

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 её 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, или кибернетика второго порядка изучает системы управления как понятие, пытаясь обнаружить основные её принципы.

ASIMO использует датчики и интеллектуальные алгоритмы, чтобы избежать препятствий и перемещаться по лестнице

• Искусственный интеллект
• Кибернетика второго порядка
• Компьютерное зрение
• Системы управления
• Эмерджентность
• Обучающиеся организации
• Новая кибернетика
• Interactions of Actors Theory
• Теория общения

В биологии

Кибернетика в биологии — это исследование кибернетических систем в биологических организмах, изучающее то, как животные приспосабливаются к окружающей их среде, и, как информация в форме генов может перейти от поколения к поколению.
Также имеется второе направление — киборги.

Термический снимок пойкилотермного паука-птицееда на руке гомойотермного человека

• Биоинженерия
• Биологическая кибернетика
• Биоинформатика
• Бионика
• Медицинская кибернетика
• Нейрокибернетика
• Гомеостаз
• Синтетическая биология
• Системная биология

Теория сложных систем

Теория сложных систем анализирует природу сложных систем и причины, лежащие в основе их необычных свойств.

Способ моделирования сложной адаптивной системы

• Сложная адаптивная система
• Сложные системы
• Теория сложных систем

В вычислительной технике

В вычислительной технике методы кибернетики применяются для управления устройствами и анализа информации.

• Робототехника
• Система поддержки принятия решений
• Клеточный автомат
• Симуляция
• Компьютерное зрение
• Искусственный интеллект
• Распознавание объектов
• Система управления
• АСУ

В инженерии

Кибернетика в инженерии используется, чтобы проанализировать отказы систем, в которых маленькие ошибки и недостатки могут привести к сбою всей системы.

Искусственное сердце, пример биомедицинской инженерии.

• Адаптивная система
• Эргономика
• Биомедицинская инженерия
• Нейрокомпьютинг
• Техническая кибернетика
• Системотехника

Литература

• Винер Н. Кибернетика. — М.: Советское радио, .
• Китов А. И. Техническая кибернетика // Радио (№ 11), 1955.
• Китов А. И., Ляпунов А. А., Полетаев И. А., Яблонский С. В. О кибернетике // Труды 3-го Всесоюзного математического съезда. Том 2. М., 1956.
• Китов А. И. Кибернетика и управление народным хозяйством // Кибернетику — на службу коммунизму. Сборник статей под редакцией А. И. Берга. Том 1. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961.
• Берг А. И., Китов А. И., Ляпунов А. А. Кибернетика в военном деле // Военная мысль, 1961.
• Китов А. И. Кибернетика в управлении хозяйством // М. Экономическая газета. Август 1961, № 4.
• Китов А. И., Ляпунов А. А. Кибернетика в технике и экономике // Вопросы философии (№ 9), 1961.
• Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. — М.: Изд. иностр. лит., 1963. — 830 с.
• Эшби У. Р. Введение в кибернетику. — М.: Изд. иностр. лит., 1959. — 432 с.
• Марков А. А. Что такое кибернетика. — В кн.: Кибернетика, мышление, жизнь. — М.: Мысль, .
• Петрушенко Л. А. Самодвижение материи в свете кибернетики. — М.: Наука, 1971.
• Кузин Л. Т. Основы кибернетики (в 2-х томах). — М.: Энергия, .
• В. М. Глушков, Н. М. Амосов и др. «Энциклопедия кибернетики». Киев. 1975 г.
• Бирюков Б. В., Спиркин А. Г. Кибернетика и логика. — М.: Наука, 1978. — 333 с.
• Клаус Г. Кибернетика и философия = Kybernetik in philosophischer Sicht / Перевод с немецкого И. С. Добронравова, А. П. Куприяна, Л. А. Лейтес; редактор В. Г. Виноградов; Послесловие Л. Б. Баженова, Б. В. Бирюкова, А. Г. Спиркина. — М.: ИЛ, 1963.
• Основы кибернетики. Математические основы кибернетики / Под ред. профессора К. А. Пупкова. — М.: Высшая школа.
• Основы кибернетики. Теория кибернетических систем / Под ред. профессора К. А. Пупкова. — М.: Высш. школа, 1976. — 408 с. — (Учеб. пособие для вузов). — 25 000 экз.
• Поваров Г. Н. Ампер и кибернетика. — М.: Советское радио, .
• Теслер Г. С. Новая кибернетика. — Киев: Логос, 2004. — 401 с.
• Кибернетика и информатика // Сборник научных трудов к 50-летию Секции кибернетики Дома учёных им. М. Горького РАН. — Санкт-Петербург, 2006. — 410 с.
• Игнатьев М. Б. Информационные технологии в микро-, нано- и оптоэлектронике. — изд. ГУАП, Санкт-Петербург, 2008. — 200 с.
• Теплов Л. П. Очерки о кибернетике. — М.: Московский рабочий, 1963. — Тираж 50000 экз. — 413 c.

Литература

• Винер Н. Кибернетика. — М.: Советское радио, .
• Китов А. И. Техническая кибернетика // Радио (№ 11), 1955.
• Китов А. И., Ляпунов А. А., Полетаев И. А., Яблонский С. В. О кибернетике // Труды 3-го Всесоюзного математического съезда. Том 2. М., 1956.
• Китов А. И. Кибернетика и управление народным хозяйством // Кибернетику — на службу коммунизму. Сборник статей под редакцией А. И. Берга. Том 1. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961.
• Берг А. И., Китов А. И., Ляпунов А. А. Кибернетика в военном деле // Военная мысль, 1961.
• Китов А. И. Кибернетика в управлении хозяйством // М. Экономическая газета. Август 1961, № 4.
• Китов А. И., Ляпунов А. А. Кибернетика в технике и экономике // Вопросы философии (№ 9), 1961.
• Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. — М.: Изд. иностр. лит., 1963. — 830 с.
• Эшби У. Р. Введение в кибернетику. — М.: Изд. иностр. лит., 1959. — 432 с.
• Марков А. А. Что такое кибернетика. — В кн.: Кибернетика, мышление, жизнь. — М.: Мысль, .
• Петрушенко Л. А. Самодвижение материи в свете кибернетики. — М.: Наука, 1971.
• Кузин Л. Т. Основы кибернетики (в 2-х томах). — М.: Энергия, .
• В. М. Глушков, Н. М. Амосов и др. «Энциклопедия кибернетики». Киев. 1975 г.
• Бирюков Б. В., Спиркин А. Г. Кибернетика и логика. — М.: Наука, 1978. — 333 с.
• Клаус Г. Кибернетика и философия = Kybernetik in philosophischer Sicht / Перевод с немецкого И. С. Добронравова, А. П. Куприяна, Л. А. Лейтес; редактор В. Г. Виноградов; Послесловие Л. Б. Баженова, Б. В. Бирюкова, А. Г. Спиркина. — М.: ИЛ, 1963.
• Основы кибернетики. Математические основы кибернетики / Под ред. профессора К. А. Пупкова. — М.: Высшая школа.
• Основы кибернетики. Теория кибернетических систем / Под ред. профессора К. А. Пупкова. — М.: Высш. школа, 1976. — 408 с. — (Учеб. пособие для вузов). — 25 000 экз.
• Поваров Г. Н. Ампер и кибернетика. — М.: Советское радио, .
• Теслер Г. С. Новая кибернетика. — Киев: Логос, 2004. — 401 с.
• Кибернетика и информатика // Сборник научных трудов к 50-летию Секции кибернетики Дома учёных им. М. Горького РАН. — Санкт-Петербург, 2006. — 410 с.
• Игнатьев М. Б. Информационные технологии в микро-, нано- и оптоэлектронике. — изд. ГУАП, Санкт-Петербург, 2008. — 200 с.
• Теплов Л. П. Очерки о кибернетике. — М.: Московский рабочий, 1963. — Тираж 50000 экз. — 413 c.

Обзор

Термин «кибернетика» изначально ввёл в научный оборот Ампер, который в своём фундаментальном труде «Опыт о философии наук, или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний», первая часть которого вышла в свет в 1834 году, вторая в 1843 году, определил кибернетику как науку об управлении государством, которая должна обеспечить гражданам разнообразные блага. В современном понимании — как наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе, термин впервые был предложен Норбертом Винером в 1948 году.

Кибернетика включает изучение обратной связи, чёрных ящиков и производных концептов, таких как управление и коммуникация в живых организмах, машинах и организациях, включая самоорганизации

Она фокусирует внимание на том, как что-либо (цифровое, механическое или биологическое) обрабатывает информацию, реагирует на неё и изменяется или может быть изменено, для того чтобы лучше выполнять первые две задачи. Стаффорд Бир назвал её наукой эффективной организации, а Гордон Паск расширил определение, включив потоки информации «из любых источников», начиная со звёзд и заканчивая мозгом.

Пример кибернетического мышления. С одной стороны, компания рассматривается в качестве системы в окружающей среде. С другой стороны, кибернетическое управление может быть представлено как система.

Согласно другому определению кибернетики, предложенному в 1956 году Л. Куффиньялем (англ.), одним из пионеров кибернетики, кибернетика — это «искусство обеспечения эффективности действия».

Ещё одно определение предложено Льюисом Кауфманом (англ.): «Кибернетика — это исследование систем и процессов, которые взаимодействуют сами с собой и воспроизводят себя».

По словарю Ожегова: «Кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе».

Кибернетические методы применяются при исследовании случая, когда действие системы в окружающей среде вызывает некоторое изменение в окружающей среде, а это изменение проявляется на системе через обратную связь, что вызывает изменения в способе поведения системы. В исследовании этих «петель обратной связи» и заключаются методы кибернетики.

Современная кибернетика зарождалась, включая в себя исследования в различных областях систем управления, теории электрических цепей, машиностроения, математического моделирования, математической логики, эволюционной биологии, неврологии, антропологии. Эти исследования появились в 1940 году, в основном, в трудах учёных на т. н. конференциях Мэйси (англ.).

Другие области исследований, повлиявшие на развитие кибернетики или оказавшиеся под её влиянием: теория управления, теория игр, теория систем (математический аналог кибернетики), психология (особенно нейропсихология, бихевиоризм, познавательная психология) и философия.

Специальность

Вузы, выпускающие специалистов данного профиля, обычно являются медицинскими. Хорошие программы обучения предлагают:

• Сибирский Госуниверситет министерства здравоохранения (г. Томск).
• Воронежский государственный университет.
• Псковский государственный университет.
• Красноярский государственный мед. университет им. Войно-Яценецкого.

Всем, кто желает изучать такую дисциплину, как «Медицинская кибернетика», вузы предлагают прослушать краткий курс довузовской подготовки (нулевой факультет). Здесь слушатели обновляют собственные знания по школьным предметам – в основном это математика, физика и биология. В каждом перечисленном учебном заведении имеется соответствующий факультет. «Медицинская кибернетика» там — далеко не единственная специальность. На сайтах таких факультетов можно ознакомиться с предварительным планом обучения, в котором прописан перечень изучаемых теоретических дисциплин и практических занятий.

Развитие кибернетики к концу ХХ века

Новые принципы лабораторной диагностики различных заболеваний предполагали наличие штата обученных специалистов. Так в медвузах появилась новая дисциплина – «Медицинская кибернетика». Специальность сразу привлекла абитуриентов своей новизной и перспективностью. Первый выпуск врачей-кибернетиков состоялся в 1979 году на медико-биологическом факультете Второго московского медицинского института.

К середине 80-х годов кибернетические принципы решения многих медицинских проблем становятся повседневной реальностью. В крупных городах появляются центры диагностики, оснащенные современными АСУ, позволяющими диагностировать тяжелейшие заболевания по результатам анализов. В централизованных здравоохранительных заведениях – госпиталях, стационарах, санаториях – создаются журналы автоматизированной обработки поступающих медицинских данных, через новые автоматизированные комплексы ведется учет койко-мест в каждом учреждении, осуществляется запись на прием к врачу.

Объекты изучения

Эта наука изучает всевозможные управляемые системы, используя понятия кибернетической системы и кибернетического подхода.

Кибернетический подход

Кибернетический подход состоит в замене исходной системы управления изоморфной моделью и дальнейшем изучении этой модели. Чтобы реализовать подход, применяется один из двух методов моделирования: компьютерное или имитационное. Оба метода подразумевают использование принципа «черного ящика». Экспериментатор моделирует внешнюю деятельность рассматриваемой системы, а ее структура, воспроизводящая поведенческие характеристики, остается скрытой.

Кибернетический подход позволяет исследовать несколько видов информационных моделей, отличающихся по запросам:

• ответная реакция системы на воздействие внешних факторов,
• оптимизация характеристик системы относительно функции ценности,
• адаптивное управление,
• прогноз динамики системного преобразования.

Информационная система

Кибернетическая система

Кибернетическая система представляет собой множество взаимосвязанных элементов, способных к приему, обработке, запоминанию и обмену информацией. Основные свойства подобных систем: адаптация, самоорганизация и самообучение с использованием накопленного опыта.

Кибернетика в целом рассматривает любые управляемые системы в абстрактной форме, не учитывая их материальную природу, поэтому системой может являться как вычислительная машина, так и общество либо его отдельные группы.

Направления

Кибернетические методы применяются во многих отраслях:

• Биология. В рамках биологической ветви этой науки исследуются кибернетические системы в организмах. Также ученые решают вопросы передачи генной информации между поколениями живых организмов. В широком смысле биологическая кибернетика занимается исследованием методов моделирования структур и поведения биологических систем.
• Медицина. Кибернетика в медицине помогает диагностировать заболевания при помощи вычислительной техники и используется для создания высокотехнологичных протезов.
• Экономика. Методы данной науки используют для анализа всей экономики и отдельных ее элементов как сложной системы при помощи экономико-математического моделирования.
• Инженерия. Кибернетика в инженерии применяется для анализа масштабных сбоев систем, вызванных мелкими и незначительными ошибками.
• Информатика. В информатике ее методы используют для анализа информации и управления вычислительной техникой.
• Психология. В психологии существует отдельное направление психологической кибернетики, в рамках которого изучается взаимодействие систем анализа, сфер сознания и бессознательного в ходе взаимодействия людей с различными системами, а также между собой. Кроме того, эта дисциплина значительно повлияла на развитие психологии труда и ее подвидов.

Особняком стоит направление чистой кибернетики, в рамках которого происходит понятийное изучение систем управления. Ее главная задача – обнаружение основных принципов таких систем.

Информационная система Внимание! Есть известная шутка про университет ядерной кибернетики, однако на данный момент не существует ни такого вуза, ни такого направления, как ядерная кибернетика

Раздел — кибернетика

Раздел кибернетики, изучающий общие стороны процессов передачи, хранения, извлечения и классификации информации различной природы ( в том числе биологической, технической, социальной и др.) в независимости от ее семантического ( смыслового) содержания. Общим средством анализа, описания и количественной оценки исследуемых процессов теории информации является ее математический аппарат, представляющий собой основу разрабатываемых и используемых теорий и методов.
 

Раздел кибернетики, изучающий проблемы распознавания образов.
 

Раздел кибернетики, изучающий общие стороны процессов передачи, хранения, извлечения и классификации информации различной природы ( в том числе биологической, технической, социальной и др.) в независимости от ее семантического ( смыслового) содержания. Общим средством анализа, описания и количественной оценки исследуемых процессов теории информации является ее математический аппарат, представляющий собой основу разрабатываемых и используемых теорий и методов.
 

Раздел кибернетики, изучающий химико-технологические системы.
 

Разделом кибернетики является математическая теория планирования эксперимента, которая обеспечивает выбор числа и условий постановки опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Теория планирования эксперимента сочетает методы регрессионного и дисперсионного анализа с методами оптимизации моделей. В разведочном бурении методы теории планирования эксперимента впервые применены Е. А. Козловским, Г. Ц. Ту-маркиным и другими учеными и получили развитие в научных статьях и практических руководствах.
 

В разных разделах кибернетики — теоретической, технической и прикладной — разной является и степень отвлечения от структурных и субстратных сторон изучаемых в ней объектов.
 

Системотехника — раздел кибернетики, посвященный анализу систем со сложными внутренними связями. К таким системам относится любой современный технологический процесс.
 

Теория информации — раздел кибернетики, в котором математическими методами рассматриваются вопросы оценки количества информации, содержащейся в сообщении, и исследуются процессы передачи и хранения информации. На рис. а приведена схема передачи сообщений по каналу связи.
 

УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТЕОРИЯ — раздел кибернетики технической, изучающий принципы построения систем автоматич.
 

Автоматика является одним из разделов кибернетики — науки об общих законах управления как в живой, так и в неживой природе.
 

Сейчас теорию информации считают одним из разделов кибернетики. В этой теории за единицу количества информации принимается количество информации, передаваемое при одном выборе между равновероятными альтернативами. Такая идея возникла почти одновременно у нескольких авторов, в том числе у статистика Р. А. Фишера, у доктора К.
 

Массового обслуживания теория-математическая дисциплина, являющаяся разделом кибернетики, изучающая статистические закономерности в массовых операциях, каждая из которых состоит в свою очередь из большого числа элементарных операций.
 

Игр теория — математическая дисциплина, являющаяся разделом кибернетики и позволяющая установить количественные закономерности и характеристики в конфликтных ситуациях — играх, когда сталкиваются интересы двух и более сторон.
 

ИНФОРМАЦИИ ТЕОРИЯ ( иногда — сообщений теория), раздел кибернетики, в к-ром матем.
 

Способы измерения количества информации, содержащейся в каком-либо сообщении, изучаются в разделе кибернетики, который называется теорией информации. Согласно этой теории за единицу количества информации принята так называемая двоичная единица — бит. При использовании электронно-вычислительной техники информация измеряется байтами.
 

Психологическая кибернетика

Психологическая кибернетика — это отрасль, предмет которой во многом схож с общей психологией, а также нейрофизиологией. Но это уже другой разговор. Данная отрасль изучает взаимодействие между разными анализаторными системами и обменом информации внутри человеческого мозга. Также данная наука занимается построением реалистичных моделей определённых психических функций. Давайте рассмотрим более детально их, чтобы было немного понятнее:

1. Мышление. Каждый человек по-своему мыслит. По своей природе данный психический процесс является способом отражения окружающей действительности человеческой психикой, которое выражается в суждениях, умозаключениях и понятиях. Каждый человек имеет свой стиль мышления, специфичный конкретно для него. Поэтому можно говорить о том, что данный стиль имеет определенные характеристики, смоделировать которые и пытаются кибернетики.
2. Память. Не все человек может запомнить, равно как и механизм запоминания у каждого человека индивидуальный. При этом кибернетики стараются выделить какие-то общие свойства и построить на их основе реалистичные модели, которые помогут психологам более эффективно взаимодействовать с человеком.
3. Ощущение — это отражение действительности, которое основано на непосредственном воздействии отдельных частей окружающей действительности на наши органы чувств. Для того чтобы человек мог что-то ощущать, ему нужно перед этим переработать информацию. И данные механизмы переработки изучаются психологической кибернетикой.

Естественно, это не все сферы, которые входят в круг интересов психологической кибернетики. Но и этих достаточно для того, чтобы раскрыть данную отрасль.

Немного о системах

Система — это упорядоченная совокупность элементов, между которыми происходит какое-то взаимодействие и которая направлена на реализацию определенной задачи. Основное правило систем — это то, что ни одна из них не является банальной совокупностью всех элементов. В качестве примера можно привести любую систему. Если бы компьютер был банальной совокупностью деталей, он бы просто не работал.

Кибернетик — это специалист, который изучает и компьютер в том числе. Также в сферу его научных интересов входят задачи, которые компьютером выполняются. Исходя из того, насколько это эффективно, оцениваются возможности для совершенствования определенной системы. Компьютер является управляемой системой. Это означает, что она может изменяться под воздействием человека. Есть и неуправляемые системы, например Вселенная. Она не входит в сферу интересов кибернетиков по той причине, что не может управляться людьми.

Выводы

Мы разобрались, что такое кибернетика. Значение этого слова стало нам понятно. И это прекрасно. Не нужно теперь думать, что означает слово «кибернетика», так как некоторые люди, возможно, даже решили посвятить данной науке свою жизнь после прочтения этой статьи. Хочется на это надеяться. Ученый-кибернетик может считаться универсальным специалистом в любой сфере. Ведь большая часть областей нашей жизни базируется на управляемых системах, которые входят в сферу изучения этой науки. Поскольку она становится с каждым днем все популярнее, то можно смело говорить: за искусственным интеллектом — будущее. Кибернетик — это настоящий универсал. Этим он и ценен.