7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Мы заключили предыдущую главу утверждением о том, что нервная система даже низших животных в настоящее вре­мя представляет собой более совершенный аппарат, чем ки­бернетическая машина. Что же это такое — кибернетическая машина? Коротко — это специальный автомат, созданный для управления.

Самолет летел заданным курсом. Ровный рев реактивных двигателей успокаивал пилота. Но вот самолет окружили об­лака, и летчику пришлось изменить высоту полета, ибо он ле­тел над горами. Показался океан. Никаких ориентиров! Одна­ко пилот уверенно меняет курс, скорость и высоту в нужное время. Радист что-то выстукивает ключом. Он сообщает на аэродром, с которым постоянно поддерживает связь, о коорди­натах самолета. Когда, наконец, самолет приближается к наз­наченному для посадки месту, загораются огромные прожек­торы, освещая бетонную посадочную площадку. Пилот по раз­решению дежурного по аэродрому спокойно ведет свою маши­ну на посадку. Пассажиры выходят из самолета и садятся в автобусы. А из головной кабины выходит хозяин воздушного гиганта. Он немного устал. Не меньше 10 часов ему пришлось непрерывно управлять сложным полетом своей серебристой птицы.

…Многолюдный, перегруженный транспортом перекресток большого города. В центре его на стальных проводах повис 16-глазый светофор. Нетерпеливо отфыркиваются моторы ма­шин в ожидании зеленого сигнала. На одном из углов в стек­лянной будочке сидит милиционер-регулировщик. Легкое движение его руки, и поток автомобилей мчит своих седо­ков и грузы дальше. Милиционер управляет уличным движением.

Какой смысл мы вкладываем в слова, когда говорим, что человек управляет тем или иным процессом? Когда регулиров­щик указывает направление движения транспорту и пешехо­дам, то это только лишь результат гораздо более сложного процесса. Это результат мыслительной деятельности регули­ровщика. С первой улицы слева скапливаются грузовые ма­шины с грузом, на второй улице слева машин нет, с первой правой улицы еле доносятся пронзительные гудки пожарных машин, со второй улицы справа скопление легковых автома­шин и сигналы «скорой помощи».

«Пока дойдет пожарная машина, я успею пропустить «ско­рую помощь» в переулок, что перед глазами. Там больница. Это та самая больничная «скорая», что вышла 15 минут на­зад», и т. д. Таким образом, регулировщик, прежде чем при­нять решение о переключении рукоятки светофора в ту или иную сторону, во-первых, получил с помощью своих органов чувств сведения о сигнализации и, во-вторых, логически их проанализировал. Это характерно для любого процесса уп­равления.

В древности человек сам был движущей силой своих ору­дий труда. Он сам метал копья, рубил топором деревья, рука­ми растирал вставленные друг в друга сухие тростниковые па­лочки для разведения огня.

В дальнейшем человек нашел в природе такие источники энергии, которые могли заменять его собственную физическую силу. Он открыл парус, изобрел водяную мельницу. Но для приведения их в действие необходимо было управлять этими источниками энергии. Необходимо было непрерывно следить за курсом и скоростью корабля, направлением и скоростью ветра и за положением паруса. В соответствии с установлен­ной целью надо было непрерывно менять положение паруса. Такое управление часто было связано с большими трудностя­ми и опасностями.

Шли века и человек изобретал новые машины и находил новые источники энергии. Были сконструированы и построены первые машины. И вот тут-то особенно остро встал вопрос: мо­жет ли человек построить машину для управления паровой машиной?

Дело в том, что паровые машины, имевшие огромные по тому времени энергетические мощности, сами «не хотели» ра­ботать, а человек не в состоянии был с должной скоростью и совершенством управлять ими. Известный английский изобре­татель Джеймс Уатт разработал автоматический регулятор и тем самым открыл широкую дорогу для применения паровых машин.

С тех пор было изобретено много других энергетических установок, и в каждой из них был применен принцип, использованный впервые Уаттом. Была создана специальная теория автоматического управления, которая благодаря работам вы­дающегося отечественного ученого и инженера, почетного чле­на Петербургской Академии наук профессора И. А. Вышнеградского стала доступной широкому кругу работников про­мышленности.

Впервые на важность и возможность специального изуче­ния процессов управления в самом широком понимании этого слова обратил внимание создатель великого социалистическо­го государства В. И. Ленин. Затем потребовалось более двух десятилетий, чтобы появилась на свет книжка известного американского ученого-математика Норберта Винера, в кото­рой он впервые использовал древнегреческое слово «киберне­тика» для обозначения науки об управлении и связи в живых организмах, машинах и обществе. Эта книга вышла впервые в 1948 году, а к 1956 году выдержала семь изданий. Она как бы подвела итог многочисленным работам, посвященным изу­чению процессов управления и управляющих систем, и пред­ставляет собой общую математическую теорию управления в самом широком смысле этого слова. Заслуга Винера состоит в том, что он усмотрел общие закономерности, лежащие в ос­нове любого управления сложными процессами, к какой бы области они ни относились. Примечательно, что в своих трудах Норберт Винер неоднократно отмечает выдающуюся роль, ко­торую сыграли русские и советские ученые теоретики и мате­матики в разработке науки об управлении и в формировании его собственных взглядов.

Дата выхода книги Винера «Кибернетика» — 1948 год — условно считается датой рождения этой науки. Работая над задачами автоматизации управления артиллерийским огнем, Н. Винер выяснил огромную роль вычислительных операций в управлении. Именно процессы вычисления, необходимые для управления, важно было автоматизировать прежде всего. Уро­вень развития техники позволил решить эту задачу.

Возникла специальная отрасль, которая стала называться вычислительной техникой. Вычислительная техника до неверо­ятных размеров расширила возможности автоматизации про­цессов управления и тем самым автоматизации производства вообще.

Может возникнуть вопрос: какая же связь существует меж­ду управлением и вычислительной техникой? Какое отношение имеет математика к управлению?

Сегодня уже многим читателям известно, что современные вычислительные машины успешно решают даже очень слож­ные задачи высшей математики. Но одно дело решать матема­тические задачи, а другое — решать различные задачи управ­ления, которые требуют еще и умения логически рассуждать.

Многим работа вычислителя представляется гораздо более механической (и потому легко поддающейся автоматизации), чем, скажем, деятельность диспетчера железнодорожного узла.

Но такие рассуждения ошибочны, и в действительности ре­шение любой, даже чисто математической задачи обязательно включает и немало сложных логических рассуждений. Поэто­му противопоставление математических задач логическим ли­шено оснований. Вычислительная машина не могла бы решать сложные математические задачи, если бы она не умела выпол­нять также и разнообразные логические действия.

Вопреки распространенному среди неспециалистов мнению, между математическими вычислениями и логическими дейст­виями имеется много общего. Существует даже особый раздел математики — математическая логика, которая учит, каким образом можно заменить логические рассуждения вычислени­ями наподобие арифметических.

Не следует поэтому удивляться, что современная вычисли­тельная машина может Самостоятельно вести бухгалтерский учет большого предприятия, начисляя при этом налоги в соот­ветствии с действующими законами, принимать решения за диспетчера или находить наилучшие ходы в замысловатых комбинациях шахматной игры.

Еще несколько лет назад мысль об управлении с помощью вычислительных машин, ну, скажем, паровозом или электро­возом, показалась бы фантастической. Еще бы! Ведь чтобы уп­равлять движением поезда, необходимо постоянно учитывать множество самых разнообразных, постоянно меняющихся дан­ных: скорость на перегоне, подъемы и спуски железнодорож­ного полотна и т. д. Анализируя эти данные, машинист прини­мает определенные решения. А машина? Как заставить ее учитывать все эти сведения и принимать решение?

Для всего этого необходимо прежде всего переложить эти сведения и весь процесс управления на язык математики и ло­гики. Такое описание специалисты называют алгоритмом. Нап­ример, все сведения о характере пути можно выразить цифра­ми, выражающими угол подъема или спуска полотна и протя­женности неровных участков. Чтобы средняя скорость движе­ния соответствовала заданной, необходимо учитывать все по­вороты и неровности пути, а также многие другие данные. Со­вокупность всех этих данных называется исходной информа­цией. От правильного ее учета и анализа зависит качество ра­боты машиниста. Зная эти данные, можно в любой момент точно определить, какие действия необходимо произвести при управлении процессом.

Но конечной целью применения кибернетики является не просто автоматизация процесса управления, а такая автома­тизация, которая обеспечивает повышение производительно­сти труда. В нашем примере это означает выбор такой скорости на участках пути с учетом веса состава, в результате которой будет достигнуто сокращение до минимума времени нахождения состава в пути. Следовательно, при разработке математического описания необходимо стремиться к созданию такого процесса управления, который бы обеспечивал покры­тие расстояния между станциями отправления и назначения в наикратчайшее время.

Составив математическое описание процесса, не так уже трудно на основании его написать инструкцию-программу для работы вычислительной машины-машиниста.

Затем программу вводят в «мозг» машины — ее запомина­ющее устройство. При работе в этот «мозг» машины от спе­циальных датчиков — «ушей» и «глаз» машины — поступают сведения о свободе пути, скорости, напряжении тока в сети и другие необходимые данные. По ним на основании заданной программы машина вырабатывает указания о том, какие дей­ствия необходимо осуществить, и передает их различным ис­полнительным механизмам.

Процесс повторяется беспрерывно. В машину потоком идут все новые и новые сведения, а из машины — четкие указания о необходимых новых действиях… При этом между управляю­щим устройством и управляемым объектом поддерживается постоянная двухсторонняя связь. Управляющее устройство че­рез определенные промежутки времени дает указания о том, что нужно сделать, а управляемый объект, в свою очередь, сообщает о том, как выполняются эти указания. Наличие двух­сторонней связи, которую специалисты называют «обратной» связью, позволяет автоматически корректировать ранее при­нятые решения, осуществлять управление до тех пор, пока цель управления не будет достигнута.

Электронные вычислительные машины «добросовестно» пе­рерабатывают информацию по любому алгоритму, независимо от того, какой процесс он описывает. В этом смысле вычисли­тельную машину можно сравнить с патефоном, который «ис­полняет», то есть воспроизводит, любую музыку — легкую, серьезную… Все дело в пластинке. Алгоритм тоже является своеобразной пластинкой. Он может описывать управление ра­ботой двигателя, ракеты, турбины или, как в нашем примере, движения поезда.

Однако выявление алгоритмов, описывающих некоторые сложные процессы, как и составление по ним программ для работы электронных вычислительных машин, — дело трудное и посильное лишь высококвалифицированным специалистам. Кроме того, практика показывает, что иногда и при довольно точно составленном алгоритме и программе трудно учесть все многочисленные факторы, влияющие на ход управляющего процесса. Поэтому качество управления и, следовательно, по­лученный результат могут оказаться далеко не лучшими.

Что же делать? Творческая мысль ученых находит возмож­ности сделать следующий шаг в решении проблемы автомати­зации сложных процессов управления. Системы управления, созданные природой, и технические системы управления име­ют много общего.

Винер в своей книге рассматривал проблему выяснения аналогии между этими системами как одну из важнейших за­дач кибернетики. Именно на основе изучения этой аналогии кибернетики нащупали путь для освобождения человека и от работы по программированию. Этот путь — создание обучаю­щихся машин.

Обучающиеся машины сами изучают процесс, которым они должны управлять, и на основе изученного сами составляют программу регулирования такого процесса. Таким образом, оказалось возможным заставить кибернетическую машину не только вычислять или управлять по заранее намеченной про­грамме промышленными объектами, но и учить их накапли­вать опыт.

Огромное количество специалистов по кибернетике изучает в настоящее время различные принципы, которые позволили бы максимально расширить способности машин к обучению. Такие машины позволяют осуществить полную автоматизацию современного производства.

Вот почему инженеры в настоящее время все чаще и чаще обращаются к живым объектам, которые дают изумительные примеры для подражания. В процессе эволюции, длительность которого измеряется сотнями миллионов лет, живые организ­мы выработали аппарат управления, обладающий исключи­тельной экономичностью, надежностью, малыми габаритами и точностью функционирования.

Биологические системы управления отличаются порази­тельной целесообразностью и гармоничностью действий, спо­собностью воспринимать тончайшие изменения многочислен­ных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечая на них многообразными приспособитель­ными реакциями.

По объему воспринимаемой и используемой информации, по сложности логических программ ее переработки, эффектив­ности кодирования, гибкости приспособительных реакций жи­вой организм оказался несравнимо более сложным и совер­шенным, чем любая созданная человеком машина. На верши­не эволюционной лестницы биологический аппарат управле­ния достиг высокого совершенства.

Присущее материи свойство отражения приобрело в нерв­ной системе человека форму мышления, способную к глубо­ким обобщениям и творчеству. Поэтому изучение в кибернети­ческом плане структуры и функций мозга, как материальной основы мышления, стало одной из важнейших задач науки.

Каков механизм кодирования информации в органах чувств, каковы логические схемы ее переработки нервным ап­паратом, какова структура памяти, каким образом осуществ­ляется узнавание, обучение, выработка программ поведения, контроль за деятельностью органов? Ответ на эти и многие другие вопросы имеет огромное значение как для биологиче­ских наук, так и для техники.

Кроме того, исследование функций нервной системы с по­мощью методов и средств кибернетики дает обширный мате­риал для философии, психологии, а также для развития аппа­рата прикладной математики.

В этой обстановке любительских знаний по биологии для инженера по управляющим машинам стало совершенно недо­статочно. Величайшее удивление по поводу необычайного сходства между техническими управляющими системами и мозгом животного быстро сменяется восхищением перед воз­можностями, совершенством и разнообразием управляющих систем, которыми располагает живая природа.

Именно в кибернетике, впервые в истории науки, был по­ставлен вопрос об использовании достижений биологии в тех­нике.