Кибернетика

Предмет изучения

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.

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

Этимология

Простая модель обратной связи. AB <0 для отрицательной обратной связи .

Термин кибернетика происходит от κυβερνήτης ( kybernḗtēs ) «штурман, губернатор, пилот, или руль направления». Как и в случае с древнегреческим летчиком, в кибернетике важна независимость мысли. Французский физик и математик Андре-Мари Ампер впервые ввел в употребление слово «кибернетика» в своем эссе 1834 года «Эссе о философии науки» для описания науки о гражданском управлении. Этот термин использовал Норберт Винер в своей книге « Кибернетика» для определения изучения управления и коммуникации между животными и машинами. В книге он заявляет: «Хотя термин кибернетика появился не раньше лета 1947 года, мы сочтем его удобным использовать для обозначения более ранних эпох развития этой области».

За пределами Европы

На средневековом Востоке защитное снаряжение обычно тяготело к сравнительным лёгкости и мобильности, поэтому там доспех практически нигде не развился до форм, аналогичных цельной металлической кирасе. В этот период единственными более или менее прямыми её аналогами из широко распространённых за пределами Европы доспехов могут считаться характерный для Ближнего Востока, Ирана, Средней Азии, отчасти Руси и Индии зерцальный доспех, представляющий собой обычно четыре-пять щитков, соединённых петлями и вместе образующих некое подобие кирасы, а также ряд японских доспехов в стиле «тосэй-гусоку», имевших кирасу из склёпанных из отдельных горизонтальных пластин нагрудника и наспинника.

Кроме того, весьма оригинальный комплекс доспеха на основе склёпанной или стянутой шнуром из отдельных пластин бронзы или железа кирасы с осевым разрезом спереди был распространён на Дальнем Востоке (царства Кореи и тесно связанная с ней прото-Япония) в середине первого тысячелетии н. э. Однако, уже к концу того же тысячелетия кирасы в этом регионе были полностью вытеснены «континентальными» ламеллярными доспехами, которые оказались более удобны для проникшего в регион из Великой Степи, видимо — через посредство китайцев, боя верхом.

Изредка встречались кирасы и в комплексе вооружения Индии времён Велких Моголов, но они использовались только высшей аристократией; можно предположить, что они представляли собой продукт изучения индийскими оружейниками европейских образцов, которые они напоминают по конструкции. Например, частично сохранился доспех, приписываемый падишаху Акбару Великому — спинная пластина кирасы, напоминающей европейские, сочетается в нём со шлемом и наручами-базубандами местного типа. Также известны литые латунные «анатомические» кирасы из некоторых местностей Индии, однако они скорее всего имели чисто ритуальное назначение.

В основном же во времена, когда в Европе господствовали латы, на Востоке применялись доспехи, обеспечивающие большую подвижность, со сплошной пластинчатой защитой только в самых уязвимых местах — вроде кольчато-пластинчатых или куячных (пластинчато-нашивных, типа бригантины). Переменный успех, с которым европейцы XV—XVII веков вели войны с Россией или Турцией, может быть свидетельством того, что для тех способов ведения военных действий, которые практиковались на Востоке, защитные свойства принятых там доспехов были вполне адекватными.

Что такое кибернетика?

Кибернетика — это обширная область, охватывающая изучение систем, которые являются механическими, биологическими, социальными, физическими или когнитивными по своей природе. Основателем этой науки считается американский ученый Винер Норберт.

Кибернетика применима к системам, которые имеют замкнутые сигнальные контуры. В этом типе замкнутой системы сигнал, генерируемый внутри системы, запускает изменения в системной среде, и это изменение также запускает некоторые типы системных изменений. Следовательно, это замкнутый цикл, в котором действие и его реакция происходят в одной и той же системной среде.

Кибернетика повлияла на множество областей исследования, включая теорию систем, философию, теорию игр, контроль восприятия, архитектуру, искусственный интеллект и многие другие. Тем не менее, основная цель остается той же — изучение систем управления для всех основных механизмов.

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.

Теория конечных автоматов занимается синтезом автоматов по заданным условиям работы и в том числе решением проблемы «черного ящика» — определением возможной внутренней структуры автомата по результатам изучения его входов и выходов, а также другими проблемами, например, вопросами осуществимости автоматов определенного типа.

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.

Решение этих проблем необходимо для разгрузки нервной системы человека от напряженной и рутинной работы и обеспечения максимальной эффективности всей системы «человек — автомат». Важнейшая задача технической кибернетики — моделирование все более сложных форм умственной деятельности человека с целью замены человека автоматами там, где это возможно и разумно. Поэтому в технической кибернетике развиваются теории и принципы построения различного рода обучающихся систем, которые путем тренировки или обучения целенаправленно изменяют свой алгоритм.

Начало и развитие

В 1969 институтом сердечно-сосудистой хирургии был разработан алгоритм для автоматической диагностики заболеваний кардиоклапанов. Впервые серийное производство аппаратуры для лабораторного диагностирования началось на заводе имени Семашко в семидесятых годах. Автоматические системы управления, АСУ, уже к тому времени не являлись чем-то сверхъестественным. Их называли инструментами, необходимыми для успешной врачебной деятельности.

Хирурги получили комплекс для мониторинга «Симфония». Он обеспечивал отслеживание состояния пациента при проведении хирургической операции. Первая система обеспечения препаратами «Аптека» была тоже внедрена в тот период. Началось развитие отечественной медицинской кибернетики. Передовые принципы совершенствования диагностики различных заболеваний в лабораторных условиях требовали наличия квалифицированного штата работников.

Медицинские вузы приступили к обучению по интересной направленности. Профессия привлекала перспективностью. Во втором столичном мединституте на медико-биологическом факультете в 1979 был первый выпуск.

К середине восьмидесятых кибернетическими принципами решения медпроблем стало невозможно никого удивить. Мегаполисы и районные центры обзавелись диагностическими АСУ для определения самых тяжелых болезней по результатам обследований.

В лечебных учреждениях появились журналы автоматизированной обработки поступающей информации. При помощи автоматических комплексов проводится учет койко-мест, запись на прием.

Современные достижения и пути развития

Смена ориентиров

Конец XX века стал определяющим периодом для кибернетики как науки. В конце 60-х это направление лишилось поддержки со стороны научного сообщества и столкнулось с проблемой выбора дальнейшего пути развития. Возрождение произошло в 70-х годах, когда биологи занялись разработкой новой кибернетической концепции, применимой для природных организаций и систем, не изобретенных человеком. История кибернетики получила новое направление для развития.

В 1980-х появилась «новая кибернетика», которая изучала взаимодействие политических подгрупп и элементов, создающих структуру политического сообщества. Была выработана новая концепция информации — ее стали рассматривать как нечто, созданное человеком в процессе взаимодействия с окружающей средой. Одной из главных задач новой кибернетики стало разрешение противоречия между микро- и макроанализом. Акцент с управляемой сместился к управляющей системе, а также к межсистемным связям.

Кибертехнологии

Говоря о практических достижениях, нужно отметить появление отдельного направления, которое связано с разработкой и созданием кибернетических организмов. Главным образом кибертехнологии позволили совершить прорыв в медицине и улучшить жизнь людей с тяжелыми травмами и заболеваниями.

Важным этапом в этой сфере стало изобретение и повсеместное применение кохлеарных имплантатов — они позволяют улучшить восприятие звуков у слабослышащих людей. Существуют и глазные электронные имплантаты, но пока что они менее распространены из-за сложности производства и вживления пациентам.

Также кибертехнологии позволили создать бионические протезы — искусственные руки и ноги, принимающие и откликающиеся на сигналы нервной системы, успешно имплантируют пациентам с ампутированными конечностями.

Интересных результатов в нулевые годы добились американские ученые, которые создали управляемых жуков, подключив электроды к нервным узлам насекомых. Таким образом им удалось контролировать полет одного из жуков в течение получаса.

Следующая цель ученых — создание искусственного сердца, которое можно будет использовать в качестве имплантата. В 2011 году врачам удалось вживить подобное сердце пациенту, но после этого он прожил всего месяц. Исследования продолжаются, и ученые полагают, что в будущем достижения в области кибернетики позволят им создать полноценную замену любому человеческому органу.

Чему нас учит кибернетика

О науке Кибернетике

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.

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

Связанные поля

Наука о сложности

Наука о сложности пытается понять природу сложных систем.

Аспекты науки о сложности включают:

• Комплексная адаптивная система
• Комплексные системы
• Теория сложности
• Решающий интеллект

Биомехатроника

Биомехатроника связана с соединением мехатроники с биологическими организмами, что приводит к системам, которые соответствуют определению кибернетики А. Н. Колмогорова: «Наука, занимающаяся изучением систем любой природы, которые способны получать, хранить и обрабатывать информацию, чтобы использовать ее для управления» . С этой точки зрения мехатроника считается технической кибернетикой или инженерной кибернетикой .

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.

Дальнейшее развитие дисциплина получила в трудах И.А. Вышнеградского (1832-1895). Сравнение естественных биологических систем и их реакций изучалось, в рамках кибернетики, И.П. Павловым (1849-1936) и П.К. Анохиным (1898-1974). Окончательное математическое обоснование наука получила в работах А. М. Тьюринга, А. Н. Колмогорова, Э. Л. Поста, В. А. Котельникова, А. Чёрча.

Современное понимание кибернетических систем и информатики было определено в рамках создания первой электронной вычислительной машины, прообраза компьютера, Нобертом Винтером, В. Бушем, Дж. фон Нейманом, У. Мак-Каллок и А. Розенблют. Итог работы этой группы относительно реальных технических и практических задач был опубликован Винтером в его книге «Кибернетика», изданной в 1948 году.

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.

Практическое применение нового направления

На кафедре медкибернетики в отечественных медвузах предоставляется подробнейшая информация о направлениях научного раздела. Наука занимается взаимодействием управленческих процессов, происходящих в живой природе, исследованием согласованной системной работы, способностью реагирования на раздражители извне, возвратом к исходному состоянию после таких воздействий.

Благодаря универсальности законов стало возможным их широкое применение. Так, медкибернетика при разработке практических технологий управления использует принципы системного взаимодействия. Ведется деятельность по разработке корректирующих жизненные процессы механизмов, улучшению методик распознавания недугов на ранних стадиях.

В любой диагностической системе есть три главных составляющих:

• Первой является память. Она хранит все данные по группам недугом, включая симптоматику, показатели исследований.
• Далее идет логическое устройство для обработки данных и сопоставления симптомов и результатов обследований пациентов с уже имеющейся информацией.
• Третий компонент – устройства для вывода полученных аналитических данных.

При создании аппаратуры для диагностики вначале разрабатывают описательную методику  состояния самочувствия обследуемого, анализируемые признаки недуга. Из полученных данных отбирают только те, что годятся для проведения количественного анализа.

Также важна информация о частоте таких клинических проявлений, классификация и общая констатация. Все сведения надежно хранятся в памяти вычислительного устройства. По мере поступления дальнейшей информации о состоянии пациента машиной ведется сопоставление симптоматики с заложенными в памяти. Составляется предварительная карта обследования.

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.

Источники

• https://mentamore.com/robototexnika/kibernetika.html
• https://future2day.ru/chto-takoe-kibernetika-chto-izuchaet-i-dlya-chego-nuzhna/
• https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/965284
• https://FB.ru/article/207993/kibernetik—eto-chto-za-uchenyiy
• https://tvercult.ru/literatura/osnovyi-kibertehnologiy-kto-byil-osnovopolozhnikom-kibernetiki
• https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/8171