Понятие и корни кибернетики

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

КИБЕРНЕТИКА [от греч. КхвеснзфйкЮ - искусство управления] -- научное направление, задачи которого были сформулированы в работах американского учёного Н. Винера, опубликованных в 1948: по Винеру и его последователям, Кибернетика есть наука о «связи», «управлении» и «контроле» в машинах и живых организмах. Не исключаются из рассмотрения и случаи, когда указанные функции (связи, управления и контроля) осуществляются коллективами людей или людьми при помощи машин. Для уточнения и ограничения приведённого определения следует указать более отчётливо, что именно Кибернетика понимает под связью, управлением и контролем.

Кибернетика изучает машины, живые организмы и их объединения исключительно с точки зрения их способности воспринимать определённую «информацию», сохранять эту информацию в «памяти», передавать её по «каналам связи» и перерабатывать её в «сигналы», направляющие их деятельность в соответствующую сторону.

Процессы восприятия информации, её хранения и передачи называются в Кибернетике связью, переработка воспринятой информации в сигналы, направляющие деятельность машин и организмов,-- управлением. Если машина или организм способны воспринимать и использовать информацию о результатах своей деятельности, то говорят, что они обладают органами обратной связи; переработка такого рода информации в сигналы, корректирующие деятельность машины или организма, называется в Кибернетике контролем, или регулированием. Поэтому кибернетику определяют также как науку о способах восприятия, хранения, переработки и использования информации в машинах, живых организмах и их объединениях.

Второе определение более отчётливо подчёркивает своеобразие кибернетики и центральное значение для кибернетического понятия информации. В литературе по кибернетике обычно подчёркивается, что осуществляющие связь, управление или контроль искусственные устройства или естественные органы рассматриваются в исключительно как носители или преобразователи информации. Большое значение имеет понятие «количества информации», введённое в явной форме американским учёным К. Шенноном (1948). Роль этого понятия в кибернетике сравнивают иногда с ролью понятия энергии в физике. Наоборот, конкретная материальная природа хранящих, передающих или перерабатывающих информацию устройств и органов, как и количество затрачиваемой на их работу энергии, являются с точки зрения кибернетики подчинёнными обстоятельствами. В процессе эволюции живых организмов возникли тончайшие механизмы хранения огромного количества информации в ничтожных объёмах (напр., механизм наследственности, сохраняющий в одной клетке весь запас видовых признаков взрослого организма), а также механизмы, способные воспринимать и перерабатывать огромное количество новой информации с ничтожной затратой энергии (напр., механизмы памяти и мышления в коре головного мозга). В этом же направлении идёт и развитие техники при сооружении средств связи, управляющих и регулирующих автоматические устройств и вычислительных машин.

Много дискутировавшийся вопрос о праве К. на существование в качестве самостоятельной научной дисциплины сводится к вопросу о том, насколько существенны общие черты всех процессов связи, управления и контроля, т. е. могут ли общие свойства этих процессов в машинах, живых организмах и их объединениях быть предметом достаточно содержательной единой теории. На этот вопрос следует ответить с полной определённостью утвердительно, хотя в направлении систематического построения кибернетики сделаны лишь первые шаги.

КОРНИ КИБЕРНЕТИКИ

Кибернетика -- интегральное научное направление и как таковое в значительной степени базируется на знаниях и идеях, зародившихся в рамках большого числа различных дисциплин, развивавшихся в первое время независимо друг от друга. Именно поэтому, говоря о возникновении кибернетики, нельзя обойти вниманием период накопления и формирования знаний и фактов, на базе которых она потом возникла. Ниже мы выделим то, что можно назвать «корнями» кибернетики, систематически рассмотрим состояние соответствующих знаний к моменту зарождения идей, которые можно назвать кибернетическими, т. е. к 30-40-м годам нашего века.

Известно, что термин «кибернетика» для обозначения науки об управлении общественными системами использовали французский физик Андре-Мари Ампер (1775-1836) и польский ученый Фердинанд-Бронислав Трентовский (1808-1869), ученик Гегеля.

Можно считать, что корни кибернетики в основном относятся к последней половине XIX в., и существовали они сравнительно самостоятельно до конца первой половины нашего столетия. Корни эти представляют собой как элементы чисто инженерного знания, так и некоторые локальные обобщения -- результат развития теоретического знания в отдельных естественнонаучных и научно-технических дисциплинах. Это: кибернетика наука винер тибольд революция

-- системы автоматического регулирования и управления, теория автоматического регулирования;

-- элементы моделирования и теории моделей для различных областей техники;

-- релейно-контактные схемы управления и защиты, элементы теории релейно-контактных схем;

-- средства связи и некоторые вопросы теории связи;

-- счетно-решающие приборы и математические инструменты;

-- цифровые вычислительные машины;

--элементы программирования для ЦВМ;

-- биомедицинские исследования: биомеханика, общая физиология, физиология высшей нервной деятельности;

-- вопросы административного и производственного управления, элементы общей теории систем;

-- элементы психологии труда и инженерной психологии;

-- математическая логика как часть математики.

Рассмотрим теперь каждый из этих корней.

1 . Автоматическое регулирование и управление. Потребности развития техники, требования к поддержанию в заданных пределах различных величин, характеризующих функционирование технических устройств, привели к изобретению и последующему развитию разнообразных регуляторов. Первым технически применявшимся прибором такого рода3, в котором использовался несформулированный еще принцип управления по отклонению (обратная связь), был регулятор Уатта -- он служил для регулирования скорости паровой машины путем воздействия на количество поступающего в нее пара4. В дальнейшем появились и другие виды подобного рода устройств.

Распространение регуляторов, потребность в повышении точности их работы, в устранении явления неустойчивости (автоколебаний) привели к теоретическому осмыслению принципов их работы, к выработке математического описания их функционирования и созданию методов соответствующих инженерных расчетов. Первые теоретические исследования систем автоматического регулирования с обратной связью связаны с именами Дж.К. Максвелла, И.А. Вышнеградского и А. Стодолы.

Заметим, что примерно до середины 30-х годов нашего века теория регу­лирования развивалась в рамках отдельных технических дисциплин, таких, как «регулирование машин», «регулирование электродвигателей», «гидравлические регуляторы», «электропривод» и т.п. Даже одна из основополагающих работ -- работа Г. Найквиста по частотным методам исследования устойчивости систем с обратной связью6 была написана применительно к электронным усилителям. Само понятие «обратная связь», пронизывающее всю теорию автоматического регулирования, вошло в нее лишь после появления электрических и электронных элементов и построенных на их базе разнообразных следящих систем, называвшихся ранее сервосистемами или сервомеханизмами.

С конца 30-х годов началось интенсивное проникновение следящих сис­тем во все отрасли техники, включая радиотехнику, электронику и счетно-решающие устройства; по этой тематике стали выпускаться журналы, сформировались соответствующие коллективы специалистов. Сложившаяся к этому времени общая теория автоматического регулирования связана с именами А.В. Михайлова, Г. Найквиста, А.А. Андронова, Б.Н. Петрова, М.А. Айзермана, А.А. Фельдбаума и многих других отечественных и зарубежных ученых7.

Теория автоматического регулирования явилась одной из важнейших основ кибернетики и после возникновения последней вошла в нее как одна из существенных составных частей.

2. Моделирование. Моделирование также развивалось в рамках конкретных научно-технических дисциплин уже в первой половине прошлого века, а в некоторых областях и того ранее. Речь идет главным образом о построении уменьшенных действующих моделей различных технических систем и устройств до воплощения их в натуральных размерах. Такое моделирование называют натурным или масштабным. Примерами могут служить известная модель деревянного одноарочного моста через Неву, построенная И.П. Кулибиным8, модели паровых машин и паровозов, выполненные их конструк­торами (Дж. Уатт, Р. Тревитик, Дж. Стефенсон и др.) в порядке подготовки практической реализации своих изобретений.

Зарождение моделирования в науке связано с появлением понятия «подобие», использовавшимся главным образом для решения ряда задач строительной механики, а затем проникшим в другие области техники. Раз­витие этого вида моделирования привело к созданию соответствующей теории, называемой иногда теорией подобия9.

Модельные исследования первоначально развивались автономно в рам­ках отдельных технических дисциплин; изучалось «электрическое модели­рование акустических систем», «моделирование механических систем» и т.п.; появление таких модельных систем, как гидравлические, привело к «гидравлическому моделированию» и т.д. То, что все эти виды моделиро­вания основываются на аппарате дифференциальных уравнений, описыва­ющих процессы различной природы, привело к «универсализации» элект­рических (электронных) моделей, и их начали использовать в качестве инструмента для решения дифференциальных уравнений и их систем, вне за­висимости от того, какие реальные системы и процессы этими уравнениями описываются. Так было положено начало развитию аналоговых вычисли­тельных машин и так называемому математическому моделированию.

Примерно к этому времени, т.е. к 30-м годам прошлого века, усилиями ряда ученых (Л. И. Гутенмахер, Г. Л. Полисар и др.) было показано, что электрические сети могут применяться для моделирования более сложных систем, для решения уравнений в частных производных. Появились сеточные электрические модели, которые стали применяться для решения задач строительной механики, теории упругости, гидродинамики и др. В развитие электромоделирования и в создание электронных аналоговых машин, называвшихся также интеграторами, кроме упомянутых выше Л.И. Гутенмахера и Г.Л. Полисара, большой вклад внесли многие отечественные и зарубежные ученые -- А.А. Фельдбаум, В.Б. Ушаков, Г.И. Петров, Г. Крон и др.

3. Счетно-решающие приборы и математические инструменты. Строго говоря, счетно-решающие приборы можно рассматривать как разновид­ность моделирующих устройств. Истоки их относятся к древности. При решении землемерных и астрономических задач возникла потребность в решении треугольников и других геометрических вопросов. Родилась идея, что задачи эти можно решать в уменьшенном масштабе -- «на бумаге» -- в виде графических построений, а далее -- с помощью механических устройств, в которых длины и углы поворота отдельных деталей соответст­вуют реальным расстояниям и углам, непосредственно получаемым при измерениях изучаемых объектов. Так появились первые астрономические инструменты, с помощью которых, помимо непосредственного измерения углов, модельным путем -- с использованием принципа геометрического подобия -- определялись неизвестные линейные размеры объектов. Подоб­ные же принципы использовались для определения расстояний на земле.

Одним из первых специально сконструированных дальномеров -- он служил для определения расстояний до артиллерийских целей -- был прибор, построенный в начале XIX в. русским офицером Тимофеем Бринком11. В дальнейшем принцип геометрического подобия стал применяться для вы­полнения простых математических операций (сложение, вычитание, умножение) и их комбинаций; математические величины вводились в приборы в соответствующем масштабе в виде углов, перемещений, длин и иных чисто механических носителей.

Проблемой, затруднявшей использование подобных устройств, являлась трудность достижения необходимых точностей чисто механическими средствами. Поэтому интенсивное их развитие, главным образом для решения военных задач (военные приборы), началось лишь в XX в., когда прогресс технологии позволил создавать достаточно прецизионную технику.

Для интегрирования и дифференцирования стали применяться специальные дисковые или грибовидные фрикционные механизмы и тахометры, а для введения функциональных величин -- механические графики, кулачки и коноиды. На механических принципах были созданы довольно сложные приборы для управления артиллерийской зенитной стрельбой (ПУАЗО), управления торпедной стрельбой и стрельбой корабельной артиллерии (ПУТС и ПУС). Важной особенностью такого рода счетно-решающих приборов было то, что они работали в «реальном масштабе времени», т.е. результаты получались непрерывно, без задержки, при непрерывном же вводе исходных данных. Теорией и проектированием механических счетно-решающих устройств интенсивно занимались многие советские ученые, и в том числе Н.Г. Бруевич, С.О. Доброгурский, И.Ф. Сакриер, Н.И. Пчельников.

Развитие электротехники и электроники привело к введению в описыва­емые приборы электрических и электронных элементов (потенциометрические схемы, решающие усилители, вращающиеся трансформаторы), а за­тем к появлению счетно-решающих устройств, полностью построенных на такого рода элементах; эти устройства начали интенсивно разрабатываться в 40-е годы и в значительной степени стимулировали развитие аналоговых моделирующих устройств.

Все это воздействовало на развитие инженерной мысли в области точно­го приборостроения. Помимо вопросов точности механизмов, которыми занимались такие ученые, как Н.Г. Бруевич и 3.Ш. Блох, возник ряд специальных инженерных дисциплин, связанных с отдельными аспектами теории и методики проектирования систем и устройств, решающих определенные группы математических задач. Кроме упомянутых выше ученых, исследования в этой области в СССР вели Б.И. Станиславский, А.А. Папернов, А.Л. Лившиц, Л.Н. Преснухин, В.С. Семенихин и др., а также многие зарубежные специалисты (в их числе были Н. Винер, Л. Заде, Д. Рагаззини и др.).

Развитие цифровых, дискретных устройств типа арифмометров, сначала на основе механических принципов, а затем электромеханических и электронных, привело к включению цифровых элементов в счетно-решающие приборы, а затем и к созданию цифровых счетно-решающих устройств -- специализированных ЦВМ,-- работавших в натуральном масштабе времени.

Существенным является то, что развитие счетно-решающей техники обусловило переход от управления отдельными объектами (станок, орудие, батарея и т.п.) к управлению их комплексами, т.е. выдвинуло задачу управления техническими системами сложной природы. Иначе говоря, возникли подходы кибернетического плана. Примечательно, что работы Н. Винера в области теории ПУАЗО и счетно-решающих приборов помогли ему сформулировать ряд идей, которые вошли в его первую книгу о кибернетике.

4. Математические инструменты. Их развитие началось с упоминавшихся выше астрономических инструментов и тоже шло по пути создания точных приборов аналогового типа; развитие это отличается разве что меньшей интенсивностью и тем, что принцип работы в реальном масштабе времени здесь не использовался, так как эти приборы предназначались главным образом для решения статических задач, таких, как измерения геометрических объектов, площадей, длин, для интегрирования и дифференцирования графически заданных функций и т.п.

История математических инструментов достаточно освещена в литературе13. В их конструкции часто использовались принципы и решения, разработанные в теории счетно-решающих приборов, и наоборот, ряд принципов и решений, применимых в математических инструментах, нашли успешное использование в счетно-решающих устройствах. Научно-исследовательский семинар по точности механизмов, которым руководил Н.Г. Бруевич (40-е-50-е годы), значительное время занимался почти исключительно проблемами, свя­занными с точностью математических инструментов, и тем не менее сыграл заметную роль в развитии теории счетно-решающих приборов.

5. Цифровые вычислительные машины. ЦВМ имеют достаточно большую историю. Многие вопросы этой истории подробно освещены в литературе14. Мы остановимся поэтому лишь на некоторых основных аспектах развития ЦВМ. Первым шагом здесь является создание -- еще в древности -- абака, разновидностью которого являются русские конторские счеты. В этих простейших приборах уже используется кодирование десятичных цифр с помощью дискретных единиц-костяшек и осуществляется реализация простейших арифметических действий. Следующий шаг -- это создание арифмометров, т.е. механических устройств для выполнения операций арифметики. XIX век ознаменован арифмометром с колесом Однера (1874); позже выпускались счетно-клавишные машины ВК, «Мерседес», «Рейнметалл» и др. Затем появилось множество разнообразных клавишных электронных калькуляторов, способных выполнять относительно простые вычислительные процедуры. Изменилась техника -- от механических систем произошел переход к электромеханическим, а затем к электронным; изменился источник энергии -- ручной привод заменился электродвигателями, а затем электронными источниками питания. Однако основной принцип работы -- составление на бумаге плана расчета и пошаговое последующее его выполнение -- остались.

Принципиально новой идеей, восходящей к работам Ч. Бэббиджа ,явилось использование бумажного носителя информации -- перфокарт, примененных ранее Ж. Жаккаром для управления ткацким станком,-- с целью реализации фиксированных последовательностей арифметических операций, т.е. вычислительного процесса. Эта идея привела к зарождению эле­ментов программирования, заключавшегося в изготовлении управляющих перфокарт, а также позднее к коммутации на наборных досках и вылилась в то направление вычислительной техники, которое связывают с именем Г. Голлерита и называют счетно-перфорационной техникой. Существенным в счетно-перфорационных машинах является то, что для «программирования» последовательности операций используются не перфокарты, а коммутационные доски со штеккерными соединениями. На перфокартах же кодируется числовая информация.

Комплекты счетно-перфорационных машин в 30-е-40-е годы сыграли существенную роль в решении массовых вычислительных задач для народного хозяйства и обороны. В разработку методов их использования внесли вклад работы Л.Я. Нейшуллера, И.Я. Акушского, С.К. Неслуховского и других ученых.

Счетно-перфорационные машины претерпели такие же изменения, что и калькуляторы: совершенствовалась механическая часть, внедрялись релейные и электронные схемы и в конечном счете сформировалось специальное направление вычислительной техники.

Существенным этапом, с которого началось развитие современных ЦВМ, явилась разработка в начале 40-х годов релейных и электронных схем для хранения в машинах цифровой информации -- промежуточных данных и результатов вычислений. Началось развитие одного из важнейших устройств ЭВМ -- блока памяти. Развитие науки и техники, особенно электроники, привело в дальнейшем к использованию целой гаммы принципов построения запоминающих устройств -- регистровых, на магнитных барабанах, лентах и дисках, электронно-лучевых, ферритовых, что существенным образом сказалось на развитии ЭВМ и росте их производительности.

К началу формирования кибернетики как научного направления (конец 40-х годов) относится революционная идея Дж. фон Неймана относительно «единства» информации, используемой на всех этапах работы ЦВМ, и в частности о хранении в памяти машины, помимо текущей информации, связанной с решаемой задачей, также и информации программной. Идея эта -- важнейшая в комплексе принципов, составивших то, что обычно называют фон-неймановской архитектурой ЭВМ, и в значительной степени сохранившая свою жизненность до наших дней, привела к возможности оперировать с командами программ так же, как и с числами: осуществлять в машине их преобразования, выполнять над ними логические и арифметические операции. В концепции фон Неймана автоматический цифровой вычислитель выступил как устройство для переработки информации любой природы, не обязательно числовой.

Уже к концу 40-х годов на развитие ЭВМ и их теории существенное влияние оказывали и такие составные части («корни») кибернетики, как теория релейно-контактных схем и автоматов, математическая логика; возрастающее значение стали приобретать вопросы программирования. Необходимо, однако, отметить, что ЭВМ и их теорию нельзя отождествлять с кибернетикой: они лишь частично смыкаются с ней, выступая в качестве ее технической базы.

В самом деле, «ипостаси» ЭВМ многообразны. Эти машины являются мощным средством выполнения сложнейших математических расчетов, решения разнообразных научных и инженерных задач; это не всегда имеет непосредственные связи с кибернетикой, но безусловно относится к прикладной математике. В силу высокого быстродействия ЭВМ являются мощным инструментом информационного (не обязательно математического!) моделирования разнообразных объектов, систем, процессов и явлений; в качестве универсального инструмента моделирования они, естественно, используются для решения задач собственно кибернетического плана; в этом смысле ЭВМ являются одним из основных инструментов кибернетики. Далее, ЭВМ входят в качестве ведущей компоненты в сложные управляющие и информационные системы, которые изучаются в кибернетике. Наконец, архитектура, возможности, теория и принципы совершенствования ЭВМ являются объектами кибернетического рассмотрения15.

6. Программирование для ЦВМ. Родоначальником программирования считается графиня Ада Лавлейс -- дочь знаменитого поэта Дж. Г. Байрона,-- которая составляла первые программы для «аналитической машины» Бэббиджа. Однако серьезно о программировании стало возможным говорить лишь с момента появления первых ЭВМ и внедрения фон-неймановского принципа ввода и хранения программ в памяти машины.

К моменту зарождения кибернетики уже накопился некоторый опыт составления программ для ЭВМ. Так, в начале 50-х годов элементы программирования были включены С.А. Лебедевым в читавшиеся им в Московском энергетическом институте лекции по вычислительной технике. Первый в СССР самостоятельный курс программирования был прочитан в это же время А.А. Ляпуновым16. Накопление опыта программирования привело к возникновению элементов теории программирования, к разработке вопросов программирования невычислительных задач, к попыткам использования ЭВМ для автоматизации программирования, что сразу же стало объектом исследований возникавшей в это же время кибернетики. Именно поэтому теорию программирования для ЭВМ, тесно связанную с использованием методов математической логики и дискретной математики, следует считать одним из «корней» и составных частей кибернетики.

7. Релейно-контактные схемы и их теория. Переключательные элементы, позже получившие название «реле», появились еще в 19 веке, истоки же их -- аналогичные элементы неэлектрической природы -- создавались еще ранее. Первые конструкции электромагнитных реле можно обнаружить уже в прерывателе Вагнера -- Неффа17 и в пишущем устройстве телеграфного аппарата С. Морзе. Впоследствии, с развитием электротехники и электросвязи, многообразие релейных устройств резко возрастает. Релейные, или, точнее, релейно-контактные схемы начинают применяться в средствах защиты электротехнических систем, в связи, в системах автома­тики, телемеханики и телеуправления. В первой половине XX в. релейная техника продолжает быстро развиваться; появляются телемеханические системы различного назначения, широко использующие релейные схемы.

Теоретические исследования этого времени ограничиваются вопросами расчета и проектирования реле как самостоятельных устройств. Исследований, связанных с построением таких схем из реле, которые обладали бы заданными свойствами и выполняли требуемые функции, еще не было. Каждая релейная схема, разработанная для практических задач, не основывалась на теоретической модели, а рассматривалась как отдельное изобретение. Только в середине 30-х годов 20 века начала зарождаться теория релейно-контактных схем, т.е. схем, состоящих из многих релейных элементов. В нашей стране важное слово в этой области было сказано В.И. Шестаковым, в диссертации которого -- она называлась «Некоторые математические методы конструирования и упрощения двухполюсных схем класса А» (1938 г.) -- для анализа и расчета релейно-контактных схем были использованы методы алгебры логики. Работы Шестакова, по-видимому, опередили аналогичные исследования, выполненные известным специалистом по информатике и кибернетике Клодом Шенноном18.

Большая роль в развитии логико-математических методов анализа и синтеза релейно-контактных схем и в их внедрении в инженерную практику принадлежит М.А. Гаврилову, его последователям и ученикам (В.Н. Рогинский, В.Г. Лазарев, П.П. Пархоменко и др.). В 1943 г. М.А. Гаврилов выпустил первый отчет о своей работе19 и начал активную деятельность по привлечению научных сил к этой проблеме. Он явился основателем школы исследователей, работающих в области релейно-контактных схем и теории автоматов,-- школы, которую называют «гавриловской».

В настоящее время многие идеи и результаты М.А. Гаврилова заняли прочное место в соответствующих учебных курсах, но не так было в 40-50-е годы, когда его работы не всегда встречали понимание и надо было обладать мужеством и научной убежденностью, чтобы противостоять оп­понентам, выступавшим против логико-математических методов в инже­нерной практике: М.А. Гаврилову ставили в вину «формализм» и даже идеализм.

Таким образом, к моменту выдвижения концепции кибернетики Н. Винером (1948 г.)21 уже были заложены основы теории, показывающей, в частности, что положения алгебры логики, созданной в прошлом веке, «воспроизводятся» с помощью релейно-контактных схем и что, наоборот, релейно-контактные схемы описываются алгебро-логическими методами. Этот теоретический «задел» явился базой для развития теории автоматов и вместе с последней вошел в качестве составной части в кибернетику; в дальнейшем он составил теоретическую основу анализа и рационального проектирования логических схем цифровых вычислительных машин22.

8. Устройства связи и теория связи. Технические средства связи -- подобно часам, методам и средствам измерений -- в идейном плане представляют собой наиболее древние прообразы кибернетических систем. Действительно, если любые технические системы могут характеризоваться коэффициентом полезного действия, т.е. отношением полезной энергии или вещества к энергии или веществу, затраченным для получения требуемого эффекта, то задачей систем связи и измерительных систем является получе­ние сведений, сообщений, сигналов, т.е. того, что ныне получило общее наименование информации и является одним из основных понятий кибернетики. Сигнальный, информационный характер измерительных приборов и средств связи делает их прямым предшественником кибернетических систем. Ибо в их основе лежит понятие сигнала, знака. Почтовое или телеграфное сообщение ценно не благодаря его вещественному или энергетическому содержанию, а из-за смысла, информации, в нем заложенной; можно идти еще дальше и считать отдаленными корнями кибернетики язык и письменность -- первые системы, в которых знаковый, информационный характер является «оправданием» их существования.

Вернемся, однако, к системам связи. Развитие их привело к появлению таких важных для кибернетики понятий, как кодирование сообщений, канал связи, источник и приемник информации, память, помехи, шумы и т.п. Интересно отметить, что первый пример научного -- а именно статистического -- подхода к кодированию связан с именем С. Морзе, который при разработке (1838 г.) телеграфного кода, названного его именем, учитывал частоты встречаемости различных букв в англоязычных текстах. Можно вспомнить о другом «эпизоде» дешифрирования сообщений -- типично кибернетической задаче! -- который фигурирует в известном рассказе Эдгара По «Золотой жук»24, относящемся еще к 1843 г.

Прогресс систем связи, появление радио, электронных схем и таких специфических информационных средств, как радиолокация, повлекло за собой развитие теории связи, ее выделение в самостоятельную научно-техническую дисциплину, вошедшую в состав кибернетики. Укажем в этом контексте на работы Р. Хартли, который предложил логарифмическую меру оценки величины телеграфного сообщения, развитую позже К. Шенноном, заложившим основы современной теории информации -- быстро развивающегося раздела кибернетики25. Большое влияние на последующее развитие оказали работы В.А. Котельникова, знаменитая теорема которого26 позволила установить связь между непрерывными сигналами и их дискретными кодами и возможность представления любого непрерывного сигнала в дискретной форме.

Ныне системы передачи цифровых (дискретных) данных являются необ­ходимой основой большинства современных сложных управляющих систем, требующих наличия развитой структуры каналов и сетей передачи управляющей информации. Развитие теории релейно-контактных схем и средств вычислительной техники сыграло большую роль в совершенствовании современных средств связи, особенно при решении задач коммутации, кодирования и декодирования сообщений.

9. Биомедицинские исследования. Биология и медицина, темпы развития которых особенно возросли с началом 20 века, также оказали заметное влияние на возникновение кибернетических идей. Прежде всего это относится к общей физиологии и физиологии высшей нервной деятельности.

Еще в 19 веке предпринимались попытки привлечения научных знаний из области механики для изучения движения живых организмов. Исследования кровотока привели к открытию ряда законов гидродинамики (А. Навье, Дж. Г. Стокс)27. Физиологические исследования (Н.А. Белов, М.М. Завадовский, Н.А. Бернштейн) привели к установлению существенной роли принципа обратной связи в функционировании живых организмов. Заметим, что термин «обратная связь», введенный в физике Е. Румером в 1906 г., при этом не использовался.

Модельные представления при исследовании физиологических процес­сов привлекались еще И.М. Сеченовым29 (1829-1905); широко известные работы И.П. Павлова (1849-1936) раскрыли роль сигнальной информации в высшей нервной деятельности животных и человека. В работах У. Б. Кеннона, сформулировавшего в 1929 г. положение о гомеостазе30, были рассмотрены основы устойчивого функционирования физиологических систем, которые после изобретения У. Р. Эшби гомеостата31 легли в основу одного из кибернетических направлений -- гомеостатики. К этому же времени было установлено наличие в организме сложных взаимосвязанных ре­гулирующих систем, поддерживающих -- несмотря на изменение внешних воздействий -- в определенных пределах ряд жизненно важных параметров организма, как, например, температуру тела, давление и химический состав крови, частоту пульса, дыхания и пр.

Исследования высшей нервной деятельности и морфологии нервной системы и головного мозга, изучение функционирования нервных клеток позволили установить роль электрических (ионных) процессов в функционировании нервной системы, дискретный -- на определенном уровне «срабатывания» -- характер работы нейронов; была раскрыта грубая структура некоторых зон мозга, в частности анализаторных. Выяснилось, что в первом приближении нейроны работают по принципу «все или ничего», т.е. в определенной степени аналогично релейным переключательным элементам.

К 30-м годам прошлого века относятся кибернетически значимые исследования Н.А. Бернштейна и П.К. Анохина. Последним, в частности, было постулировано существование в живых организмах «акцепторов действия» (синоним известного в технике упреждающего механизма -- «предиктора»), а в дальнейшем сформулирована идея функциональной системы и по­казано, что введение этого понятия проливает свет на природу целесообразного функционирования физиологических систем организма и его целенаправленного поведения.

Сложность биологических образований и процессов, большое число и разнообразие связей между их элементами и подсистемами, трудности изучения таких систем традиционными методами привели в это же время к зарождению элементов «общей теории систем» (Л. фон Берталанфи), которая первые годы развивалась параллельно кибернетике.

10. Элементы теории управления в социальных структурах. Своеобразным корнем кибернетики, относительно мало заметным на первых этапах ее исторической подготовки и становления, явились попытки научного рассмотрения проблем управления социальными и экономическими системами. Здесь следует отметить упоминавшиеся выше работы Ф.Б. Трентовского, который задолго до Винера пользовался термином «кибернетика», а также опубликованный в 10-20-х годах нашего века трехтомный труд А.А. Богданова «Тектология», в котором предпринималась попытка, говоря современным языком, системно-кибернетического анализа некоторых вопросов функционирования социальных структур и управления ими.

Работы А.А. Богданова (1873-1928) и Л. фон Берталанфи представляют собой первые попытки построения «общей» теории больших и сложных систем, какими являются биологические и социально-экономические системы, рассмотрения этих систем со структурно-информационной точки зрения, при существенном отвлечении от их «субстратного» состава.

К моменту «оформления» кибернетики также был выполнен ряд исследований, в которых математические методы использовались для анализа экономических систем и для решения ряда народнохозяйственных задач. Одной из первых работ этого рода явилась работа Л.В. Канторовича «Математические методы организации и планирования производства», относящаяся к 1939 г. Необходимо также отметить шедшие в аналогичном русле исследования В.С. Немчинова (1894-1964), В.В. Новожилова (1892-1970), М.К. Гавурина, В.А. Залгаллера, а в США -- В.В. Леонтьева (р. 1906) -- ученых, которым, в частности, принадлежит инициатива в использовании модельных подходов в экономике и в построении ряда экономических моделей, сыгравших существенную роль в развитии математической экономики, называемой также экономической кибернетикой.

Заметим, что на первых порах формирования кибернетики социальные, и в том числе экономические, структуры в силу их сложности и трудности формализации не рассматривались еще как объекты кибернетического и информационного анализа. Эти работы, часто неявно, уже содержали некоторые общие принципы и положения, которые впоследствии вошли в концептуальный аппарат кибернетики (обратная связь, информация, целостность системы и др.).

11. Инженерная психология и психология труда. Развитие автоматизированных управляющих систем, технических средств управления отдельными объектами и сложными техническими комплексами привело к исследованию возможностей человека в работе с такими системами, в выполнении функций «элемента» в так называемых человекомашинных системах.

Исследования по изучению свойств и особенностей человека-оператора, работающего с техническими управляющими системами, которые охватываются понятием инженерной психологии, стали активно развиваться с конца 30-х годов. В известной мере эти исследования продолжили работы по психологии труда, в которых изучалась общая проблема взаимодействия человека с техническими устройствами. Эти работы активно проводились в нашей стране уже в начале 20-х годов и связаны с именами А.К. Гастева (1882-1941) и его учеников, а также Н.А. Бернштейна, С.Г. Геллерштейна и др. Анализировались проблемы управления движениями человека, изучались его механические и психофизиологические характеристики, определяющие возможности и успешность его работы с техникой, вопросы обучения соответствующей трудовой деятельности и пр.

Первые работы по изучению человека-оператора, включенного в системы управления, связаны с именем Б.Ф. Ломова (р. 1927) -- основателя и руководителя советской инженерно-психологической школы; кроме него, можно назвать Л.Н. Преснухина, изучавшего операторскую деятельность в режиме слежения, а также Д.И. Агейкина, В. Ф. Венду и др.

Человеко-машинные системы по своему характеру и по функциям, ими выполняемым, полностью относятся к управляющим системам, и поэтому естественно, что с возникновением кибернетики инженерная психология, не перестав быть разделом психологии, стала во многом также и ответвлением кибернетики.

12. Математические корни кибернетики. Здесь необходимо сказать о тех математических направлениях, которые, развиваясь в рамках своей науки, сразу же стали необходимым и важным инструментом кибернетических исследований. Прежде всего следует указать на теорию обыкновенных дифференциальных уравнений и особенно на вопросы их устойчивости (А.М. Ляпунов), а также на проблематику оптимизации сложных динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями и их системами. Несмотря на большое значение этого раздела математики для кибернетики, мы не будем на нем останавливаться, так как его широкий характер и обширные приложения в различных технических дисциплинах не позволяют выделить в нем специфически кибернетические черты.

Значительно более характерным для кибернетики явилось использование таких экзотических в свое время разделов математики, какими являются математическая логика и теория алгоритмов. Возникшие в рамках «чистой» математики, эти ее разделы традиционно связывались лишь с общими вопросами обоснования математики; долгое время считалось, что они не имеют прикладного значения. И только появление теории релейно-контактных схем, использование в ЦВМ двоичной системы счисления (удобной для технических реализаций), тесно связанной с двоичной же алгеброй логики (булевой алгеброй), потребности в разработке и оптимизации логических и вычислительных элементов и узлов ЦВМ сделали математическую логику, а в известной степени и всю дискретную математику, одним из эффективных инструментов кибернетических исследований. То же можно сказать и о теории алгоритмов и рекурсивных функций, возникшей в рамках математической логики в связи с проблемами вычислимости и доказуемости, но по мере развития программирования превратившейся в его теоретическую основу и инструмент дальнейшего развития.

Существенно отметить, что развитие кибернетики, в свою очередь, оказало стимулирующее влияние на исследования в области математической логики, теории алгоритмов и всей дискретной математики. Достаточно указать на модальные и псевдофизические логики, теорию логического вывода и теорию принятия решений, теорию графов и ряд разделов современной алгебры; прогресс в этих областях не в последнюю очередь был вызван потребностями возникающей кибернетики. Здесь следует упомянуть идеи и результаты А. М. Тьюринга (1912-1954). Э. Поста (1897-1954), А.А. Маркова (младшего) (1903-1979), С.А. Яновской (1896-1966) и других отечественных и зарубежных математиков и логиков, работы которых сформировали математический фундамент кибернетики.

ТРУДЫ НОРБЕРТА ВИНЕРА

История кибернетики насчитывает 19 лет, официальная история, начало которой положил Норберт Винер, профессор математики Массачусетсского технологического института, когда опубликовал в 1948 г. свою знаменитую книгу “Кибернетика, или управление и связь в животном и машине. Казавшаяся вначале только сенсацией, кибернетика превратилась в настоящее время в обширную и влиятельную отрасль мировой науки.

Норберт Винер был один из самых блестящих и парадоксальных умов капиталистического Запада, глубоко обеспокоенный противоречиями атомного века, напряженно размышлявший о судьбе человека в эпоху небывалого могущества науки и техники. “Человеческое использование человеческих существ” - так названа его вторая кибернетическая книга. Он оставил после себя большое научное наследство, сложное и противоречивое, во многом спорное, во многом интересное и стимулирующее. Это наследство требует вдумчивого, критического, философского подхода, далекого от крайностей отрицания и преувеличения, какие столь часто приходилось слышать. И в этом наследстве первое место занимает “Кибернетика” - книга, провозгласившая рождение новой науки. Это главная книга Винера, итог всей его научной деятельности. Винер называл ее “описью своего научного багажа”. Она представляет собой важнейший материал к характеристике ученого и вместе с тем памятник ранней, романтической поры кибернетики, “периода бури и натиска”.

Первое английское издание “Кибернетики” увидело свет в США и Франции в 1948 г., скоро стало научным бестселлером, одной из “книг века”. В 1958 г. она переводится на русский в издательстве “Советское радио”. В 1961 г. в США вышло второе издание “Кибернетики” с новым авторским предисловием и новыми главами, составившими вторую часть книги; прежний ее текст, перепечатанный без изменений, лишь с правкой ошибок, сделан первой частью. В 1963 г. издательство “Советское радио” выпустило книгу “Новые главы кибернетики”, содержащую перевод предисловия и второй части из второго издания.

Биография

Профессор Винер значительно облегчил задачу своих биографов, написав на склоне лет две книги воспоминаний: одна из них посвящена детству и годам учения (“Бывший вундеркинд”); другая - профессиональной карьере и творчеству (“Я - математик”).

Норберт Винер родился 26 ноября 1894 г. в г. Колумбия, штат Миссури, в семье еврейского иммигранта. Его отец, Лео Винер (1862-1939), уроженец Белостока, тогда принадлежавшего России, в молодости учился в Германии, а затем переселился за океан, в Соединенные Штаты. Там, после разных приключений, он стал со временем видным филологом. В Колумбии он уже был профессором современных языков в Миссурийском университете, позже состоял профессором славянских языков старейшего в США Гарвардского университета, в г. Кембридже, штат Массачусетс, близ Бостона. В этом же американском Кембридже в 1915 г. обосновался Массачусетсский технологический институт (МТИ), Одно из главных высших технических училищ страны, в котором впоследствии работал и сын. Лео Винер был последователем Толстого и его переводчиком на английский. Как ученый, он проявлял весьма широкие интересы и не отступал перед рискованными гипотезами. Эти его качества были унаследованы Норбертом Винером, отличавшимся, однако, по-видимому, большей методичностью и глубиной.

Будущий основатель кибернетики был в детстве “вундеркиндом”, ребенком с рано пробудившимися способностями. Этому во многом содействовал отец, занимавшийся с ним по собственной программе. Юный Норберт семи лет читал Дарвина и Данте, одиннадцати - окончил среднюю школу, четырнадцати - высшее учебное заведение, Тафтс-колледж. Здесь получил он свою первую ученую степень - бакалавра искусств.

Затем он учился в Гарвардском университете уже как аспирант (graduate student) и семнадцати лет стал магистром искусств, а восемнадцати, в 1913 г., доктором философии по специальности “математическая логика”. Титул доктора философии в данном случае не является только данью традиции, так как Винер сначала готовил себя к философской карьере и лишь впоследствии отдал предпочтение математике. В Гарварде он изучал философию под руководством Дж. Сантаяны и Дж. Ройса (имя которого читатель найдет в “Кибернетике”). Философское образование Винера сказалось впоследствии при выработке проекта новой науки и в книгах, которые он написал о ней.

Гарвардский университет предоставил молодому доктору стипендию для поездки в Европу. В 1913-1915 гг. Винер посещает Кембриджский университет в Англии и Гёттингенский в Германии, но в связи с войной возвращается в Америку и заканчивает свое образовательное путешествие в Колумбийском университете в Нью-Йорке. В английском Кембридже Винер занимался у знаменитого Б. Рассела, который в начале века был ведущим авторитетом в области математической логики, и у Дж. X. Харди, известного математика, специалиста по теории чисел. Впоследствии Винер писал: “Рассел внушил мне весьма разумную мысль, что человек, собирающийся специализироваться по математической логике и философии математики, мог бы знать кое-что и из самой математики”. В Гёттингене Винер занимался у крупнейшего немецкого математика Д. Гильберта, слушал лекции философа Э. Гуссерля.

В 1915 г. началась служба. Винер получил место ассистента на кафедре философии в Гарварде, но только на год. В поисках счастья он сменил ряд мест, был журналистом, х отел идти в солдаты. Впрочем, он, по-видимому, был достаточно обеспечен и не испытывал нужды. Наконец, при содействии математика Ф.В. Осгуда, друга отца, Винер получил работу в Массачусетсском технологическом институте. В 1919 г. Винер был назначен преподавателем (instructor) кафедры математики МТИ и с тех пор всю жизнь оставался сотрудником института. В 1926 г. Винер вступил в брак с Маргаритой Энгеман, американкой немецкого происхождения.

Годы 1920-1925 Винер считал годами своего становления в математике. Он обнаруживает стремление решать сложные физические и технические задачи методами современной абстрактной математики. Он занимается теорией броунова движения, пробует свои силы в теории потенциала, разрабатывает обобщенный гармонический анализ для нужд теории связи. Академическая карьера его протекает медленно, но успешно.

В 1932 г. Винер-полный профессор. Он завоевывает имя в ученых кругах Америки и Европы. Под его руководством пишутся диссертации. Он издает ряд книг и больших мемуаров по математике: “Обобщенный гармонический анализ”, “Тауберовы теоремы”, “Интеграл Фурье и некоторые его применения” и др. Совместное исследование с немецким математиком Э. Гопфом (или Хопфом) о радиационном равновесии звезд вводит в науку “уравнение Винера-Гопфа”. Другая совместная работа, монография “Преобразование Фурье в комплексной области” написана в сотрудничестве с английским математиком Р. Пэли.. Отдает Винер дань и техническому творчеству, в компании с китайским ученым Ю.В. Ли и В. Бушем, известным конструктором аналоговых вычислительных машин. В 1935-1936 гг. Винер был вице-президентом Американского математического общества.

В 20-е и 30-е годы Винер неоднократно бывает в Европе, завязывает обширные научные знакомства, подолгу живет в Кембридже и Гёттингене, участвует в международных математических конгрессах. В числе его знакомых М. Фреше, Ж. Адамар, Н. Бор, М. Борн, Дж. Холдэйн, Дж. Бернал и др. В 1935-1936 гг. Винер посещает Китай в качестве “разъездного профессора” (visiting professor) и читает лекции в пекинском университете Цинхуа

Год поездки в Китай - 1935 - Винер считал важным рубежом своей жизни, началом научной зрелости. Ему исполнилось сорок лет, он добился признания и прочного положения в науке. “Мои труды начали приносить плоды - мне удалось не только опубликовать ряд значительных самостоятельных работ, но и выработать определенную концепцию, которую в науке уже нельзя было игнорировать”. Развитие этой концепции привело затем Винера к знаменательному проекту кибернетики.

Еще в 30-е годы Винер сближается с мексиканским ученым Артуром Розенблютом, сотрудником известного американского физиолога У.Б. Кеннона, и принимает участие в вольном методологическом семинаре, организованном Розенблютом и объединявшем представителей разных наук. Этот семинар сыграл важную роль в предуготовлении винеровской кибернетики. С рассказа о нем и начинается настоящая книга. Знакомство с мексиканским физиологом ввело Винера в мир биологии и медицины; в его уме стала укрепляться мысль о широком синтетическом подходе к проблемам современной науки.

История рождения кибернетики и изобретения термина излагается подробно в книге самого Винера. Окончательный толчок дала II мировая война. Механизированная борьба с применением новейших технических средств поставила перед воюющими сторонами сложнейшие технические проблемы и превратила лаборатории в поля сражений. Проблемы автоматического управления и автоматической связи получили необыкновенную остроту, быстро развивалась вычислительная техника. Винер во время войны работал в этой ответственной области и, сравнивая функции автоматических устройств с функциями живых существ, суммируя свои многолетние научные искания, пришел к проекту новой науки.

Отметим лишь два события: составление Винером в 1942 г. для военных секретного отчета, в котором он приблизился к общей статистической теории информации, и появление в 1943 г. статьи трех авторов с первым наброском кибернетического метода, хотя этого слова там еще не было. После войны отчет был рассекречен и издан в 1949 г. в виде монографии “Интерполяция, экстраполяция и сглаживание стационарных временных рядов” (впоследствии она издавалась под более лаконичным названием “Временные ряды”). Статья А. Розенблюта, Н. Винера и Дж. Бигелоу “Поведение, целенаправленность и телеология” представляет большой интерес для понимания генезиса кибернетики

Знаменитая книга писалась Винером в 1947 г. в Мексике, у Розенблюта, который еще во время войны вернулся на родину. Винер признавал своего мексиканского друга соизобретателем новой науки и посвятил ему первое ее изложение. И вот наступил 1948 год - год славы Винера, год выхода “Кибернетики”. “Появление книги в мгновение ока превратило меня из ученого-труженика, пользующегося определенным авторитетом в своей специальной области, в нечто вроде фигуры общественного значения. Это было приятна, но имело и свои отрицательные стороны, так как отныне я был вынужден поддерживать деловые отношения с самыми разнообразными научными группами и принимать участие в движении, которое быстро приняло такой размах, что я уже не мог с ним справиться”.

В 1948 г. Винеру уже 53 года, но энергия его не иссякает. Он ведет пропаганду и популяризацию кибернетики, продолжает свои исследования, пишет статьи и книги. Особенно его интересует применение кибернетических методов к проблемам физиологии и общей биологии. В 1950 г. он пишет вторую кибернетическую книгу “Человеческое использование человеческих существ”, в 1958 г. Появляются “Нелинейные задачи в теории случайных процессов”, в 1961 г. - второе издание “Кибернетики”, в 1963 г. - третья, весьма своеобразная кибернетическая книга Винера “Акционерное общество Бог и Голем”.

По-прежнему Винер много путешествует, часто наезжает в Европу. В 1953 г. по приглашению индийских властей он совершает поездку в Индию с лекционным турне. В 1960 г. во время I конгресса Международной федерации автоматического управления (IFAC) Винер посещает Советский Союз; он встречается и беседует с советскими учеными, дает интервью журналистам, выступает с лекцией о мозговых волнах в Политехническом музее. В приложении к книге мы приводим его интервью для московского журнала “Природа”. Интересна его беседа в редакции “Вопросов философии”; позже он опубликовал в этом журнале статью “Наука и общество”.