3.     Кібернетика

Кібернетика (від грецьк. мистецтво управляти) — наука про за­гальні закони отримання, збереження, передачі і розповсюдження ін­формації у складних управляючих системах. При цьому під управляю­чими системами розуміється не лише технічні, а й біологічні і соціальні системи. Прикладами складних управляючих систем є нервові системи живих організмів, в особливості організм людини, а також апарат управ­ління у суспільстві.

Термін «кібернетика» уперше (після давніх греків) вжив у 1834 році французький вчений А.-М. Ампер (1775 — 1836) у запропонованій ним класифікації наук для означення не існуючої на той час науки про управління людським суспільством. Після Ампера даний термін було забуто і відроджено американським вченим Н. Вінером (1894 — 1964) у назві своєї книги, опублікованої у 1948 році. Цю дату прийнято вважати датою народження Кібернетики як самостійної науки.

Норберт Вінер визначив кібернетику як науку про управління і зв’язки у тварині і машині. Людське суспільство випало у цьому визна­чені. Почуваючи цей недолік, Н. Вінер опублікував у 1954 році нову книгу «Кібернетика і суспільство». Для цих книг Вінера є характерним оповідний підхід, автор описує власні думки і ураження у зв’язку з де­якими дослідженнями, які виконувалися ним і його колегами в області теорії випадкових процесів і фізіології нервової системи. По суті, вона не містить послідовного викладу методів нової науки і її результатів. Більш систематично суть кібернетики у 1956 р. виклав англійський вчений У.-Р. Ешбі.

У цілому для розвитку кібернетики в США і Західній Європі, осо­бливо на перший порах, було характерним захоплення її філософськи­ми аспектами. Разом з тим, розгортання використання цифрових об­числювальних машин у 50-их pp. XX століття і автоматизованих систем управління потребувало створення наукових основ проектування таких машин і систем. Оскільки книжки та статті, що з'явилися на той час з кібернетики, не давали відповіді на животрепетні запитання, порушені практикою, більшість спеціалістів за кордоном із великим скепсисом стали ставитися до самої науки кібернетики. Стосовно нових наукових методів і результатів, що виникли у зв’язку із задачами проектуван­ня ЦОМ і АСУ, то їх об’єднали до нової науки, котра отримала назву в США та Англії «computer science» (комп’ютерна наука), у Франції

«іпґогтаїлс» (інформатика). Сам же термін «кібернетика» стали ужива­ти у більш вузькому розумінні, розуміючи під ним здебільшого аналогії, які існують між машинами і живими організмами, а також філософські питання, що виникають у зв’язку із соціальними наслідками автомати­зації. Лише у кінці 60-их рр. стала помітною тенденція до зближення між «кібернетиками» і «цифровиками».

Зміст функціонування довільної системи управління полягає у здійсненні такого кругообігу інформації і з таким ритмом, який є необ­хідним для нормальної дії об’єкта:

- управляючий вплив видається на об’єкт управління по каналу прямого зв’язку;

- результати цього впливу сприймаються спеціальною системою датчиків і передаються до управляючої системи по каналу зво­ротного зв’язку;

- передані дані разом із раніше накопиченою інформацією пере­творюються управляючою системою у нові управляючі впливи, після чого процес обміну інформацією продовжується.

Інформація про процеси в системах управління може бути представ­лена у двох видах: безперервної і дискретної.

Безперервна інформація про необхідні параметри процесу при пе­редачі зазвичай представляється у вигляді тієї чи іншої величини, котра є безперервною функцією часу. При збереженні безперервна інформа­ція представляється у вигляді графіків або у вигляді фізичної величини (величини намагніченості або ступеня прозорості), яка змінюється без­перервно на будь-якій ділянці простору (лінії, площі або об’єму).

Дискретна інформація представляється у вигляді послідовності окремих сигналів, відділених один від одного кінцевими часовими або просторовими проміжками. При цьому кількість різних станів сигналів є кінцевим. Що ж стосується фізичного виду сигналів, то для цієї мети можливо використати будь-які фізичні величини. Зважаючи на кінце- вість множини видів дискретних сигналів, їх зазвичай ототожнюють із літерами тієї чи іншої абстрактної абетки або цифрами тієї чи іншої сис­теми обчислення. Відтак, почасти дискретна інформація ототожнюється із абетково-цифровою інформацією.

У реальних системах управління завжди є можливість наближено звести безперервну інформацію до дискретної, оскільки усі реальні при­строї для сприйняття, передачі і відтворення безперервної інформації завжди мають ряд обмежень.

По-перше, це обмежена чутливість, яка не дозволяє різнити зна­чення величини, що достатньо мало відрізняється одне від одного, і використовується для надання інформації. Внаслідок цього кожний конкретний пристрій фактично має справу лише з кінцевою множи­ною рівнів сигналу.

По-друге, мають місце обмеження перепускної і дозволяючої здат­ності пристроїв. Ці обмеження не дозволяють різнити достатньо близькі один до одного моменти часу або точки простору, і це, у кінцевому ра­хунку, призводить до того, що безперервна інформація, що проходить через пристрій або запам’ятовується у ньому, фактично розпадається на кінцеву послідовність сигналів. Через це великий вплив на розви­ток кібернетики чинило і продовжує чинити створення універсальних перетворювачів дискретної інформації — електронних обчислювальних машин (у сучасному розумінні — комп’ютерів).

Теорія автоматичного управління — безпосередня попередниця Кі­бернетики, мала справу з відносно простими об’єктами і управляючими системами, що описувалися системами диференціальних і різницевих рівнянь. Обмежені алгоритмічні можливості, що мали місце у механіці регулювання до появи ЦОМ, дозволяли здійснювати лише найпростіші види перетворення інформації. Накопичення інформації в управляючих системах і використання попереднього досвіду у цей період не здійсню­валось. Можливість накопичення інформації (функція пам’яті) і здій­снення складних її перетворень різноманітної природи була у набли­жено повному обсязі реалізована лише з появою ЦОМ. Це дозволило поставити і успішно вирішувати задачу автоматизації не лише фізичної, але й розумової діяльності людини, що становить основне практичне за­вдання кібернетики.

Центр тяжіння досліджень змістився від простих систем управлін­ня до складних, заснованих, як правило, на використанні в якості осно­вної управляючої ланки ЦОМ. Широке використання ЦОМ у системах управління дуже підвищило роль дискретної форми уявлення інформа­ції і викликало відповідні удосконалення теоретичної бази кібернетики.

Для розуміння сутності предмета кібернетики, доцільно розглянути і теоретичну основу теоретичну кібернетику.

Завдання теоретичної кібернетики — створення наукового апарату і методів досліджень, придатних для вивчення широких класів систем управління, незалежно від їх конкретної природи. Теоретична кіберне­тика включила в себе ряд наукових течій, що розвивалися раніше у та­

ких розділах математики, як математична логіка, теорія ймовірностей, обчислювальна математика тощо. До їх числа належить теорія інфор­мації, яка має справу із кількісною мірою інформації, теорія кодування, що вивчає способи репрезентації дискретної інформації у вигляді по­слідовностей літер абстрактних абеток, і теорія алгоритмів, яка вивчає питання перетворення таких послідовностей.

Низка математичних розділів кібернетики виникли і стали розвива­тися в межах самої кібернетики. Це, зокрема, стосується загальної теорії автоматів, предметом якої є вивчення вільних перетворювачів дискрет­ної інформації, і в значній мірі до її частини, що склалася значно рані­ше — теорії логічних мереж.

До теорії автоматів примикають теорії формальних мов і граматик, що складають основу загальної теорії знакових систем. Усі перераховані напрями кібернетики мають справу із дискретною інформацією і її пере­твореннями, які становлять собою основу при формування теорії будь- яких систем управління.

Практично можливо зводити довільну інформацію до дискретної, але принципове значення для кібернетики має факт існування універ­сальних перетворювачів дискретної інформації, встановлений ще до виникнення кібернетики в межах математичної логіки. Універсальний перетворювач дискретної інформації характеризується тим, що, отри­мавши і запам’ятавши опис будь-якого конструктивного перетворювача (тобто перетворювача дискретної інформації, який описується будь- якою кінцевою множиною правил), він може виконувати (з точністю до зміни кодування) роботу перетворювача. Універсальні перетворювачі інформації реалізують так звані повні системи елементарних перетво­рень і способів їх композиції, з яких, як з атомів, можуть бути складені довільні конструктивні перетворення інформації — алгоритми. До чис­ла таких універсальних перетворювачів дискретної інформації належать і сучасні комп’ютери.

Математичною основою теорії систем управління, що мають справу із безперервною інформацією, є передусім теорія звичайних диференці­альних рівнянь, яка переростає у загальну теорію динамічних систем.

Безперервні і дискретні форми уявлення інформації вивчаються у та­ких розділах математичного апарату кібернетики, як теорія випадкових процесів, теорія ігор, теорія статистичних рішень, методах розв’язання екстремальних задач. Послуговуючись даним апаратом отримали роз­виток більш специфічні для теоретичної кібернетики наукові напрями, як теорія розпізнавання образів, теорія систем управління, що самонав­чаються і самоорганізуються. Поряд з теоріями алгоритмів, автоматів і формальних мов, вони відкривають нові можливості для розв’язання одного із важливих завдань кібернетики — розкриття закономірностей накопичення і перетворення інформації у мозку людини. Відтак, кібер­нетика широко використовує математику, але не зводить виключно до неї. Вона, як і усі інші природні і технічні науки, широко використовує експеримент як метод дослідження об’єкта.

Відмінною особливістю кібернетики є те, що вона увела принципово новий метод вивчення об’єктів і явищ — математичний експеримент, або комп ’ютерне моделювання.

Зміст даного методу полягає у наступному: дуже багато об’єктів і явищ описують настільки складними системами співвідношень, що пря­ме застосування традиційних математичних методів практично унемож­ливлюється. Наприклад, якщо об’єкт описується системою з багатьох сотень нелінійних диференційних рівнянь, з багатьма десятками пара­метрів, то, як правило, аналітичне розв’язання тиках систем є неможли­вим. За даного випадку застосовують математичний експеримент. Опис відповідної системи рівнянь будь-якого методу її числового вирішення поміщають у комп’ютер. Завдячуючи високим можливостям сучасних технологій, за короткий проміжок часу вдається отримати велику кіль­кість варіантів рішень системи за різних значень параметрів, що дозво­ляє автоматично будувати таблиці залежностей від параметрів тих чи інших, що нас цікавлять, властивостей рішень.

Математичний експеримент дозволяє здійснювати дослідження об’єкта за його описом, не будуючи і досліджуючи реальну фізичну мо­дель цього об’єкта. Ефективність даного підходу визначається точністю комп’ютерного моделювання, яке може бути оцінено на основі теорії об­числення погрішностей.

Важливим є те, що математичний експеримент можливо застосовува­ти до таких об’єктів, які не володіють точним математичним описом у тра­диційній формі. Його успішно можна застосовувати і до таких об’єктів, які мають якісні характеристики опису, наприклад, до соціальних систем.

Наявність методу комп’ютерного моделювання ставить теоретичну кібернетику поряд з математикою в особливе становище щодо інших наук. Володіючи специфічним предметом дослідження (управляючі системи), кібернетика разом з цим продукує новий метод дослідження (математичний експеримент), який знаходить своє застосування в ін­ших науках, незалежно від специфіки об’єктів і явищ, що ними вивча­ються. Більше того, математичний експеримент охоплює значно більшу, ніж класичні дедуктивні математичні методи, галузь можливих засто­сувань, включаючи до їх числа практично усі науки — як технічні і при­роді, так і соціальні. Саме це послугувало становленню теорії складних систем управління в якості одного з основних розділів кібернетики.

Однією з важливих принципових відмінностей складних систем від простих є те, що закони функціонування складних систем не може опи­сати та вивчити одна людина, для цього потрібні колективи дослідників. Так, закони функціонування різних регуляторних і управляючих систем управління внутрішніми справами вивчають дослідники різних спеці­альностей. Зібрати з цих розрізнених знань комплексну картину функ­ціонування системи внутрішньої безпеки дозволяє комп’ютерне моде­лювання. При цьому в одному місці (комп’ютері) не просто збираються окремі факти. Виникає нова якість: комп’ютер стає здатним відповідати на різні запитання про поведінку усієї складної системи (у даному ви­падку, наприклад, системи внутрішньої безпеки) у цілому.

Методи комплексного дослідження складних систем управління складають основу загальної теорії систем і дослідження операцій. Окрім теоретичного ядра, яке становить апарат для вивчення довільних сис­тем управління, у кібернетиці оформились напрями більш прикладно­го характеру, що мають справу з тими або іншими конкретними вида­ми систем управління в галузі додатків. На одному з перших місць тут перебуває електронна обчислювальна техніка, котра є технічною базою кібернетики.

Розвиток кібернетики демонструє надійність кібернетичних систем, яка спирається не лише на безперервно ростучу надійність їх елементів, але й на приховану кібернетикою можливість будови наскільки завгод­но надійних систем з ненадійних елементів.

Зважаючи на недолік інформації про соціальні системи, а також по­декуди практичну неможливість проведення натурних експериментів у сфері правопорядку, створюють евристичні моделі, в яких відтворю­ються гіпотези про структуру і функції системи з використанням наяв­ної інформації і заповненням її прогалин за рахунок припущень. Еврис­тичні моделі корисні для перевірки гіпотез, планування експериментів і управління системою.

За характером блок-схем моделі можна умовно поділити на феноме­нологічні і структурні.

Феноменологічні (функціональні) моделі відображають часові і причинно-наслідкові відношення між дискретними явищами, що харак­теризують функцію системи без урахування її структури. Можливими є моделі різної складності: моделі, що відображають залежності дискрет­них входів і виходів цілої системи, що розглядається як чорний ящик, і ієрархічні моделі, в яких представлені не лише загальні для системи вхо­ди і виходи, але й дискретні функції внутрішніх підсистем, які при інте­грації визначають цілісну поведінку. Деталізація функцій, виділення де­кількох рівнів, розчленування енергетичних та інформаційних потоків, прив’язка до внутрішніх структурних елементів, уведення імовірнісних оцінок і зворотних зв’язків хоча і певним чином ускладнює моделі дано­го типу, втім наближає до розкриття сутності системи.

Структурні моделі — будуються на базі внутрішньої структури системи і відображають один або декілька ієрархічних рівнів (елементи, підсистеми, зв’язки). До структури прив’язуються безперервні і дискрет­ні змінні часткових функцій, з яких розраховуються сумарні функції системи як цілого. Модель становить собою пласку або просторову ме­режу, що відображає робочі і управляючі елементи системи. Структурні моделі краще придатні для вираження сутності систем, однак складність розрахунків не дозволяє починати моделювання із низьких структурних рівнів і змушує обмежуватися відображенням окремих підсистем і при­ватних функцій.

Алгоритм застосування кібернетичного підходу полягає у на­ступному.

Визначення мети управління. Вона виражається моделями почат­кового, проміжного і кінцевого стану системи. Мету встановлює люди­на, а кількісні динамічні моделі одного з типів записуються до пам’яті комп’ютера або виражаються аналоговою моделлю. Ці моделі дозволя­ють прогнозувати природні зміни системи за різних початкових умов.

Перерахування засобів управління з програмами їх впливу на еле­менти системи. Наприклад, перелік засобів фізичного впливу на поруш­ника правопорядку із зазначенням механізму дії у вигляді зміни пове­дінки на правомірну.

Складання алгоритму управління. Розрахунок за моделюю змі­ни системи у часі за різних управляючих впливів і вибір оптимальної стратегії і тактик управління для досягнення мети. Прийняття рішення і уточнення програми управління. Наприклад, вибір методів впливу при масових заворушеннях за критеріями ефективності залежно від почат­кового стану заворушень, загальної оперативної обстановки у місті події і програма послідовності застосування засобів.

Контроль виконання програми управління. Він передбачає систему зворотних зв’язків, оцінку стану системи на проміжних стадіях і корек­цію управляючих впливів залежно від ефекту управління. Це є ключо­вим моментом, оскільки можливі лише імовірнісні моделі, що не дозво­ляють однозначно передбачити її реакції на управління.