Развитие системных и кибернетических представлений в технике: что это такое и кто основоположник науки

Что такое кибернетика?

Кибернетика — это междисциплинарная наука об общих законах получения, хранения, преобразования и передачи информации в сложных системах управления, будь то машины, живые организмы или общества. Это попытка ученых создать общую математическую теорию управления сложными системами, объединить, казалось бы, несовместимое и найти общность там, где ее не может быть.

Слово «кибернетика» впервые было использовано Платоном в диалоге «Законы» (4 век до н.э.) для обозначения «принципов управления людьми». Термин «кибернетика» ввел в научный оборот французский физик и математик Андре-Мари Ампер, именем которого мы измеряем силу электрического тока. В 1834 году в своей основополагающей работе «Опыт философии науки или аналитическое представление естественной классификации всех человеческих знаний» он определил кибернетику как науку об управлении, которая должна обеспечивать гражданам различные преимущества.

В современном понимании термин «кибернетика» был введен американским математиком Норбертом Винером в его книге «Кибернетика, или« Управление и коммуникация в животных и машинах »», опубликованной MIT Press / Wiley and Sons в 1948 году. Он создал область совершенно новое исследование и совершенно новый взгляд на мир.

Уникальность его идей в том, что он показал, что животных, как и машины, можно отнести к более широкому классу объектов, отличительной чертой которых является наличие систем управления.

Винера называют «отцом кибернетики». Однако большой вклад в развитие науки внесли и другие ученые: английский психиатр Уильям Эшби, американский нейрофизиолог Уоррен Маккалок, английский математик Алан Тьюринг, мексиканский физиолог Артуро Розенблют, советские математики Андрей Колмогоров, Виктор Глушков и другие.

Основные принципы кибернетики

Как и в любой науке, в кибернетике есть свои законы и принципы. Основные из них — принцип «черного ящика» и закон обратной связи.

Принцип «черного ящика» был введен Уильямом Эшби, английским психиатром, специалистом по кибернетике и пионером в изучении сложных систем. Этот принцип позволяет изучать поведение системы, то, как она реагирует на внешние воздействия, и в то же время абстрагироваться от ее внутренней структуры. То есть кибернетика соглашается с когнитивными ограничениями человека и неспособностью понять все состояния системы, которые он может принять в это время.

Закон обратной связи состоит из простого факта: если есть объект управления и субъект управления, то для выработки адекватных управляющих воздействий, обладая информацией о состоянии объекта, субъект может принять адекватное решение о его управлении. То есть, манипулируя входными сигналами, мы можем наблюдать определенный результат выходной системы. В то же время принципы и законы кибернетики в равной степени применимы к управлению автомобилем, крупному бизнесу, поведению толпы или бионическому протезу.

Одним из важнейших достижений кибернетики является развитие и широкое распространение метода математического моделирования. Он позволяет проводить эксперименты не с реальными физическими моделями исследуемых объектов, а с их математическим описанием в виде компьютерных программ.

13.3. Развитие системных и кибернетических представлений о технике

Как известно, система — это целостный объект, состоящий из взаимосвязанных элементов (см. Раздел 3.2). Английский философ и социолог, один из основоположников позитивизма Герберт Спенсер (1820–1903) использовал функциональные аналогии между процессами в организме и в обществе. Считая «общество организмом», он исходил из органической взаимосвязи частей и относительной независимости целого и частей как в организме, так и в обществе. В результате своей последовательной аналогии он заключает, что прогресс в структурной дифференциации в обоих случаях сопровождается прогрессирующей дифференциацией функций. Идеи Спенсера получили развитие в структурализме (А. Р. Рэдклифф-Браун, К. Леви-Стросс, М. Фуко, Ж. Лакан и др.) И функционализме (Э. Дюркгейм, Б. К. Малиновский, Р. Мертон).

Если структурализм анализирует структуру как инвариантную характеристику отношений с системой (функциональность элементов выступает только как исходная предпосылка), то функциональность основана на рассмотрении части структуры, исходя из ее функционального значения. Возникновение общей теории систем (термин, введенный Л фон Берталанфи в 1933 г.) приводит к созданию методологических предпосылок для формирования новой системы понятий («система», «целое», «целостность», «элемент», » структура »,« функция »,« функционирование »,« окончательное поведение »,« цель системы »,« обратная связь »,« интегральный эффект »,« равновесие »,« приспособляемость »), для которых главное различие не более» часть — все », но« система — мир ». Принятие нового разграничения в теории систем приводит к тому, что проблемы открытых систем, в частности их внешняя дифференциация и сохранение границ, становятся главными. В рамках общей теории систем возникает новая область науки: кибернетика, предназначенная для изучения поведения открытых систем с обратной связью. Основные принципы общей теории систем и кибернетические идеи нашли максимальное выражение в структуре функционализма американского социолога Талкотта Парсонса (1902–1979).

Согласно Парсонсу, система — это универсальный способ организации общественной жизни. Любая социальная система имеет физическую основу, в роли которой действуют индивиды. Они выполняют определенные функции, в процессе взаимодействия они организуются и объединяются в коллективы, а последние, в свою очередь, управляются в соответствии с все более высокими уровнями обобщенных и институционализированных норм. На вершине системы находится общество как единая система, организованная в виде единого политического коллектива и институционализированная на основе единой или более или менее интегрированной системы ценностей. Включая в систему стандартизованные нормы и ценности, а также действия отдельных лиц в форме предписанных ролей, исследователь может рассматривать отдельные действия в соответствии с характеристиками системы. Структуры появляются как продукт социальных взаимодействий и реализуются в деятельности индивидов как ролевых субъектов.

Структурный функционализм подчеркивает интеграцию индивидов в социальную систему и подчинение их функциональной целостности для поддержания их баланса и устойчивого самосохранения. Поэтому анализ социальной системы в основном связан с выявлением основных функциональных требований, которые придают набору элементов свойство целостности. Парсонс исходил из четырех функциональных условий: адаптация, целенаправленность, интеграция и поддержание модели. Соблюдение этих условий — гарантия стабильности системы.

С развитием кибернетики второго порядка автопоэзис, то есть способность системы воспроизводиться, был предложен в качестве ключевой особенности системы. Автопоэзис подчеркивает автономность живых систем в их отношениях с окружающей средой. Такие системы характеризуются способностью постоянно обновляться. Поскольку они выполняют только те функции, которые требуются структурой самой системы, их обычно называют самодостаточными. Основное отличие аутопоэтических систем самореференции — различие в идентичности. В частности, немецкий социолог и философ Никлас Луман (1927-1998) на основе биологической теории самореферентности В. Матурана и Ф. Варела и математической теории информации разработал теорию самореферентных систем.

Согласно Луману, социальные системы, в отличие от физико-химических и биологических, построены на основе смысла. И последнее предназначено как проработка различий. Социальные системы состоят из коммуникаций и конституируются их значением; Следовательно, концепция коммуникации должна быть положена в основу производства и самовоспроизводства общества. Общество, понимаемое как социальная коммуникация, как поток самовоспроизводящихся сообщений, отражает особенности социальной системы, которая, кажется, самовоспроизводится и наблюдает за собой. Необратимые процессы — источник порядка. В условиях сильного дисбаланса может происходить переход от беспорядка, от хаоса к порядку. Могут возникнуть новые динамические состояния материи, отражающие взаимодействие данной системы с окружающей средой. Илья Пригожин назвал эти новые диссипативные структуры, поскольку их устойчивость основана на диссипации энергии и вещества.

Теории динамики и неравновесной синергии устанавливают новую парадигму эволюции системы, преодолевая термодинамический принцип постепенного скольжения к энтропии. С точки зрения этой новой парадигмы порядок, равновесие и стабильность системы достигаются постоянными динамическими процессами неравновесия. Кибероптимизм основан на ряде предположений:

• онтологический — разумное поведение может быть представлено в виде набора четко определенных независимых элементов;
• эпистемологические: люди действуют по эвристическим правилам, неосознанно выполняя определенную последовательность операций, которые могут быть формализованы и воспроизведены на компьютере;
• психотехнические — проявления духа и души являются эпифеноменами опыта семантических информационных процессов, которые полностью закодированы и воспроизводимы;
• биологически-эволюционный: человеческий мозг — это управляющее устройство, большой компьютер для обработки информации.

Благодаря длительной эволюции мозг получил ряд преимуществ, таких как непрерывность, ассоциативность, системность мышления, но они также могут быть реализованы технически.

Критический философский и внутринаучный анализ вышеуказанных установок в 1980-х и 1990-х годах привел к значительному снижению оптимистических ожиданий. Так, в одной из теорем Дж. Фон Неймана (1903–1957) утверждается, что существует порог сложности, выше которого любая модель системы управления, очевидно, сложнее моделируемой системы. В результате построение такой модели теряет смысл. Существуют также внешние по отношению к науке аргументы, направленные на критику вышеупомянутых допущений кибернетического оптимизма в отношении человеческого мышления и деятельности (аспекты психологии, этики, идеологии и политологии). В середине двадцатого века основоположники кибернетики подняли вопрос об автономности кибернетических технологий, о возможности нарушения автономии человеческой воли, об определении человеческой жизни с помощью искусственного интеллекта. В то же время американский социолог, лауреат Нобелевской премии Герберт Саймон (р. 1916) в своей работе «Наука об искусственном» (1969) показал пределы кибернетической рациональности. Он показал, что философские вопросы кибернетики — лишь частный случай философии техники.

Из истории развития технологий мы знаем, что они прошли три стадии: от имитации естественных форм через конструирование органов человеческого тела до овладения информационными процессами и кибернетического построения образов мышления и психика. В будущем кибернетика может принадлежать, как пишет Ф. Дессауэр, к решению более фундаментальных проблем, которые продвигают мир к информационному обществу.

Сферы кибернетики

Хотя считается, что как наука кибернетика сегодня предана забвению, она сумела дать начало многим направлениям:

• искусственный интеллект;
• медицинская кибернетика;
• биологическая кибернетика;
• инженерная кибернетика;
• спортивная кибернетика;
• экономическая кибернетика;
• социальная кибернетика;
• правовая кибернетика и другие.

Искусственный интеллект

В качестве отдельной области исследований искусственный интеллект (ИИ) возник в середине 20-го века в попытке понять организацию мозга с помощью математических методов.

Искусственный интеллект определяется как научное направление, в рамках которого ставятся и решаются задачи аппаратного или программного моделирования интеллектуальных видов деятельности человека. Кроме того, под искусственным интеллектом понимается свойство интеллектуальных систем выполнять творческие функции, которые традиционно считаются прерогативой человека.

Решения искусственного интеллекта теперь внедряются во всех сферах нашей жизни: медицина, образование, политика, сельское хозяйство, банковское дело, безопасность и другие.

Еще одна область, тесно связанная с ИИ, — это робототехника.

Экономика инноваций Будущее роботов: 11 тенденций в робототехнике в ближайшие годы

Медицинская кибернетика

Медицинская кибернетика — междисциплинарное научное направление, связанное с использованием идей, методов и технических средств кибернетики в медицине и здравоохранении. Медицина стала одной из тех областей, где наряду с робототехникой и компьютерными технологиями получила распространение кибернетика.

Кибернетические врачи тесно сотрудничают с врачами (терапевтами, хирургами, реаниматологами, неврологами, реабилитологами и т.д.), Физиологами, биохимиками, математиками, инженерами и другими специалистами.

В России как специальность высшего медицинского образования она появилась в 1974 году.

Чем занимается медицинская кибернетика:

• Развитие медицинских информационных технологий: единая государственная система здравоохранения, медицинские карты и электронные рецепты врача, телемедицина.
• Развитие искусственного интеллекта в медицине позволяет проводить диагностику с использованием компьютерных технологий, прогнозировать состояние пациентов и автоматически расшифровывать специализированные медицинские изображения и изображения.
• Внедрение компьютерных комплексов — томографов, ангиографов, систем визуализации и радиоизотопных систем, систем лазерной микрохирургии и др. а также создание портативных, удобных и индивидуальных устройств, которые объективно оценивают работу пациента и передают ее в реальном времени в аналитические центры.
• Исследования в области биологии и медицины — клиническая биоинформатика, 3D-моделирование лекарств, исследования лекарственного взаимодействия на молекулярном уровне.
• Математическое моделирование физиологических процессов, эпидемий и др.

Кибернетическая биология

Кибербиология изучает кибернетические системы в биологических организмах, уделяя особое внимание тому, как животные адаптируются к окружающей среде и как информация в виде генов передается от поколения к поколению.

Бионический глаз Индустрии 4.0 и 3D-кости: медицина будущего уже доступна

Основные направления кибербиологии:

• Биоинженерия — это сложная дисциплина, в которой используются междисциплинарные разработки в области инженерии, биологии и медицины для лечения болезней, укрепления здоровья и продления жизни.
• Бионика или биомимикрия — это научный подход к созданию технологических устройств, в котором идея и ее основные элементы заимствованы из живой природы и используются для решения проблем, с которыми сталкивается человек. Простейшим примером биомимикрии является текстильная застежка-липучка, прототипом которой является плод лопуха.
• Синтетическая биология — это новая отрасль науки, которая объединяет инженеров, физиков, молекулярных биологов и химиков, чтобы использовать инженерные принципы для объединения биомолекулярных компонентов: генов, белков и других компонентов в новые структуры и сети.
• Биомеханика в основном изучает механические свойства опорно-двигательного аппарата. Фундаментальные исследования в этой области послужили основой для разработки, например, искусственных суставов.
• Кибернетические организмы — это биологические организмы, содержащие механические или электронные компоненты.

Инженерная кибернетика

Кибернетическая инженерия — это междисциплинарное исследование и автоматическое управление динамическими техническими системами, такими как роботы, самолеты, корабли, автомобильные системы и технологические установки.

Одно из направлений — разработка и создание автоматических устройств: технологических, измерительных (различные датчики, регистраторы, измерительные комплексы) и информационных.

Спортивная кибернетика

Спортивная кибернетика — это научный подход к мониторингу физиологии игроков, оценке их психологического состояния, а также к изучению и разработке стратегии и тактики командных спортивных игр.

Один из первых математических методов и принципов кибернетики в спорте применил кандидат биологических наук, доцент Валентин Петровский, преподаватель кафедры легкой атлетики Киевского института физической культуры и тренер-новатор. В 1960 году Петровский рассчитал математическую модель тренировки спортсмена Валерия Борзова, который стал чемпионом мира по легкой атлетике.

В 1975 году киевское «Динамо» выиграло Суперкубок Европы со счетом 3: 0 у мюнхенской «Баварии». Это произошло благодаря работе тренера Валерия Лобановского, статистов Анатолия Зеленцова и футболиста и тренера Олега Базилевича. Они создали первый в мире постоянно действующий научный центр под руководством «Динамо» в Киеве. Здесь разработаны уникальные программы и методики для моделирования учебно-тренировочного процесса, контроля и анализа соревновательной деятельности, моделирования стратегии и тактики игр. Сегодня сложно представить работу профессиональных спортсменов различных направлений спорта без компьютерных технологий и математических методов анализа.
В 2017 году в России была создана Ассоциация информатики в спорте, объединяющая ученых, в том числе математиков, физиологов, психологов, биомехаников, а также IT-специалистов, тренеров и спортивных врачей.

Экономическая кибернетика

Экономическая кибернетика — это область науки, изучающая движение информации в экономике и ее влияние на экономические процессы с учетом обратной связи. Он возник на стыке математики, кибернетики и экономики и включает математическое программирование, исследование операций, экономические и математические модели, эконометрику и математическую экономику.

Экономическая кибернетика возникла как самостоятельное научное направление в конце 1950-х годов. Основоположником экономической кибернетики считается британский теоретик и практик в области исследования операций Стаффорд Бир. С тех пор он разделился на множество независимых областей: система искусственного интеллекта для поддержки бизнес-решений, теория разработки экономических механизмов (тендеры, аукционы и т.д.) и организаций, исследования информационного рынка и управление знаниями.

• Киберсин

Cybersyn — проект централизованного компьютерного управления плановой экономикой в ​​Чили в 1970-1973 годах под руководством кибернетика Стаффорда Бира.

Бир использовал работоспособную системную модель, основанную на принципах нервной системы человека, для анализа чилийской экономики. Он критиковал иерархическое принятие решений, когда управление осуществляется управленческим способом с накоплением статических данных. Вместо этого он предложил свернуть процесс принятия решений, вставив специальный аппарат управления между правительством и промышленностью. Этот аппарат должен собирать и передавать информацию от сотрудников руководству, контролировать и гарантировать выполнение заказов, поддерживать саморегулирование всей системы путем распределения ресурсов, выделенных в соответствии с потребностями. Гибкость процесса управления обеспечивает постоянную обратную связь. И общение, адаптация и действие стали ключевыми элементами.
В 1973 году военные во главе с генералом Аугусто Пиночетом организовали переворот в Чили. Отказавшись от идей плановой системы свергнутого президента-социалиста Сальвадора Альенде, они закрыли проект Cybersyn.

• ОГАС

Национальная автоматизированная система сбора и обработки информации для учета, планирования и управления народным хозяйством СССР — одна из первых в мире глобальных сетей для управления экономикой государства. Он был создан и разработан под руководством академика и кибернетика Виктора Глушкова в 60-80-е годы.

Целью OGAS был перевод всего документооборота страны в электронный и безбумажный вид, возможность управлять экономикой даже в режиме реального времени, оптимизировать технологические, экономические и организационные процессы, реорганизовать управление и создать отраслевую информационную систему. Первоначальный проект даже предусматривал отмену бумажных денег и их замену электронными платежами.

Частично проект был реализован в 1968 году как система автоматических плановых расчетов (АСП), просуществовавшая до 1994 года. По некоторым данным, при переходе на новые компьютеры комплекс программ АСПР и база данных, хранящаяся на компьютере ЭС, просто у них не было перенесено в новые СМИ.

Социальная кибернетика

Социальная кибернетика — это раздел социологии, основанный на общей теории систем и кибернетике. Его задача — изучить закономерности самоорганизованной социальной системы и создать оптимальную модель управления социальными процессами.

В реальном мире социальная кибернетика применима для лучшего понимания поведения толпы, в том числе во время беспорядков, а также причин их формирования и способов их предотвращения.

В 2006 году Международная социологическая ассоциация утвердила премию Уолтера Бакли за выдающиеся достижения в области социокибернетики.

Правовая кибернетика

Правовая кибернетика — научные исследования в области закономерностей оптимального функционирования государственно-правовых систем. Решает задачи автоматизации юридической деятельности и отдельных ее видов. Сегодня юридическая кибернетика активно используется для понимания различных законов и постановлений и того, как они могут применяться или не применяться в отдельных случаях.

13.2. Социально-философские особенности теоретических исследований в научно-технических дисциплинах

Система «наука — технология» включает в себя весь набор фундаментальных научных дисциплин, знания о непосредственном применении их результатов, набор технических наук и, наконец, непосредственно саму технологию. Изначально технические дисциплины включают, например, электротехнику, математику, теорию механизмов и машин и так далее. Технический аспект также присутствует в тех науках, которые ранее не имели технического применения, в частности в биологических науках: в работах по генной инженерии, по реорганизации клетки живого организма и во многих других исследованиях, в развитие биотехнологии. Значительно выросла техническая оснащенность геологических наук. Если раньше они были в основном направлены на изучение земной поверхности и их практическое применение ограничивалось поиском полезных ископаемых, то сегодня все геологические науки тесно связаны с проблемами изменения природы под влиянием человеческой деятельности. Такие отрасли геологии, как геохимия, геофизика и другие, напрямую используются в активном преобразовании природы и в разработке способов преодоления негативных последствий антропогенного воздействия на природу.

Х. Ортега-и-Гассет, в частности, отмечал связь между технологией и творческой преобразующей природой человека: «Технические действия никоим образом не подразумевают цель прямого удовлетворения потребностей, которые природа или обстоятельства заставляют человека испытывать. Напротив, целью технических действий является преобразование обстоятельств, которые по возможности приводят к значительному снижению роли случая, к устранению потребностей и усилий, связанных с их удовлетворением. 34 Человек с помощью технологий приспосабливает к себе природу.

Наука в самой глубокой своей сути является средством мирового господства. Вы сражаетесь за правду. А истина, как писал Аристотель, есть «соответствие нашего знания о вещах самим вещам». Познание истины — не самоцель! Это становится шагом к созданию технических устройств. Чтобы стать правителем природы, вы должны это знать. Природу побеждают, если ей подчиняются.

Следует отметить, что временной интервал между моментом теоретического открытия и созданием на его основе новых технических устройств имеет постоянную тенденцию к сокращению. Например, английский физик, исследователь атома Эрнест Резерфорд (1871-1937) считал, что его исследования носят чисто познавательный характер и от них не следует ожидать практических результатов. В 1933 году он сказал: «Всякий, кто рассчитывает получить энергию от преобразования атомов, говорит чепуху». Но спустя десяток лет производство атомной энергии переведено на практический уровень! Первооткрыватель, как видите, может не осознавать последствий своего открытия. Сокращение времени от изобретения до его реализации актуализирует проблему социальной ответственности ученого.

В теоретических исследованиях философии технологий существует значительный интерес к выявлению различий между наукой и техникой. Отмечается, что не все отрасли техники близки науке, хотя наличие взаимосвязи очевидно. В частности, обсуждается определение философского и научного статуса биологии как модели технологии.

Не прекращаются дискуссии о социальной ответственности науки. В этой связи принципиальный подход Альберта Эйнштейна к социальным проблемам остается актуальным. В 1930-х годах он писал своему другу физику Максу фон Лауэ: «Я не разделяю вашего мнения о том, что ученый в политике, то есть человек в широком смысле слова, должен хранить молчание. Именно в условиях Германии мы видим, к чему ведет этот самоконтроль. Разве это не отсутствие чувства ответственности? Где бы мы были сейчас, если бы такие люди, как Джордано Бруно, Спиноза, Вольтер, Гумбольдт, думали и действовали таким образом? «Развитие науки неоднократно порождало и будет порождать этические проблемы ответственности. Технологическая мощь человека, возрастающая бесконечно, может привести к такому риску, что потребует новых этических взглядов на проблему взаимодействия человека и природы. Например, немецкий философ технологий Ганс Ленк, учитывая такое развитие ситуации, предлагает перейти к концепции превентивного ответственность с ориентацией на самоответственность как умение контролировать ситуацию.