Cibernetica ca disciplină științifică. Bazele tehnologiilor cibernetice: cine a fost fondatorul ciberneticii Cine a inventat termenul cibernetică

Generația modernă a fost martoră la crearea celor mai recente evoluții în domeniul științei și tehnologiei. În doar trei sute de ani, știința a avansat foarte mult.
Există multe definiții ale conceptului cibernetică. Și toți au dreptate în felul lor. Deci, ce este cibernetica? În general, se crede că cibernetica este o știință care reprezintă legile interacțiunii mașinilor cu organismele vii. Dar conceptul de bază al ciberneticii se rezumă la scopul controlului. La urma urmei, managementul este întotdeauna un proces cu scop, pentru care există un sistem creat.

Întrucât procesul de management este posibil doar într-un mediu organizat, este necesar să se creeze condiții adecvate pentru aceasta și să se desemneze organe de executare. Între ei va avea loc schimbul de informații. Semnalele informative sunt transmise prin senzori speciali. Astfel, schimbul de informații este un proces constant. Conceptul de informație este unul dintre punctele principale în cibernetică. Ea studiază procesele de management. De aici rezultă că știința ciberneticii este folosită pentru a transmite, procesa și chiar stoca informații de bază atât în mașini, cât și în organismele vii.

Cibernetician medical

Domeniul ciberneticii include studiul structurii de bază și al principiilor de funcționare ale sistemelor de control, capacitatea de a percepe și procesa informațiile necesare. Metodologia ciberneticii se bazează pe utilizarea aparatelor matematice pentru construirea modelelor matematice ale structurilor.

Inca exista cibernetică medicală, dar acest lucru poate fi văzut ca un aspect separat al domeniului. Scopul principal al ciberneticii medicale este de a folosi progresele din domeniul medical pentru a crea noi tehnologii pentru metode eficiente de tratare a pacienților. Aceste realizări sunt aplicate pe deplin astăzi. Și mulți oameni știu de cazuri când un organ bolnav a fost înlocuit cu un dispozitiv. Introducerea diagnosticului de mașini în practica medicală permite nu numai efectuarea unui diagnostic corect, ci și selectarea cursului individual optim de tratament pentru pacienți. În prezent este în curs de dezvoltare un sistem pentru automatizarea completă a managementului instituțiilor medicale.

Cibernetica este știința controlului, comunicării și procesării informațiilor.

Anul nașterii ciberneticii moderne este considerat a fi 1948, când matematicianul american N. Wiener a publicat lucrarea „Cybernetics, or control and communication in living organisms and machines”. Cibernetica studiază proprietățile generale ale diferitelor sisteme de control, indiferent de baza lor materială. Aceste proprietăți apar în natura vie, tehnologie și în grupuri de oameni.

4.1. CIBERNETICA ŞI ALTE ŞTIINŢE

Cititorul cunoaște în termeni generali subiectul multor științe naturale, sociale și tehnice, precum fizică, matematică, chimie, biologie, biofizică, istorie, inginerie electrică etc. Printre aceste științe, matematica ocupă o poziție specială - o știință în care sunt studiate formele spațiale și relațiile cantitative ale lumii reale. Unicitatea acestei științe este că este un instrument de cunoaștere în orice ramură a cunoașterii umane. Toate științele, așa cum sa menționat deja, se dezvoltă folosind legile matematice într-o măsură sau alta. Același lucru se poate spune despre cibernetică.

Wiener a văzut probleme și caracteristici comune în multe științe diferite. Managementul se realizează în societate, în multe sisteme tehnice, într-un organism viu. Informația este procesată de oameni, computere, în sistemele biologice, este transmisă printr-o linie de fir, canal radio și structuri neuronale.

Cibernetica a apărut pe baza multor științe. Este imposibil de enumerat totul, dar nu există nicio îndoială influența tehnologiei, matematicii (teoria controlului automat, logica matematică, teoria informației și comunicării, calculatoarele etc.) și fiziologiei (studiul reflexelor condiționate, principiul aferentării inverse, teoria sistemelor funcționale etc.).

Locul ciberneticii în sistemul științelor este prezentat schematic în Fig. 4.1.

Orez. 4.1

Este interesant de observat că apariția unor noi științe bazate pe un complex de științe existente continuă și astăzi. Ca exemplu, puteți sublinia sinergetice- un domeniu de cercetare științifică, al cărui scop este identificarea tiparelor generale în procesele de formare, stabilitate și distrugere a structurilor temporare și spațiale ordonate în sisteme complexe de natură variată (fizică, chimică, biologică etc.).

Mulți oameni de știință ruși și sovietici au contribuit direct sau indirect la dezvoltarea și crearea ciberneticii. Printre aceștia se numără fiziologii și medicii I.M. Sechenov (1829-1905), I.P. Pavlov (1849 - 1936), A.A. Bogdanov (1873 - 1928), P.K. Anokhin (1898-1974), V.V. Parin (1903-1971), N.M. Amosov (n. 1913), tehnologie de diverse direcții și matematică I.A. Vyshne-gradsky (1831 - 1895), A.M.Lyapunov (1857-1918), A.I. Berg (1893-1979), S.A. Lebedev (1902-1974), A.N. Kolmogorov 71903-1987), A.A. Harkevici (1904-1965), V.A. Kotelnikov (n. 1908), L.V. Kantorovich (1912-1986), V.M. Glushkov (1923-1982) și alții.

4.2. SISTEME CIBERNETICE

Un sistem cibernetic este un set ordonat de obiecte (elemente ale sistemului), care interacționează și interconectate, care sunt capabile să perceapă, să rețină și să proceseze informații, precum și să schimbe informații.

Exemple de sisteme cibernetice sunt grupuri de oameni, creiere, computere și automate. În consecință, elementele unui sistem cibernetic pot fi obiecte de natură fizică diferită: o persoană, celule cerebrale, blocuri computerizate etc.

Starea elementelor sistemului este descrisă de un anumit set de parametri, care sunt împărțiți în continui, luând orice valori reale într-un anumit interval, și discreti, luând seturi finite de valori. De exemplu, temperatura corpului unei persoane este un parametru continuu, iar sexul său este un parametru discret. În general, starea unui element al unui sistem cibernetic este

ne putem schimba și depinde atât de elementul în sine, cât și de influența elementelor din jur și a mediului extern.

Structura unui sistem cibernetic este determinată de organizarea conexiunilor dintre elementele sistemului și este o funcție a stărilor elementelor în sine și a influențelor externe.

Funcționarea unui sistem cibernetic este descrisă de trei familii de funcții: funcții care iau în considerare modificările stărilor elementelor sistemului, funcții care provoacă modificări în structura sistemului, inclusiv datorită influenței externe și funcții care determină semnalele transmise. de către sistem dincolo de limitele sale. Pentru o descriere mai completă a sistemului, ar trebui să se țină cont și de starea sa inițială.

Sistemele cibernetice variază în ceea ce privește complexitatea, gradul de certitudine și nivelul de organizare.

Complexitatea unui sistem depinde de numărul de elemente care îl compun, de complexitatea structurii și de varietatea conexiunilor interne. Există sisteme cibernetice complexe, care, totuși, pot fi cunoscute în detaliu, deoarece sunt creația omului. În același timp, sisteme cibernetice atât de complexe precum cele biologice, din cauza numeroaselor și neclare conexiuni diverse dintre multe elemente, în multe cazuri nu pot fi descrise în detaliu. Când se studiază sisteme complexe, are loc și procesul opus de împărțire a unui sistem în elemente: sistemele sunt prezentate sub formă de blocuri lărgite, fiecare dintre acestea fiind el însuși un sistem. Astfel, sistemele complexe pot fi compuse din altele mai simple. Un sistem de nivel superior este o combinație de subsisteme de nivel inferior, de ex. Organizarea sistemului este ierarhică.

Pot apărea relații între nivelurile ierarhice. Însuși conceptul de elemente în acest sens este relativ. În cazuri diferite, aceeași parte a sistemului poate fi un element, un bloc sau întregul sistem. Deci, de exemplu, atunci când se studiază funcțiile creierului, acesta poate fi considerat un element, în timp ce atunci când se studiază activitatea creierului în legătură cu structura sa internă, neuronii individuali ar trebui luați ca element. La rândul său, neuronul va fi un sistem cibernetic atunci când este studiat ținând cont de structura sa celulară.

Sistemele cibernetice sunt împărțite în continue și discrete. În sistemele continue, toate semnalele care circulă în sistem și stările elementelor sunt specificate prin parametri continui, în cei discreti - prin cei discreti. Cu toate acestea, există și mixte (hibride)

sisteme care au parametri de ambele tipuri. Împărțirea sistemelor în continue și discrete este condiționată și este determinată de gradul de acuratețe necesar procesului studiat și de avantajele tehnice și matematice. Este convenabil să descriem unele procese sau mărimi care au o natură discretă, de exemplu, curentul electric (discretitatea sarcinii electrice: sarcina nu poate fi mai mică decât sarcina electronului) prin mărimi continue. În alte cazuri, dimpotrivă, are sens să descriem un proces continuu cu parametri discreti. De exemplu, este convenabil să descriem funcția de excreție continuă a rinichilor cu o caracteristică discretă în cinci puncte. În plus, cu orice măsurători fizice, făcându-le la anumite intervale de timp, se obține de fapt un set de mărimi discrete. Toate cele de mai sus indică faptul că sistemele discrete sunt mai universale decât cele continue.

La studiul sistemelor continue se folosește aparatul ecuațiilor diferențiale, iar la studierea sistemelor discrete se folosește teoria algoritmilor.

În cibernetică și tehnologie, este comună împărțirea sistemelor în deterministe și probabiliste. Determinist numit sistem ale cărui elemente interacționează într-un anumit fel. Starea și comportamentul unui astfel de sistem sunt prezise fără ambiguitate și descrise prin funcții clare. Comportamentul sistemelor probabilistice poate fi determinat cu un anumit grad de certitudine, deoarece elementele sistemului sunt influențate de atât de multe influențe încât interacțiunea tuturor elementelor nu poate fi descrisă cu acuratețe. Un exemplu este reacția organismului la expunerea la factori fizici (forță, electrică, termică etc.); este de natură probabilistică.

Un sistem se numește închis dacă elementele sale schimbă semnale doar între ele. Sistemele neînchise sau deschise schimbă în mod necesar semnale cu mediul extern.

Pentru a percepe semnale din mediul extern și a le transmite în sistem, fiecare sistem deschis are receptori (senzori sau convertoare). La animale, ca și într-un sistem cibernetic, receptorii sunt organe senzoriale - atingere, vedere, auz etc., în automate - senzori: extensometru, fotoelectric, de inducție etc. (vezi 21.3).

Semnalele sunt transmise mediului extern prin intermediul unor actuatoare numite efectori. Vorbirea, mâinile, expresiile faciale sunt efectori pentru o persoană - un sistem cibernetic.

Receptorul pentru o mașină de apă cu sodă este un buton sau acceptor de monede, efectorul este distribuirea apei sifonate.

Sistemele cibernetice complexe au o proprietate caracteristică - capacitatea de a acumula informații, care pot fi utilizate ulterior în funcționarea sistemului de control. Această proprietate se numește, prin analogie cu o proprietate similară a creierului uman, memorie. Memorarea în sistemele cibernetice se realizează în două moduri: în primul rând, ca urmare a unei modificări a stării elementelor sistemului și, în al doilea rând, ca urmare a unei modificări a structurii acestuia.

4.3. ELEMENTE DE TEORIA INFORMAȚIEI

Locul central în cibernetică este informaţii. Acest termen a apărut deja de mai multe ori în curs fără explicații speciale ca fiind înțeles în general. Cuvântul „informație” 1 înseamnă, conform conceptelor moderne, un set de informații, date și transmiterea de mesaje.

Orice fenomen sau eveniment poate servi drept sursă de informație, dar trebuie să aibă sens și să fie un semnal pentru una sau alta acțiune. Uneori se spune că informația este un sistem de informații despre lumea din jurul nostru pe care o persoană îl primește ca urmare a observației și comunicării cu alte persoane. Oamenii primesc informații atunci când simt durere, foame, frig, văd, aud, vorbesc cu alte persoane, citesc cărți etc.

Totuși, ideea că doar o persoană primește informații este subiectivă. De fapt, acest concept are un sens mai larg. Astfel, reglarea continuă a activității organelor interne ale animalelor și a sistemului de dezvoltare al plantelor este asociată cu transferul de informații.

Nu trebuie să mergem la cealaltă extremă, crezând că fiecare reflectare a evenimentelor din lume este informație. Cu greu se poate considera că o scădere a temperaturii la munte este o informație pentru stânci despre debutul iernii.

Transmiterea, recepția și prelucrarea informațiilor sunt caracteristice sistemelor care sunt organizate destul de complex, a căror caracteristică specifică este V prezența proceselor de management. Nota-

Informații (lat.)- clarificare, informare.

O caracteristică semnificativă a informației este că elimină ignoranța despre ceva și reduce incertitudinea situației.

Abordarea științifică a studiului informațiilor a fost cauzată de o „explozie informațională” - un flux de informații asemănător unei avalanșe, ca urmare a dezvoltării rapide a științei și tehnologiei la mijlocul secolului al XX-lea.

Conceptul de informare V cibernetica joacă un rol la fel de important ca și conceptul de energie și masă V fizică. Secțiunea de cibernetică dedicată colectării, transmiterii, stocării, procesării și calculării informațiilor se numește teoria informaţiei. Să luăm în considerare pe scurt elementele acestei teorii.

Informațiile sunt transmise prin canale de comunicare în formular semnale, produs de organele sistemului cibernetic. Canal de comunicare numit mediu prin care sunt transmise semnalele. În conversația orală, semnalul este vorbirea, iar canalul de comunicare este aerul în transmisia radio a muzicii, semnalul este sunetul, iar canalele de comunicare sunt câmpul electromagnetic și aerul.

Purtătorul fizic al semnalului poate fi tot felul de materie, care pot alterna la transmiterea unui semnal. De exemplu, în timpul transmisiei radio, un gând exprimat în cuvinte, transmis prin impulsuri bioelectrice către mușchii vocali, provocând contracțiile acestora, creează o imagine sonoră, care, ca urmare a vibrației membranei din microfon, este transformată într-o formă electrică. impuls - un semnal transmis pe o distanță. În acest caz, semnalele trebuie să îndeplinească cerințele izomorfismului. Sub izomorfism să înțeleagă o astfel de corespondență de fenomene fizic diferite în care conținutul mesajului transmis este păstrat și nu distorsionat.

Încălcarea izomorfismului duce la denaturarea informațiilor. Se numește distorsiunea semnalului atât din cauza încălcării izomorfismului, cât și ca urmare a interferențelor externe zgomot.

În funcție de semnificația semnalelor transmise, acestea se împart în informativ, furnizarea oricărei informații și executiv, care conţin orice comandă pentru acţiune. Semnalele se disting discretŞi continuu. Un exemplu de semnal discret este transmisia codului Morse sau transmiterea de numere prin impulsuri de curent, un exemplu de semnal continuu este o modificare a tensiunii într-un circuit corespunzătoare unei schimbări de temperatură.

Fiecare mesaj constă dintr-o combinație de semnale simple de o anumită natură fizică. Setul complet de astfel de semnale este numit alfabet, un semnal - litera alfabetului. Pentru a transmite un mesaj, acesta trebuie descris folosind un fel de alfabet, cu alte cuvinte,

codifica. Codificare se numește o descriere a unui mesaj folosind un anumit alfabet, de ex. stabilirea unei corespondenţe unu-la-unu între parametrii care caracterizează semnalul şi informaţia. Se numește traducerea acestui mesaj într-un alt alfabet recodare, decriptarea mesajelor - decodare.

Pentru a transmite mesaje în viața economică și științifică, codificarea este realizată de oameni. Cu toate acestea, natura a creat metode naturale de codificare. Aceste metode sunt de mare interes pentru știință, de exemplu, studiind metoda de codificare a informațiilor ereditare despre un organism adult într-o celulă germinativă. Utilizarea codării permite utilizarea unui alfabet mic pentru a transmite informații enorme. S-a dovedit că orice informație poate fi codificată folosind două caractere (0,1). Acest cod este numit binar.

Transmiterea oricărui semnal este asociată cu consumul de energie, dar cantitatea de informație transmisă și mai ales sensul acesteia nu depinde de energia semnalului. Mai mult decât atât, de foarte multe ori un semnal cu energie scăzută transmite un mesaj care poate declanșa un proces care necesită o cantitate uriașă de energie. De exemplu, o explozie atomică poate fi provocată prin apăsarea butonului de comutare al dispozitivului corespunzător, informațiile calme despre actul inestetic al cuiva pot provoca o explozie de indignare.

În cibernetică, nu contează ce energie este cheltuită pentru a transmite informații, dar important este cât de multă informație va fi transmisă sau poate fi transmisă printr-unul sau altul canal de comunicare. Pentru a calcula cantitativ informația, trebuie să faceți abstracție de la sensul mesajului, similar cu modul în care se rezolvă un exemplu aritmetic, trebuie să facă abstracție de la anumite obiecte.

Adăugând, de exemplu, 2 și 3, obținem 5 și nu contează ce obiecte adăugăm: mere, rachete sau stele.

Cum se calculează cantitatea de informații? S-a remarcat deja că informația are sens atunci când reduce gradul de ignoranță, adică. procesul de extragere a informațiilor este asociat cu creșterea certitudinii informațiilor noastre despre un obiect. Un mesaj transportă informații dacă, din totalitatea evenimentelor posibile realist, este indicat unul anume.

De exemplu, citind un istoric medical, medicul primește informații despre bolile unui anumit pacient: din întreaga varietate de boli diferite sunt identificate doar cele pe care pacientul respectiv le-a suferit. Un mesaj despre ceea ce este deja cunoscut nu transmite informații; da, pentru o persoană alfabetizată

Cu cât un eveniment are mai multe posibilități diferite, cu atât mesajul conține mai multe informații despre el. Astfel, la aruncarea unui zar o dată (6 fețe), se obțin mai multe informații decât la aruncarea unei monede (2 fețe), deoarece primul caz are un număr mai mare de rezultate la fel de posibile decât al doilea. Se spune că cantitatea de informații variază în raportul invers al probabilității.

Deoarece măsura incertitudinii oricăror evenimente este probabilitatea, ar trebui să se presupune că evaluarea cantitativă a informațiilor este asociată cu conceptele de bază ale teoriei probabilităților. Într-adevăr, metoda modernă de numărare a informațiilor se bazează pe o abordare probabilistică atunci când se iau în considerare sistemele de comunicare și codificarea mesajelor.

Să luăm în considerare metoda de calcul a cantității de informații conținute într-un mesaj, propusă de Shannon și folosită în teoria informației modernă.

O măsură a cantității de informații poate fi găsită ca modificarea gradului de incertitudine în anticiparea unui eveniment. Să presupunem că există k rezultate la fel de probabile ale evenimentului. Atunci este evident că de gradul de incertitudine al unui eveniment depinde k:în cazul în care k= 1 predicția evenimentului este fiabilă, adică gradul de incertitudine este zero; în caz de mare k Este dificil de prezis evenimentul, gradul de incertitudine este mare.

Prin urmare, funcția necesară f(k)(o măsură a cantității de informații sau modificarea gradului de incertitudine) trebuie să fie egală cu zero la k = 1 și în creștere k crește.

În plus, funcția f trebuie să îndeplinească încă o condiție. Să presupunem că sunt efectuate două experimente independente, unul dintre ele a făcut-o k rezultate la fel de probabile, iar celelalte - l. Este firesc să presupunem această incertitudine f(kl) apariția comună a unei combinații de evenimente din primul și al doilea experiment este mai mare f(k)Şi f(l)și este egală cu suma incertitudinilor din rezultatele fiecărui experiment:

Partea stângă a formulei reprezintă funcția f(kl) din lucrare kl, egal cu numărul de perechi posibile de combinații de rezultate ale primului și celui de-al doilea experiment. Formula (4.1) corespunde funcției logaritmice f(k) - jurnal. k.

În plus, funcția rezultată satisface condițiile log a 1 = 0 și crește odată cu creșterea k.

Deoarece trecerea de la un sistem de logaritmi la altul, în funcție de bază, se reduce la înmulțirea funcției log a k de un factor constant, atunci baza logaritmilor nu joacă un rol decisiv și va afecta doar alegerea unităților cantității de informații.

Deci, vom lua în considerare jurnalul funcției a k măsura incertitudinii (cantitatea de informaţii) când k rezultate la fel de probabile. Probabilitatea fiecărui rezultat (eveniment) este egală cu r= р 1 = р 2 = р 3 = ... = p k= 1/k Deoarece incertitudinile diferitelor evenimente sunt însumate, incertitudinea fiecărui rezultat individual este egală cu

Într-un experiment care are rezultate de diferite probabilități p 1, p 2, ... p k măsura incertitudinii fiecărui rezultat individual va fi scrisă conform expresiei

(4.3):

iar măsura incertitudinii întregii experiențe este suma acestor incertitudini:

Aceasta este media logaritmului probabilității. Prin analogie cu formula lui Boltzmann [vezi. (12.20)], se numește H entropie sau entropia informaţională. Această valoare poate fi considerată o măsură a informației.

Examinând (4.4) pentru extremum, constatăm că cea mai mare incertitudine este asociată cu un eveniment cu rezultate la fel de probabile. Testul în acest caz oferă cele mai multe informații:

În cazul special a două evenimente la fel de posibile, cantitatea de informații primite în timpul mesajului este egală cu

Pentru a alege o unitate pentru cantitatea de informații, setăm a - 2, apoi din (4.6) avem

H= jurnal o 2 = 1.

Această cantitate de informații este luată ca un bit (un bit este informații conținute într-un mesaj despre unul dintre cele două evenimente la fel de probabile). Preluare (4,5) O= 2, constatăm că cantitatea de informații

exprimată în biți.

Să calculăm informațiile obținute atunci când se aruncă un 1 în cazul aruncării unui zar. Folosind (4.7), avem

Conceptul de informație este unul dintre cele mai importante în cibernetică, deoarece fiecare proces de control este asociat cu primirea, acumularea și transmiterea informațiilor. Reflectând proprietățile generale ale lumii materiale, conceptul de informație acționează ca o categorie filozofică.

Procesele informaționale au loc în timpul funcționării oricăror sisteme de control - de la procesele de transmitere a caracteristicilor ereditare până la procesele de comunicare între oameni și mașini. Așa cum măsura transformării unei forme de mișcare în alta este determinată prin intermediul energiei în fizică, în cibernetică informația este o măsură a proceselor de reflectare a lumii materiale.

După cum sa menționat deja, informațiile sunt transmise prin canale de comunicare folosind semnale. Informațiile primite de la sursă de către elementele receptoare (organe de simț, microfoane, fotocelule etc.) sunt convertite de un dispozitiv de codificare într-o formă convenabilă pentru transmiterea semnalului, de exemplu, într-un semnal electric și sunt transmise printr-un canal de comunicație către receptor, în care informația este decodificată, de exemplu, în sunet și este comunicată ascultătorului. Schema generală a sistemului de transmitere a informațiilor este prezentată în Fig. 4.2.

Orez. 4.2

În concluzie, observăm că unele expresii cantitative ale teoriei informației nu și-au găsit încă aplicație în cibernetica medicală. Această împrejurare se datorează naturii generale, încă în mare măsură calitative, a medicinei.

4.4. MANAGEMENT ȘI REGLEMENTARE

Pentru a avea loc o schimbare țintită a comportamentului unui sistem cibernetic, este necesar controlul.

Controla- acesta este exercitarea influenţei asupraciberneticsistem (obiect) în conformitate cu programul existent sau scopul funcționării acestuia. Pe scurt, controlul este influența asupra unui obiect pentru a atinge un obiectiv dat.

Obiectivele managementului pot varia. În cel mai simplu caz, acesta este, de exemplu, pur și simplu menținerea unui anumit parametru constant (umiditate constantă a camerei, temperatură). În sistemele cibernetice mai complexe, scopul controlului este sarcina de adaptare la condițiile în schimbare, de exemplu, adaptarea la mediul în schimbare al unui individ biologic.

S-a stabilit că schema de control a obiectelor de diferite naturi este comună atât pentru lumea organică, incluzând mecanismele de control dintr-un organism viu și mecanismele de evoluție biologică, cât și pentru lumea anorganică, până la calculatoarele electronice și controlul navelor spațiale.

Această asemănare ne permite să facem analogii între sistemele vii care au suferit îmbunătățiri pe parcursul unui lung proces de evoluție și dispozitivele tehnice care sunt mai simple și mai puțin perfecte.

Studiul sistemelor de control biologic și compararea acestora cu sistemele tehnice, pe de o parte, face posibilă găsirea de noi principii pentru crearea unor dispozitive tehnice mai complexe și, pe de altă parte, înțelegerea principiilor de control care stau la baza obiectelor și proceselor biologice. . Prima latură a întrebării este conținutul direcției științifice numită „bionica”.

În orice sistem de control, ar trebui să se facă distincția între corpul de control și obiectul de control, precum și liniile de comunicație (canale de comunicație) dintre acestea. Organul de conducere este o parte foarte importantă a sistemului cibernetic. Este un sistem de control care prelucrează informația primită și produce control

influențe. Procesele de prelucrare a informațiilor au loc în diferite sisteme de control naturale și artificiale. Acestea includ gândirea, procesarea informațiilor în sisteme automate, modificări ale informațiilor ereditare în timpul evoluției speciilor biologice etc. Influențele de control sunt transmise prin efectorii corespunzători obiectului de control. Comunicarea se realizează prin procese fizice care transportă informații și reprezintă un semnal. După ce a primit semnalul, obiectul de control va intra în starea corespunzătoare.

Cel mai interesant este tipul de control în care operațiunile care asigură atingerea unui obiectiv de control dat sunt efectuate de un sistem care funcționează fără intervenție umană în conformitate cu un algoritm prestabilit. Această opțiune este numită control automat.

Un tip de control automat este reglare automată. Acest termen este folosit în cazurile în care scopul controlului este de a menține automat constanta sau modificarea conform legii cerute a unei cantități fizice a obiectului de control (reglementare). Organul de conducere poate fi numit regulator.

Dacă sistemul de control nu primește sau nu ține cont de informații de la obiectul de control, acesta este apelat deschide Un astfel de control este prezentat schematic în Fig. 4.3 indicând canalul de comunicare directă (linia). Un astfel de control este implementat într-un semafor, un sistem genetic și un computer.

În modul de sistem în buclă deschisă, controlul automat (reglarea) se efectuează pe baza perturbărilor. Să explicăm acest lucru cu exemplul unui dispozitiv care menține automat condiții confortabile de temperatură într-o cameră (Fig. 4.4). Aici obiectul reglementării este aparatul de aer condiționat.

Perturbarea (temperatura aerului din exterior) afectează regulatorul (termometrul special) și afectează temperatura aerului din încăpere. În funcție de perturbare, termometrul trimite un semnal către aparatul de aer condiționat pentru a-l porni fie în modul de încălzire, fie în modul de răcire.

Aerul cu temperatura adecvată intră în cameră. În esență

că în acest sistem, încălzirea sau răcirea aerului din încăpere depinde de temperatura ambiantă, și nu de temperatura aerului din cameră.

sistem și de la obiectul de control prin linia de feedback.

Feedback-ul este transferul de influențăsauinformații de la ieșirea sistemului (elementului) la intrarea acestuia, în special impactul obiectului de control asupra corpului de control.

Există feedback pozitiv și negativ. Cu feedback pozitiv, rezultatele procesului tind să-l întărească. În dispozitivele tehnice, feedback-ul pozitiv contribuie la trecerea sistemului la o altă stare de echilibru sau provoacă un proces de avalanșă.

Feedback-ul negativ previne dezvoltarea, schimbarea procesului și îl stabilizează. Feedback-ul negativ este utilizat în sistemele de control în buclă închisă.

Ca sistem tehnic cu feedback negativ, luați în considerare un termostat cu termostat care utilizează un termometru de contact (Fig. 4.6).

La o temperatură sub punctul de referință, coloana de mercur din termometru rupe contactul din circuitul releului, pornește încălzitorul și temperatura crește.

La temperaturi peste normal, coloana de mercur închide circuitul releului și încălzitorul se oprește. Sistemul considerat vă permite să mențineți temperatura în termostat într-un anumit interval. Acest exemplu ilustrează automat (control) prin abatere. Sistemele cibernetice cu feedback negativ (sistem de control în buclă închisă) includ

autoguvernare (autoreglare) sisteme.

Un sistem autonom este, de exemplu, corpul unui animal, în care o compoziție constantă a sângelui, temperatura și alți parametri sunt menținute în mod independent. Un sistem format dintr-un grup de animale și prădătorii care se hrănesc cu ele, cum ar fi iepuri de câmp și lupi, se autoreglează. 1 O creștere a numărului de lup duce la o scădere a cantității de hrană (iepuri), aceasta, la rândul său, duce la o scădere a numărului de lup, de unde și creșterea numărului de iepuri etc. Ca urmare, dacă ignorăm alți factori (împușcarea lupilor, seceta etc.), numărul de lup și iepuri se menține în acest sistem la un anumit nivel. 2 Diagrama unui sistem de autogestionare de acest tip poate fi reprezentată ca fiind formată din următoarele părți (Fig. 4.7): un obiect de control care influențează mediul extern, un anumit element sensibil care primește informații atât din mediul extern, cât și ca un rezultat al modificărilor care au loc cu obiectul de control și cu organul de conducere (regulator). Pe canal

autoritatea de reglementare primește informații informative primare prin intermediul canalului

la obiectul de control. Feedback-ul este furnizat prin mediul extern și elementul sensibil.

Studiul sistemelor de auto-guvernare prezintă un interes deosebit pentru fiziologie și biologie.

Există sisteme de control optime, al căror scop este menținerea unei valori extreme (minimă sau maximă) a unei anumite cantități în funcție de condițiile externe și semnalele de control ale sistemului.

Cel mai simplu exemplu de astfel de reglementare este dispozitivul unui aparat de aer condiționat, care creează o temperatură în conformitate cu umiditatea aerului. Un sistem de control optim este de asemenea potrivit în cazurile în care funcția sistemului se reduce la menținerea parametrilor reglabili la valoarea maximă sau minimă la modificarea parametrilor nereglați.

Problemele de management sunt discutate mai detaliat în teoria specială a sistemelor de control. Principiile principale care stau la baza acestuia sunt feedback-ul și controlul în mai multe etape. Feedback-ul permite sistemului cibernetic să ia în considerare circumstanțele reale și să le coordoneze cu comportamentul necesar. O schemă de control în mai multe etape determină fiabilitatea și stabilitatea sistemelor cibernetice.

4.5. MODELARE

În diverse domenii ale cunoașterii, modelele sunt folosite pentru a studia sisteme și procese reale.

Un model este un obiect de orice natură, speculativ sau realizat material, care reproduce un fenomen, proces sau sistem în scopul cercetării sau studierii acestuia. O metodă de studiere a fenomenelor, proceselor și sistemelor, bazată pe construcția și studiul modelelor acestora, se numește modelare.

Astfel, modelarea este înțeleasă în prezent nu doar ca modelare specifică subiectului, copiere, precum crearea unui model de planor, ci și ca metodă științifică de cercetare și cunoaștere a esenței profunde a fenomenelor și obiectelor. Baza modelării este unitatea lumii materiale și atributele materiei - spațiu și timp, precum și principiile mișcării materiei.

În cibernetică, modelarea este principala metodă de cunoaștere științifică. Acest lucru se datorează abstractității ciberneticii, generalității structurii

tururi ale sistemelor cibernetice și sistemelor de control de diferite naturi. În esență, diagramele prezentate în fig. 4.3-4.7 sunt modele simple ale diferitelor sisteme de control. Problemele de modelare din această secțiune sunt considerate dincolo de sfera ciberneticii, ținând cont de universalitatea acestei metode și de orientarea medicală și biologică a intereselor cititorului.

Să ne oprim asupra principalelor, cele mai semnificative tipuri de modele: geometrice, biologice, fizice (fizico-chimice) și matematice.

Modelele geometrice sunt cea mai simplă varietate a lor. Aceasta este o copie externă a originalului. Modelele folosite în predarea anatomiei, biologiei și fiziologiei sunt modele geometrice. În viața de zi cu zi, modelele geometrice sunt adesea folosite în scopuri educaționale sau decorative și de divertisment (modele de mașini, căi ferate, clădiri, păpuși etc.).

Crearea de modele biologice (fiziologice) se bazează pe reproducerea anumitor condiții în laborator, de exemplu, boli la animalele de experiment. Experimentul studiază mecanismele de apariție a afecțiunii, cursul acesteia și metodele de influențare a organismului pentru a o schimba. Astfel de modele includ procese infecțioase cauzate artificial, hipertrofia organelor, tulburări genetice, neoplasme maligne, nevroze create artificial și diverse stări emoționale.

Pentru a crea aceste modele, organismului experimental se aplică o varietate de influențe: infecția cu microbi, administrarea de hormoni, modificări în compoziția alimentelor, efecte asupra sistemului nervos periferic, modificări ale condițiilor și habitatului etc.

Modelele biologice sunt importante pentru biologie, fiziologie, farmacologie și genetică.

Crearea modelelor fizice și fizico-chimice se bazează pe reproducerea structurilor, funcțiilor sau proceselor biologice prin mijloace fizice și chimice. Modelele fizico-chimice sunt mai idealizate decât cele biologice și reprezintă o asemănare îndepărtată cu obiectul biologic modelat.

Un exemplu de unul dintre primele modele fizico-chimice este modelul de creștere a celulelor vii (1867), în care creșterea a fost simulată prin creșterea cristalelor de CuSO 4 într-o soluție apoasă de Cu și electrice [vezi (18.13)] oscilații sau descărcare aperiodică a condensatorului [vezi. (18.17)], absorbția luminii de către materie [(vezi f. (29.6)] și legea dezintegrarii radioactive [vezi (32.8)]. În această analogie a ecuațiilor diferențiale referitoare la diferite fenomene, se poate vedea unitatea naturii Această caracteristică ne permite să folosim analogii în modelarea matematică, iar modelele corespunzătoare sunt numite modele subiect-matematice de analogie directă.

Studiul fenomenelor folosind modele matematice este împărțit în patru etape.

Prima etapă constă în identificarea obiectelor de modelare și formularea legilor care le conectează. Se încheie cu o înregistrare în termeni matematici a ideilor despre conexiunile dintre obiectele model.

În a doua etapă are loc studiul problemelor matematice care decurg din modelul matematic. Scopul acestei etape este de a rezolva problema directă, adică. obţinerea de date care pot fi comparate cu rezultatele experienţei sau observaţiei. Pentru rezolvarea problemelor se folosesc aparate matematice și tehnologia computerizată pentru a obține informații cantitative.

A treia etapă ne permite să aflăm în ce măsură modelul ipotetic propus satisface criteriul practicii. Soluția la această problemă este legată de corespondența consecințelor teoretice cu rezultatele experimentale. Ca parte a acestei etape, este adesea rezolvată o problemă inversă, în care unele caracteristici necunoscute anterior ale modelului sunt determinate prin compararea informațiilor de ieșire cu rezultatele observaționale.

Modelul propus este nepotrivit dacă, la nicio valoare a caracteristicilor sale, informațiile de ieșire nu pot fi în concordanță cu experimentul.

A patra etapă include analiza modelului ca urmare a acumulării de date despre acesta și modernizarea acestuia.

În funcție de natura modelelor, acestea sunt împărțite în mod convențional în fenomenologice și structurale.

Fenomenologic (funcțional) modelele reflectă relațiile temporale și de cauză-efect între parametrii care caracterizează funcțiile unui obiect biologic fără a lua în considerare structura acestuia.

Un obiect este considerat o „cutie neagră” - un sistem în care doar cantitățile de intrare și de ieșire sunt disponibile pentru un observator extern, iar structura internă este necunoscută (Fig. 4.8). Metoda cutiei negre

utilizat pe scară largă pentru rezolvarea problemelor de modelare a sistemelor cibernetice complexe în cazurile în care comportamentul sistemului prezintă interes. Deci, de exemplu, ținând cont de „designul” complex al creierului uman și de riscul implementării instrumentale directe în structurile sale, este rezonabil să studiem creierul ca o „cutie neagră”). Acest lucru se poate face prin examinarea abilităților mentale ale unei persoane, reacția sa la sunet, lumină etc.

Structural modelele sunt construite ținând cont de structura obiectului, reflectând nivelurile ierarhice ale acestuia.

În acest caz, structura include funcțiile private ale subsistemelor individuale. Astfel de modele exprimă mai bine esența sistemelor biologice, dar sunt dificil de calculat.

Modelele sunt compilate după o anumită schemă. Mai întâi se formulează scopul modelării, apoi se exprimă o ipoteză care reprezintă o descriere calitativă a sistemului, se selectează tipul de model și metodele matematice pentru descrierea acestuia în funcție de scopul și tipul de informații.

Etapa finală este crearea unui model și compararea acestuia cu sistemul de obiecte în scopul identificării.

4.6. CONCEPTUL DE CIBERNETICA BIOLOGICA SI MEDICALA

Cibernetica biologică este o direcție științifică în care ideile, metodele și mijloacele tehnice ale ciberneticii sunt aplicate la luarea în considerare a problemelor din biologie și fiziologie.

Cibernetica biologică poate fi reprezentată prin părți teoretice și practice. Sarcina principală a ciberneticii biologice teoretice este studiul problemelor generale de control, stocare, procesare și transmitere a informațiilor în sistemele vii. Una dintre cele mai importante metode de cibernetică biologică practică este metoda modelării - modelarea structurii și comportamentului sistemelor biologice. În dezvoltarea acestei metode, cibernetica biologică include și probleme de proiectare a sistemelor artificiale care reproduc activitățile organelor individuale, conexiunile lor interne și interacțiunile externe. În această direcție, cibernetica biologică se contopește cu cibernetica medicală.

Cibernetică medicală este o direcție științifică legată de utilizarea ideilor, metodelor și mijloacelor tehnice ale ciberneticii în medicină și asistență medicală. În mod convențional, cibernetica medicală poate fi reprezentată de următoarele grupuri.

1. Diagnosticul computerizat al bolilor. Această parte se referă în principal la utilizarea computerelor pentru diagnosticare.

Structura oricărui sistem de diagnosticare constă din memorie medicală (experiența medicală totală pentru un anumit grup de boli) și un dispozitiv logic care vă permite să comparați simptomele detectate la un pacient prin interviu și examen de laborator cu experiența medicală existentă. Calculatorul de diagnosticare urmează aceeași structură.

Primul pas este dezvoltarea unor metode de descriere formală a stării de sănătate a pacientului, efectuând o analiză amănunțită pentru a clarifica parametrii clinici și semnele utilizate în diagnostic. Sunt selectate în principal acele caracteristici care permit evaluarea cantitativă.

Pe lângă exprimarea cantitativă a caracteristicilor fiziologice, biochimice și a altor caracteristici ale pacientului, diagnosticul computațional necesită informații despre frecvența (probabilitatea a priori) a sindroamelor clinice și a semnelor de diagnostic, clasificarea acestora, dependența, evaluarea eficacității diagnostice a semnelor, etc. Toate aceste date sunt stocate în memoria aparatului.

Următorul pas este selectarea unui algoritm. Aparatul compară simptomele pacientului cu datele stocate în memoria sa.

Logica diagnosticului computațional corespunde logicii unui medic care face un diagnostic: un set de simptome este comparat cu experiența medicală anterioară.

Aparatul nu va instala o boală nouă (necunoscută). Un medic care se confruntă cu o boală necunoscută va putea descrie simptomele acesteia. Detaliile unei astfel de boli pot fi stabilite numai prin efectuarea de studii speciale. Un computer poate juca un rol de sprijin în astfel de cercetări.

2. Abordare cibernetică a procesului de vindecare. După ce a stabilit un diagnostic, medicul prescrie și efectuează un tratament, care, de regulă, nu se reduce la un efect unic. Acesta este un proces complex în timpul căruia medicul primește din nou și din nou informații medicale și biologice despre pacient, analizează aceste informații și, în conformitate cu acestea, clarifică, modifică, oprește sau continuă efectul terapeutic.

Sistemele cibernetice sunt caracterizate de influența vizată a sistemului de control asupra obiectului de control (vezi 4.4).

Medicul controlează pacientul, sistemul medic-pacient este cibernetic, prin urmare este posibilă și o abordare cibernetică a procesului de tratament. Cu toate acestea, în ciuda acestor posibilități, pătrunderea ideilor, metodelor și mijloacelor tehnice ale ciberneticii în această parte cea mai importantă a medicinei este încă destul de modestă.

În prezent, abordarea cibernetică a procesului de tratament facilitează munca medicului, permite un tratament mai eficient al pacienților grav bolnavi, acțiunea la timp în caz de complicații în timpul intervenției chirurgicale, dezvoltarea și controlul procesului de tratament cu medicamente și crearea de proteze biocontrolate.

Să discutăm pe scurt posibilitățile de utilizare a acestei abordări.

Monitorizarea stării corpului uman este necesară în multe domenii ale activității umane (sport, industrial, educațional, militar), dar este deosebit de importantă în situații stresante sau în astfel de afecțiuni medicale cum ar fi, de exemplu, intervenții chirurgicale prin circulație artificială, respirație. , resuscitare, în stare de anestezie etc.

În aceste scopuri, ele sunt create sisteme informatice pentru controlul medical operational(ISOVK), care colectează informații medicale și biologice, recunosc automat starea funcțională a pacientului, înregistrează tulburările în activitățile corpului, diagnostichează bolile și controlează dispozitivele care reglează funcțiile vitale.

Sarcinile controlului medical operațional includ monitorizarea stării pacienților grav bolnavi cu ajutorul sistemelor de urmărire (sisteme de monitorizare), monitorizarea stării persoanelor sănătoase în condiții extreme (condiții de stres, imponderabilitate, condiții hiperbarice, medii cu conținut scăzut de oxigen etc.).

Implementarea principiului terapiei intensive este posibilă ca urmare a creării unui complex care vă permite să monitorizați automat în mod continuu starea pacientului și să raportați modificările acesteia.

Este deosebit de important să obțineți informații rapide și precise despre starea pacientului în timpul intervenției chirurgicale. În timpul operației, se înregistrează un număr mare (aproximativ 1000) de diferiți parametri care caracterizează starea pacientului. Este aproape imposibil ca un medic să analizeze și să monitorizeze atât de mulți parametri într-un timp extrem de scurt. În aceste cazuri, un computer vine în ajutor, mai ales că atunci când utilizați un computer, puteți investi în el în avans

înregistrări din istoricul medical, informații despre disponibilitatea medicamentelor, instrucțiuni privind măsurile care trebuie luate în situații critice.

Datele generale despre pacienții operați sunt introduse în computer în prealabil. Datele despre starea curentă sunt introduse din momentul in care pacientul intră în sala de operație. Pe lângă informațiile despre starea pacientului, se introduc informații despre timpul, tipul și doza de anestezie și medicamente și începe înregistrarea continuă a parametrilor medicali și biologici. Ca urmare, dacă vreun indicator depășește valorile critice, computerul va raporta pericolul sub formă de semnale sonore sau luminoase, va furniza dispozitivului de înregistrare informații care explică cauzele alarmei și recomandări pentru eliminarea acestora.

O altă posibilitate de utilizare a ciberneticii în medicină este modelarea matematică a procesului de vindecare, care poate servi drept bază pentru calcularea efectelor terapeutice optime. De exemplu, este posibil să se calculeze procesul de introducere a unui medicament în corpul pacientului pentru a provoca cel mai bun efect terapeutic.

Abordarea cibernetică este implementată în realizarea unor proteze complexe care înlocuiesc anumite organe. Să ilustrăm acest lucru cu un exemplu.

Un studiu al biocurenților musculari a arătat că, datorită posibilității înregistrării lor direct pe mușchi, este posibilă determinarea informațiilor transmise mușchilor (organele executive, controlate) de către sistemul nervos central (sistemul de control). S-a constatat, de asemenea, că biocurenții pot apărea într-un mușchi la comanda sistemului nervos central și fără executarea comenzii, de exemplu, în cazul absenței unui membru sau a unei părți a acestuia.

Aceste proprietăți ale biocurenților musculari au făcut posibilă dezvoltarea membrelor protetice active. O proteză convențională, de exemplu un picior, a restabilit doar o parte a funcției - susținerea funcției de control și coordonare a fost absentă;

Au fost dezvoltate membre protetice cu control bioelectric. Pentru controlul unor astfel de membre au fost dezvoltate sisteme speciale, care includ dispozitive de colectare a biopotențialelor, un amplificator și un convertor care amplifică semnalul și îl transformă într-o formă adecvată pentru controlul părții mecanice a protezei (motoare electrice, cutii de viteze etc. ) și conducerea protezei în sine (mână, degete, picior etc.).

Cu ajutorul traductoarelor (senzorilor) care percep influențele externe asupra unui organ artificial, se asigură feedback: semnalul electric de la traductor este transformat într-un semnal

nal, asemănător impulsurilor din nervii perceptivi ai unui organism viu și este trimis de la periferie spre centru prin zonele intacte ale pielii membrului bolnav.

3. Sisteme de control automate și posibilitatea utilizării lor pentru organizarea sănătății. Secțiunile anterioare s-au concentrat în principal pe procesele de control în sistemele biologice. Cu toate acestea, în versiunea sa originală, termenul „management” era mai mult sinonim cu conceptul de „management” și legat de managementul unei economii, al unei întreprinderi, adică. un grup de oameni care îndeplinesc un anumit scop. Această înțelegere a managementului, desigur, este și cibernetică și, prin urmare, procesul management-leadership poate fi optimizat folosind metodele și mijloacele tehnice ale ciberneticii.

Această optimizare a dus la crearea sistemelor automate de control (ACS) în economia națională. ACS diferă de formele tradiționale de management prin faptul că folosesc pe scară largă tehnologia informatică pentru a colecta și procesa informații, precum și noi principii organizaționale pentru a implementa cel mai eficient management al obiectului (sistemului) corespunzător.

Obiectele de control ACS sunt diferite atât prin scară, cât și prin scop: o zonă de atelier, un cabinet medical, un departament de urgență, o întreprindere, o școală, un spital, asistență medicală, un sector industrial, economia națională a țării etc.

În funcție de nivelul ierarhiei, sistemele de control automatizate sunt împărțite în sisteme separate. De exemplu, în aproape orice sector al economiei se poate distinge sistem de control automatizat al industriei(OASU).

Sănătate Există o ramură a economiei naționale, prin urmare, OASU „Healthcare” a fost creat pentru a gestiona această industrie.

Fără a intra în detalii despre un astfel de OASU, care este sarcina unui curs special la o școală de medicină, vom nota doar câteva dintre caracteristicile sale.

Orice OACS poate fi construit pe baza unor modele care iau în considerare nu numai conexiunile din cadrul unei industrii date, ci și conexiunile inter-industriale, de exemplu. relaţia acestui sistem cu întreaga economie naţională. În raport cu sistemul de sănătate publică „3health”, modelul ar trebui să includă atât o unitate de control, cât și alte elemente: prevenire, tratament (cu diagnostice), știință medicală, personal, suport material.

Fiecare dintre elementele (blocuri) enumerate ale OACS este asociat atât cu elemente ale aceluiași sistem, cât și cu alte sisteme. Să ilustrăm acest lucru cu exemplul de prevenire a bolilor. Include imunizarea populației, examinări medicale în masă, medicale

educație etc.. Examenele medicale în masă sunt asociate cu disponibilitatea personalului medical instruit, furnizarea de echipamente etc. (conexiuni interne și dependențe), starea și dezvoltarea întreprinderilor industriale, distribuția populației pe zone geografice etc. (conexiuni externe care depășesc limitele acestui OASU) .

Cibernetica este o direcție tânără în știință care a apărut la mijlocul secolului al XX-lea. În ciuda vechimii sale, odată cu dezvoltarea tehnologiei informației, a devenit una dintre cele mai promițătoare și solicitate. Astăzi, metodele acestei discipline sunt folosite în economie, sociologie și în alte domenii. Cine a fost printre fondatorii acestei științe, cui îi datorează timpurile moderne apariția și dezvoltarea?

Puțină istorie

Termenul " cibernetică» introdus în circulaţia ştiinţifică Fizicianul francez Ampereîn anii 30 ai secolului al XIX-lea. Conform definiției lui Ampere, este vorba despre managementul eficient al statului, al cărui scop principal este satisfacerea nevoilor locuitorilor săi.

Cibernetică cum a început știința în anii 1940. Acesta a combinat cunoștințele teoretice și cercetarea din mai multe domenii:

inginerie mecanică;
sisteme de control;
modelare logica;
teoria circuitelor electrice;
neurologie.

În ciuda faptului că Ampere a fost primul care a definit-o, nu el a fost cel care a pus bazele ciberneticii. Fondatorul mișcării științifice este considerat a fi un om de știință din. Istoria ciberneticii în sensul modern a început în 1948, când a fost publicată lucrarea lui Wiener cu același nume, care a devenit fundamentul unei noi direcții în știință.

Mașini de calcul de la mijlocul secolului XX s-au caracterizat prin performanțe scăzute. Norbert Wiener, a cărui zonă de interes și cercetare a inclus aceste mașini, a compilat în lucrarea sa o listă generală de cerințe pentru ele.

Omul de știință a prezis destul de precis cum se va dezvolta tehnologie informatică. În special, fondatorul ciberneticii a prezis tranziția de la sistemul zecimal la sistemul binar în dispozitivele de calcul.

El a considerat acest lucru un pas necesar pentru a crește viteza computerului, deoarece sistem binar este mai economic. Norbert Wiener a insistat, de asemenea, că mașinile ar trebui să fie capabile de auto-învățare și, ca rezultat, să corecteze în mod independent greșelile.

Pe lângă opera lui Wiener, lucrările lui William Ross Ashby, Warren McCulloch și William Walter. Acești oameni de știință, împreună cu Wiener, au fost cei care au pus bazele ciberneticii.

Înțelegerea modernă a științei

Termenul „cibernetică” a fost folosit pentru prima dată într-un context științific în lucrările oamenilor de știință din Grecia antică. Prin acest cuvânt ei au înțeles arta unui funcționar care conduce un oraș. Cu toate acestea, nici această definiție, nici definiția Andre-Marie Ampera, menționat mai sus, nu reflectă ideile moderne despre aceasta. În secolul al XX-lea, termenul a fost reinterpretat de oamenii de știință care au contribuit la formarea unei noi direcții științifice. De exemplu, Louis Couffignal a numit-o arta de a asigura eficacitatea acțiunii, iar Stafford Vere a numit-o știința managementului adecvat în orice agregat.

Important! Oamenii de știință încă se ceartă despre ce este cibernetica. Nu există niciun acord între ei cu privire la definiția științei lor care este cea mai corectă și mai exactă. Cel mai cunoscut este cel propus de Norbert Wiener.

Potrivit lui Wiener, aceasta este o știință care studiază tiparele generale de lucru cu informații în sisteme de control complexe. Ia în considerare patru operațiuni de bază cu informații:

primirea;
difuzare;
depozitare;
modificare.

Cibernetica ca știință, care a luat naștere la intersecția cercetării interdisciplinare, și-a găsit o aplicare largă atât în tipuri precise de cunoaștere, cât și în sfera socială.

Obiecte de studiu

Această știință studiază tot felul de sisteme gestionate, folosind conceptele unui sistem cibernetic și o abordare cibernetică.

Abordare cibernetică

Abordare cibernetică constă în înlocuirea sistemului de control inițial cu un model izomorf și studierea în continuare a acestui model. Pentru a implementa abordarea, se utilizează una dintre cele două metode de modelare: computer sau simulare. Ambele metode implică utilizarea unui principiu „cutie neagră”. Modelele experimentatorului activitati externe cel luat în considerare sisteme, iar structura sa, care reproduce caracteristicile comportamentale, rămâne ascunsă.

Abordarea cibernetică ne permite să studiem mai multe tipuri de modele de informații care diferă în cererile lor:

răspunsul sistemului la influența factorilor externi;
optimizarea performanței sisteme privind funcția de valoare;
control adaptiv;
prognoza dinamicii transformării sistemului.

Sistem cibernetic

Sistem cibernetic este un set de elemente interconectate capabile să primească, să prelucreze, să stocheze și schimb de informatii. Principalele proprietăți ale unor astfel de sisteme sunt: adaptarea, auto-organizarea și auto-învățarea folosind experiența acumulată.

Cibernetica în ansamblu consideră orice sisteme gestionateîntr-o formă abstractă, fără a lua în considerare natura lor materială, prin urmare sistemul poate fi atât un computer, cât și o societate sau grupurile sale individuale.

Direcții

Metodele cibernetice sunt utilizate în multe industrii:

Biologie. În cadrul ramurii biologice a acestei științe, studiem sisteme cibernetice în organisme. Oamenii de știință rezolvă, de asemenea, problemele transferului de informații genetice între generații de organisme vii. Într-un sens larg, cibernetica biologică se ocupă cu studiul metodelor de modelare a structurilor și comportamentului sistemelor biologice.
Medicament. Cibernetica în medicină ajută la diagnosticarea bolilor folosind tehnologia computerizată și este folosit pentru a crea proteze de înaltă tehnologie.
. Metodele acestei științe sunt folosite pentru a analiza întreaga economie și elementele sale individuale ca un sistem complex folosind modelarea economică și matematică.
Inginerie. Cibernetica în inginerie folosit pentru a analiza defecțiuni de sistem la scară largă cauzate de erori mici și nesemnificative.
Informatica. În informatică, metodele sale sunt folosite pentru analiza informaţiei şi managementul tehnologiei informatice.
Psihologie. În psihologie, există o direcție separată a ciberneticii psihologice, în cadrul căreia interacțiunea sistemelor de analiză, a sferelor conștiinței și a inconștientului este studiată în timpul interacțiunii oamenilor cu diverse sisteme, precum și între ele. În plus, această disciplină a influențat semnificativ dezvoltarea psihologiei muncii și a subtipurilor acesteia.

Se deosebește direcția ciberneticii pure, în cadrul căreia are loc studiul conceptual sisteme de control. Sarcina sa principală este de a descoperi principiile de bază ale unor astfel de sisteme.

Atenţie! Există o glumă binecunoscută despre universitatea de cibernetică nucleară, dar în momentul de față nu există nici o universitate, nici un domeniu precum cibernetica nucleară.

Realizări moderne și căi de dezvoltare

Schimbarea reperelor

Sfârșitul secolului al XX-lea a devenit o perioadă definitorie pentru cibernetica ca știință. La sfârșitul anilor ’60, această direcție a pierdut sprijinul comunității științifice și s-a confruntat cu problema alegerii unei alte căi de dezvoltare. Renașterea a avut loc în anii 70, când biologii au început să dezvolte un nou concept cibernetic aplicabil organizațiilor și sistemelor naturale neinventate de om. Istoria ciberneticii a primit o nouă direcție de dezvoltare.

În anii 1980, „ noua cibernetică„, care a studiat interacțiunea subgrupurilor politice și a elementelor care creează structura comunității politice. A fost dezvoltat un nou concept de informație - a devenit Şi considerată ca ceva creat de om în procesul de interacţiune cu mediul. Una dintre sarcinile principale ale noii cibernetici a fost de a rezolva contradicția dintre micro- și macroanaliză. Accentul s-a mutat de la sistemul gestionat la sistemul de control, precum și pe conexiunile intersistem.

Tehnologia cibernetică

Vorbind despre realizările practice, este necesar să remarcăm apariția unei direcții separate, care este asociată cu dezvoltarea și crearea. organisme cibernetice. În cea mai mare parte, tehnologia cibernetică a permis descoperiri în medicină și a îmbunătățit viața persoanelor cu răni și boli grave.

O etapă importantă în acest domeniu a fost inventarea și utilizarea pe scară largă a implanturi cohleare- îmbunătățesc percepția sunetelor la persoanele cu deficiențe de auz. Există și implanturi electronice pentru ochi, dar până acum sunt mai puțin frecvente datorită complexității producției și implantării la pacienți.

Tehnologiile cibernetice au făcut, de asemenea, posibilă crearea proteze bionice- bratele si picioarele artificiale care primesc si raspund la semnale de la sistemul nervos sunt implantate cu succes la pacientii cu membrele amputate.

În anii 2000, oamenii de știință americani au obținut rezultate interesante care au creat gândaci controlați prin conectarea electrozilor la nodurile nervoase ale insectelor. Astfel, au reușit să controleze zborul unuia dintre gândaci timp de o jumătate de oră.

Următorul obiectiv al oamenilor de știință este să creeze inimă artificială, care poate fi folosit ca implant. În 2011, medicii au reușit să implanteze o inimă similară unui pacient, dar după aceea a trăit doar o lună. Cercetările continuă, iar oamenii de știință cred că, în viitor, progresele în domeniul ciberneticii le vor permite să creeze un înlocuitor complet pentru orice organ uman.

Ce ne învață cibernetica?

Despre știința cibernetică

Concluzie

Cibernetica se ocupă de studiul sistemelor și este ea însăși un sistem deschis. Interacționează cu zeci de alte domenii științifice și este capabil să facă schimb de informații cu mediul. Prin urmare, această direcție științifică joacă un rol important în era informației.

A extins definiția pentru a include fluxuri de informații „din orice sursă”, de la stele la creier.

Conform unei alte definiţii a ciberneticii, propusă în 1956 de L. Couffignal (engleză), unul dintre pionierii ciberneticii, cibernetica este „arta de a asigura eficacitatea acțiunii”.

O altă definiție a fost propusă de Lewis Kaufman (engleză): „Cibernetica este studiul sistemelor și proceselor care interacționează cu ele însele și se reproduc.”

Metodele cibernetice sunt folosite pentru a studia cazul în care acțiunea unui sistem în mediu determină o oarecare modificare a mediului, iar această schimbare se manifestă asupra sistemului prin feedback, care determină modificări în modul în care se comportă sistemul. Studiul acestor „bucle de feedback” este locul în care se află metodele ciberneticii.

A apărut cibernetica modernă, incluzând cercetări în diverse domenii ale sistemelor de control, teoria circuitelor electrice, inginerie mecanică, modelare matematică, logică matematică, biologie evolutivă, neuroștiință, antropologie. Aceste studii au apărut în 1940, în principal în lucrările oamenilor de știință despre așa-numitul. Conferințele lui Macy (engleză).

Alte domenii de cercetare care au influențat sau au fost influențate de dezvoltarea ciberneticii: teoria controlului, teoria jocurilor, teoria sistemelor (analogul matematic al ciberneticii), psihologia (în special neuropsihologia, behaviorismul, psihologia cognitivă) și filosofia.

Sfera ciberneticii

Obiectul ciberneticii sunt toate sistemele controlate. Sistemele care nu pot fi controlate, în principiu, nu sunt obiecte de studiu ale ciberneticii. Cibernetica introduce concepte precum abordarea cibernetică, sistemul cibernetic. Sistemele cibernetice sunt considerate abstract, indiferent de natura lor materială. Exemple de sisteme cibernetice sunt regulatorii automati în tehnologie, calculatoare, creierul uman, populațiile biologice, societatea umană. Fiecare astfel de sistem este un set de obiecte interconectate (elemente ale sistemului) capabile să perceapă, să rețină și să proceseze informații, precum și să le schimbe. Cibernetica dezvoltă principii generale pentru crearea sistemelor de control și a sistemelor de automatizare a muncii mentale. Principalele mijloace tehnice de rezolvare a problemelor de cibernetică sunt computerele. Prin urmare, apariția ciberneticii ca știință independentă (N. Wiener, 1948) este asociată cu crearea acestor mașini în anii 40 ai secolului XX, iar dezvoltarea ciberneticii în aspecte teoretice și practice este asociată cu progresul electronicii. tehnologie informatică.

Teoria sistemelor complexe

Teoria sistemelor complexe analizează natura sistemelor complexe și motivele din spatele proprietăților lor neobișnuite.

În informatică

În calcul, metodele cibernetice sunt folosite pentru a controla dispozitivele și a analiza informațiile.

În inginerie

Cibernetica în inginerie este utilizată pentru a analiza defecțiunile sistemului, unde micile erori și defecte pot cauza defectarea întregului sistem.

În economie și management

La matematică

În sociologie

Poveste

În Grecia Antică, termenul „cibernetică”, desemnând inițial arta cârmaciului, a început să fie folosit în sens figurat pentru a desemna arta omului de stat care guvernează orașul. În acest sens, este, în special, folosit de Platon în Legi.

James Watt

Primul sistem artificial de reglare automată, ceasul cu apă, a fost inventat de mecanicul grec antic Ctesibius. În ceasul său cu apă, apa curgea dintr-o sursă, cum ar fi un rezervor de stabilizare, într-o piscină, apoi din piscină pe mecanismele ceasului. Dispozitivul lui Ctesibius a folosit un debit în formă de con pentru a monitoriza nivelul apei din rezervorul său și a regla debitul apei în consecință pentru a menține un nivel constant al apei în rezervor, astfel încât să nu fie nici supraumplut, nici drenat. A fost primul dispozitiv artificial, cu adevărat automat, autoreglabil, care nu a necesitat nicio intervenție externă între mecanismele de feedback și control. Deși în mod natural nu s-au referit la acest concept ca fiind știința ciberneticii (l-au considerat un domeniu al ingineriei), Ctesibius și alți maeștri antici precum Heron din Alexandria sau omul de știință chinez Su Song sunt considerați a fi printre primii care au studiat cibernetica. principii. Studiul mecanismelor la mașinile cu feedback corectiv datează de la sfârșitul secolului al XVIII-lea, când motorul cu abur al lui James Watt era echipat cu un dispozitiv de control, un regulator de feedback centrifugal, pentru a controla turația motorului. A. Wallace a descris feedback-ul ca fiind „necesar principiului evoluției” în celebra sa lucrare din 1858. În 1868, marele fizician J. Maxwell a publicat un articol teoretic despre dispozitivele de control și a fost unul dintre primii care a revizuit și a îmbunătățit principiile dispozitivelor de autoreglare. J. Uexküll a folosit mecanismul de feedback în modelul său de ciclu funcțional (german Funktionskreis) pentru a explica comportamentul animalului.

secolul XX

Cibernetica modernă a început în anii 1940 ca un domeniu de studiu interdisciplinar care combină sistemele de control, teoria circuitelor electrice, ingineria mecanică, modelarea logică, biologia evolutivă și neuroștiința. Sistemele electronice de control datează din munca inginerului Bell Labs Harold Black în 1927 privind utilizarea feedback-ului negativ pentru a controla amplificatoarele. Ideile au, de asemenea, conexiuni cu munca biologică a lui Ludwig von Bertalanffy în teoria generală a sistemelor.

Cibernetica ca disciplină științifică s-a bazat pe lucrările lui Wiener, McCulloch și alții precum W. R. Ashby și W. G. Walter.

Walter a fost unul dintre primii care a construit roboți autonomi pentru a ajuta la cercetarea comportamentului animalelor. Alături de Marea Britanie și Statele Unite, Franța a fost o locație geografică importantă pentru cibernetica timpurie.

Norbert Wiener

În timpul acestei șederi în Franța, Wiener a primit o propunere de a scrie un eseu pe tema combinării acestei părți a matematicii aplicate, care se regăsește în studiul mișcării browniene (așa-numitul proces Wiener) și în teoria telecomunicațiilor. În vara următoare, deja în Statele Unite, a folosit termenul de „cibernetică” ca titlu al unei teorii științifice. Acest nume a fost destinat să descrie studiul „mecanismelor cu scop” și a fost popularizat în cartea Cybernetics, or Control and Communication in the Animal and the Machine (Hermann & Cie, Paris, 1948). În Marea Britanie, Clubul Ratio a fost format în jurul acestui lucru în 1949. (engleză).

Cibernetica în URSS

sociologii olandezi Geyer și Van der Zouwenîn 1978, au identificat o serie de caracteristici ale noii cibernetici emergente. „Una dintre caracteristicile noii cibernetici este că vede informațiile ca fiind construite și reconstruite de oameni care interacționează cu mediul. Aceasta oferă baza epistemologică a științei atunci când este privită din punctul de vedere al observatorului. O altă trăsătură a noii cibernetici este contribuția acesteia la depășirea problemei reducerii (contradicții între macro și microanaliză). Astfel, conectează individul cu societatea.” Geyer și Van der Zouwen au mai remarcat că „tranziția de la cibernetica clasică la noua cibernetică duce la o tranziție de la problemele clasice la problemele noi. Aceste schimbări în gândire includ, printre altele, schimbări de la un accent pus pe sistemul gestionat la sistemul de control și factorul care ghidează deciziile de control. Și un nou accent pe comunicarea între mai multe sisteme care încearcă să se gestioneze reciproc.”

Eforturi recente în studiul ciberneticii, sistemelor de control și comportamentului în condiții de schimbare, precum și în domenii conexe precum teoria jocurilor (analiza interacțiunii de grup), sistemele de feedback în evoluție și studiul metamaterialelor (materiale cu proprietăți ale atomilor lor). constituenți dincolo de proprietățile newtoniene) au condus la o renaștere a interesului pentru acest domeniu din ce în ce mai relevant.

Oameni de știință renumiți

Ampere, Andre Marie (-)
Vyshnegradsky, Ivan Alekseevici (-)
Norbert Wiener (-)
William Ashby (-)
Heinz von Foerster (-)
Claude Shannon (-)
Gregory Bateson (-)
Klaus, Georg (-)
Kitov, Anatoly Ivanovici (-)
Lyapunov Alexey Andreevich (-)