Кибернетика. 9
Оглавление.
Кибернетика как наука, основные понятия кибернетик
Вклад кибернетики в научную картину мира
От хаоса к порядку. Синергетика как наука
Синергетические закономерности
Значение синергетики
для современной науки и
Вводная часть
Фронт современной науки простирается от сравнительно частных, конкретных концепций относительно различных областей физического и химического мира, до глубочайших теорий, охватывающих различные сферы природы, общества и технической деятельности человека. К последним следует отнести кибернетику и синергетику. Поражает дерзость новых наук. Первая посягнула на познание механизмов управления в разных системах. Вторая -на проблему самоорганизации самой материи, творения нового.
Рассмотрим различного рода системы, представляющие на первый взгляд смесь различных и далеко отстоящих друг от друга предметов и явлений. В мире есть "самодействующие" физические системы (от атома до планетарных систем и звездных ассоциаций), химические системы (например, органические соединения, биополимеры), биологические системы (растения, животное, человек), социальные системы (коллективы, отрасли производства, народное хозяйство, общество в целом). На самом деле, во всех этих системах есть общие свойства: способность к самодействию, подчиненность законам управления, процессы переработки информации, способность к самонастройке и самоорганизации и др. Изучением процессов управления в природе, обществе и технике и занимается наука кибернетика.
1. Кибернетика как наука, основные понятия кибернетики
Кибернетика - наука об общих
закономерностях процессов
Со сложными системами
управления человек имел дело задолго
до кибернетики (управление людьми, машинами;
наблюдал регуляционные процессы у
живых организмов и т.д.). Но кибернетика
выделила общие закономерности управления
в различных процессах и
Эволюция представления
об управлении происходила в форме
накопления, суммирования отдельных
данных. Кибернетика рассматривает
проблемы управления уж ком фундаменте,
вводя в науку новые
ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА - отрасль науки, изучающая технические системы управления. Важнейшие направления исследований разработка и создание автоматических и автоматизированных систем управления, а также автоматических устройств и комплексов для передачи, переработки и хранения информации.
К основным задачам кибернетики относятся:
1) установление фактов, общих
для управляемых систем или
для некоторых их
2) выявление ограничений,
свойственных управляемым
3) нахождение общих законов,
которым подчиняются
4) определение
путей практического
“Кибернетический” подход
к системам характеризуется рядом
понятий. Основные понятия кибернетики:
управление, управляющая система, управляемая
система, организация, обратная связь,
алгоритм, модель, оптимизация, сигнал
и др. Для систем любой природы
понятие "управление" можно определить
следующим образом: управление - это
воздействие на объект, выбранное
на основании имеющейся для этого
информации из множества возможных
воздействий, улучшающее его функционирование
или развитие. У управляемых систем
всегда существует некоторое множество
возможных изменений, из которого производится
выбор предпочтительного
Есть существенная разница
между работой дачника, орудующего
лопатой, и манипуляциями регулировщика
- "гибэдэдэшника" на перекрестке
улиц. Первый оказывает на орудие силовое
воздействие, второй - управляет движением
автомобилей. Управление - это вызов
изменений в системе или
Управлять - это и предвидеть
те изменения, которые произойдут в
системе после подачи управляющего
воздействия (сигнала, несущего информацию).
Всякая система управления рассматривается
как единство управляющей системы
(субъекта управления) и управляемой
системы - объекта управления. Управление
системой или объектом всегда происходит
в какой-то внешней среде. Поведение
любой управляемой системы
Чтобы управление могло функционировать, то есть целенаправленно изменять объект, оно должно содержать четыре необходимых элемента:
1. Каналы сбора информации о состоянии среды и объекта.
2. Канал воздействия на объект.
3. Цель управления.
4. Способ (алгоритм, правило)
управления, указывающий, каким образом
можно достичь поставленной
Понятие пели, целенаправленности.
Основатель кибернетики Н. Винер
писал, что "действие или поведение
допускает истолкование как направленность
на достижение некоторой цели, т.е. некоторого
конечного состояния, при котором
объект вступает в определенную связь
в пространстве и во времени с
некоторым другим объектом или событием"
(Кибернетика. М., 1968. С. 288). Цель определяется
как внешней средой, так и внутренними
потребностями субъекта управления.
Цель должна быть принципиально достижимой,
она должна соответствовать реальной
ситуации и возможностям системы (управляющей
и управляемой). За счет управляющих
воздействий управляемая
Понятие обратной связи. Управление
по "принципу обратной связи". Вели
между воздействием внешней Среды
и реакцией системы устанавливается
связь, то мы имеем дело с обратной
связью. Принцип обратной
связи характеризует
Понятие информации. Управление
- информационный процесс. информация
- "пища", "ресурс" управления.
Поэтому кибернетика есть вместе
с тем наука, об информации, об информационных
системах и процессах. Самый исходный
смысл термина "информация" связан
со сведениями, сообщениями и их
передачей. Бурное развитие в нашем
веке телефона, телеграфа, радио, телевидения
и других средств массовой коммуникации
потребовало повышения
В отечественной и зарубежной литературе предлагается много разных концепций (определений) информации:
информация как отраженное разнообразие,
информация как устранение неопределенности (энтропии),
информация как связь
между управляющей и
информация как преобразование сообщений,
информация как единство содержания и формы (например, мысль - содержание, а само слово, звук - форма),
информация - это мера упорядоченности, организации системы в ее связях с окружающей средой.
Общее понятие информации должно непротиворечиво охватывать все определения информация, все виды информации. К сожалению. такого универсального понятия информации еще не разработано.
Информация может быть структурной, застывшей, окостенелой. например, в минералах, машинах, приборах, автоматических линиях. Любая машина - это овеществленная научная и техническая информация, разум общества, ставший предметом.
Информация может быть также функциональной, " актуальным управлением". Информация измеримая величина. Она измеряется в битах.
Каковы свойства информации?
Первое - способность управлять
Информация существенно
влияет на ускоренное развитие науки.
систем управления, техники и различных
отраслей народного хозяйства. Политика,
политическое управление, экономика -
это концентрированная
Понятие самоорганизации. В современную науку это понятие вошло через идеи кибернетики. Процесс самоорганизации систем обусловлен таким неэнтропийным процессом, как управление. Энтропия -мера неорганизованности, хаоса. Энтропия и информация, как правило, рассматриваются совместно. Информация - это то, что устраняет неопределенность, количество "снятой" неопределенности. Тенденция к определенности, к повышению информативности - процесс негэнтропийный (процесс с обратным знаком).
Термин "самоорганизующаяся система" ввел кибернетик У. Росс Эшби для описания кибернетических систем. Для самоорганизующихся систем характерны:
1) Способность активно взаимодействовать со средой, изменять ее в направлении, обеспечивающим более успешное функционирование системы:
2)наличие определенной
гибкости структуры или
3)непредсказуемость поведения самоорганизующихся систем;
4)способность учитывать прошлый опыт или возможность научения.
Одним из первых объектов, к которым были применены принципы самоорганизации, был головной мозг.
Использование понятий и
идей кибернетики в вопросах физики,
химии, биологии, социологии, психологии
и других науках дали превосходные
всходы, позволили глубоко продвинуться
в сущность процессов, протекающих
в неживой и живой природе.
Нет никакого сомнения в том, что
грядущий XXI век и прогресс естествознания
и науки всей будет протекать
по линии изучения закономерностей
управляющих процессов в
2. Вклад кибернетики в научную картину мира
Кибернетика устранила ту принципиально неполную научную картину мира, которая была присуща науке XIX и первой половине XX века. Классическая и неклассическая наука строила представление о мире на двух фундаментальных постулатах - материя и энергия. Создавала вещественно- энергетическую, вещественно- полевую картину мира.
На постулатах о материи
и энергии строились
Фундаментальный характер информации
означает, что хаос не может быть
абсолютным. В любом хаосе существует
некоторый уровень
Кибернетика оказала революционизирующее
влияние на теоретическое содержание
и методологию всех наук. Она устранила
непреодолимые грани между
Кибернетика дала в руки человека сильнейшее оружие управления производством, обществом, инструмент усиления интеллектуальных способностей человека (ЭВМ). Современные ЭВМ (компьютеры) - универсальные преобразователи информации, а с преобразованием информации человек связан во всех областях своей деятельности (в политике, экономике, науке, профессиональной сфере и др.).
Философ Ф. Бекон писал, что "когда истина обнаружена, она налагает ограничения на мысли людей". На мир уже нельзя смотреть "докибернетическим взглядом". Новая наука -кибернетика- сформировала свой взгляд на мир. информационно-кибернетический стиль мышления.
3. От хаоса к порядку. Синергетика как наука.
В физической картине мира до 70-х годов XX века царствовали два закона классической термодинамики. Первый закон термодинамики (закон сохранения и превращения энергии) фиксировал всеобщее постоянство и превращаемость энергии. Закон констатировал, что в замкнутой системе тел нельзя ни увеличить, ни уменьшить общее количество энергии. Этот закон утверждал независимость такого изменения энергии от уровня организации животного, человека, общества и техники. Второй закон термодинамики выражает направленность перехода энергии, именно переход теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. Иногда этот закон формулируют так: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему. Этому могут способствовать только затраты дополнительной работы.
В соответствии с классическими физическими представлениями в замкнутой системе происходит выравнивание температур, система стремится к своему термодинамическому равновесию, соответствующему максимуму энтропии. В физической картине мира принцип возрастания энтропии соответствует одностороннему течению явлений, т.е. в направлении хаоса, беспорядка и дезорганизации. Один из основателей классической термодинамики Р. Клаузис в своей попытке распространить законы термодинамики на Вселенную пришел к выводу: энтропия Вселенной всегда возрастает. Если принять этот постулат как реальный факт, то во Вселенной неизбежно наступит тепловая смерть. С тех пор, как физика открыла этот процесс рассеивания, деградации энергии, люди чувствовали " понижение теплоты вокруг себя". Многие ученые не соглашались с выводами Клаузиса. В. И. Вернадский утверждал, что "жизнь не укладывается в рамки энтропии". В природе наряду с энтропийными процессами происходят и антиэнтропийные процессы. Многие учение высказывали сомнение по поводу распространения второго закона термодинамики на всю Вселенную.
Но в мире, как мы знаем,
не только господствует тяга к тепловой
или другой смерти. В мире постоянно
идет процесс возникновения нового,
эволюции и развития разного рода
систем. Согласно эволюционной теории
Дарвина, живая природа развивается
в направлении
Ответить на вопрос, как происходит эволюция и возникновение в природе, " решила" новая наука синергетика (совместно с новой неравновесной термодинамикой, теорией открытых систем).
Синергетика (греч. "синергетикос" - совместный, согласованно действующий) - наука, целью которой является выявление, исследование общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравноценных системах различной природы (физических, химических, биологических, экологических и др.). Термин "синергетика" буквально означает "теория совместного действия". Синергетика являет собой новый этап изучения сложных систем, продолжающий и дополняющий кибернетику и общую теорию систем. Если кибернетика занимается проблемой поддержания устойчивости путем использования отрицательной обратной связи, а общая теория систем - принципами их организации (дискретностью, иерархичностью и т. п.), то синергетика фиксирует свое внимание на неравновесности, нестабильности как естественном состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и неоднозначности путей их эволюции. Синергетика исследует типы поведения таких систем, то есть нестационарные структуры, которые возникают в них под действием внешних воздействий или из-за внутренних факторов (флуктуации).
Синергетика исследует организационный
момент, эффект взаимодействия больших
систем. Возникновение организационного
поведения может быт
Синергетика возникла в начале 70-х гг. XX века. До этого времени считалось, что существует непреодолимый барьер между неорганической и органической, живой природой. Лишь живой природе присущи эффекты саморегуляции и самоуправления.
Синергетика перекинула мост
между неорганической и живой
природой. Она пытается ответить на
вопрос, как возникли те макросистемы,
в которых мы живем. Во многих случаях
процесс упорядочения и самоорганизации
связан с коллективным поведением подсистем,
образующих систему. Наряду с процессами
самоорганизации синергетика
системах. Как правило, исследуемые системы являются диссипативными, открытыми системами.
Основой синергетики служит
единство явлений, методов и моделей,
с которыми приходится сталкиваться
при исследовании возникновения
порядка из беспорядка или хаоса
- в химии (реакция Белоусова -Жаботинского),
космологии (спиральные галактики), экологии
(организация сообществ) и т.д. Примером
самоорганизации в
Основы синергетики были заложены немецкий ученым Г. Хакеном ( автором книги "Синергетика" (М, 1980)), работами бельгийского ученого И. Пригожина и его группы. Работы Пригожина по теории необратимых процессов в открытых неравновесных системах были удостоены Нобелевской премии (1977).
Модели синергетики - это модели нелинейных, неравновесных систем, подвергающихся действию флуктуации. В момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно несколько устойчивых состояний, то флуктуации отбирают одну из них. При. анализе сложных систем, например, в биологии или экологии, синергетика исследует простейшие основные модели, позволяющие понять и выделять наиболее существенные механизмы "организации порядка" избирательную неустойчивость, вероятностный отбор, конкуренцию или синхронизацию подсистем. Понятия и образы синергетики связаны, в первую очередь, с оценкой упорядоченности и беспорядка - информация, энтропия, корреляция, точка бифуркации и др. Методы синергетики в значительной степени пересекаются с методами теории колебаний и волн, термодинамики неравновесных процессов, теории катастроф, теории фазовых переходов, статистической механики, теории самоорганизации, системного анализа и др.
Классическая термодинамика
в своем анализе систем отвлекалась
от их сложности и проблем
Немецкий физик Герман Хакен термином “синергетика” предложил обозначить совокупный, коллективный эффект взаимодействия большого числа подсистем, приводящих к образаванию устойчивых структур и самоорганизации в сложных системах.
Конечно, феномен перехода
от беспорядка к порядку, упорядочения
ученые знали и до этого. В качестве
примеров самоорганизации в неживой
природе можно привести авторегуляцию,
принцип наименьшего действия и
принцип Ле-Шателье. Было открыто
самопроизвольное образование на Земле
минералов с более сложной
кристаллической решеткой. В химии
известны процессы, приводящие к образованию
устойчивых структур во времени. Примером
является реакция Белоусова-
В физике явления самоорганизации встречаются от атомных объектов и кончая галактическими системами. Лично Г. Хакен считает маяком синергетики лазер. Атомы, внедренные в лазер, могут возбуждаться действием энергии извне, например, путем освещения. Если внешняя энергия недостаточна, лазер работает как радиолампа. Когда же она достигает мощности лазерной генерации, атомы, ранее испускавшие волны хаотично и независимо, начинает излучать один громадный цуг волн длиной около 300 000 км. Атомная антенна начинает осциллировать в фазе, и волны совершают как бы одно коллективное движение.
Биологические и социальные системы поддерживают упорядоченные состояния, несмотря на возмущающие влияния окружающей среды.
Синергетика исследует особые состояния систем в области их неустойчивого состояния, способность к самоорганизации, точки бифуркации (переходные моменты, переломные точки).
Синергетические закономерности
Как же синергетика объясняет процесс движения от хаоса к порядку, процесс самоорганизации, возникновения нового”?
1. Для этого система
должна быть открытой, и от
точки термодинамического
2. Фундаментальным условием
самоорганизации служит
3. В особой точке бифуркации
флуктуация достигает такой
4. Новые структуры, возникающие
в результате эффекта
5.Диссипативные структуры
существуют .тишь постольку, поскольку
система диссипирует (
4. Значение синергетики для науки н мировоззрения.
Действительно, возникнув
из неравновесной термодинамики, синтеза
естественнонаучных знаний, синергетика
ориентирует на раскрытие механизмов
самоорганизации сложных
Синергетика выявила бифуркационный
механизм развития, конструктивную роль
хаоса в процессах эволюции самоорганизованных
систем, механизм конкуренции виртуальных,
т. е. допустимых, возможных форм структур,
заложенных в системе. По своему воздействию
на современное мировоззрение идеи
синергетики равнозначны идеям
теории относительности и квантовой
механики. Синергетические понятия
применимы к любым
