Кибернетика для чего нужна

Кибернетика. Устройство и применение. Особенности и будущее

Кибернетика – наука, занимающаяся изучением способов управления в различных сложных системах. Ее появление было связано с развитием нейрофизиологии, техники и математики. Эта наука в основу своей деятельности включила изучение живых и не живых систем, в которых присутствовали структуры обратной связи. Всех их объединяла возможность воспринимать, сохранять и обрабатывать определенную информацию. К числу подобных систем можно отнести общество людей, компьютеры, мозг человека, автоматизированные регуляторы и тому подобное.

Основателем данной науки является Винер Норберт, виднейший ученый из США. В своих работах он сформулировал ее главные положения. Они охватывали вычислительную технику, электрические сети, теорию вероятностей, математику и ряд иных трудов. Кибернетический подход начал активно развиваться в 1940-е годы. В основе науки стали использоваться и другие направления: языкознание, медицина, биология, экономика и тому подобное. Благодаря ней эти и многие области знаний получили существенное развитие.

Кибернетика

Поня­тие «кибернетика» включает множество определений, однако они сходятся в одном: она представляет науку, исследующую закономерности построения систем сложного характера и особенностей их управления. В виду того, что практически каждый процесс управления базируется на базе полученных данных, то эту науку связывают с принципами доставки, хранения и переработки информации в указанных системах.

Особенность данной науки в том, что изучается не сам состав систем, а непосредственно итог их деятельности. Изучению подвергаются управляющие системы требуемой степени сложности. Но это не все системы, а только те, которые меняются или находятся в движении, то есть динамические системы.

К подобным системам можно отнести:

Но, изучая сложные системы динамического характера, не стоит задача определения всех особенностей их функционирования. Из вида, в частности, упускаются некоторые физические особен­ности построения системы. К примеру, при исследовании крупной электрической станции не стоит задача выяснить размеры генераторов, КПД станции, а также физические процессы образования электрической энер­гии и тому подобное.

В происходящих процессах главным является то, как конкретные устройства агрегата управляют отдельными элементами и выполняют конкретные логические функции. Если же рассматривать социально-экономические структуры, то здесь не важны биохимические или биофизические процессы, которые могут происходить в человеческих организмах.

Всеми вышеуказанными вопросами уже занимаются конкретные науки, среди которых физика, математика, биология, химия, электротехника и меха­ника. Кибернетика же исследует только структуры систем, которые отвечают за процессы управления, то есть сбор данных, их обработка, хранение и использование для последующего управления. В то же время некоторые физико-химические процессы могут входить в сферу интересов нашей науки, но только в том случае, если они напрямую касаются процессов управления.

Устройство

Кибернетика как наука развивается в различных направлениях. Она включает различные кластеры, которые выступают в качестве ее основы:

Применение

На данный момент кибернетика применяется в самых разнообразных сферах человеческой жизни, начиная от экономической и политической деятельности до генетического программирования. Особое направление уделяется созданию робототехнических систем. Благодаря внедрению в жизнь новейших технологий и производству продвинутых устройств, в числе которых малогабаритные приводы, миниатюрные датчики, новая элементная база, наука может двигаться вперед семимильными шагами.

Благодаря вышеперечисленному робототехника сегодня получила невероятный толчок. Сегодня роботы перестали быть сюжетом фантастических книг и кино, они существуют и развиваются. Появляются не только промышленные роботы, но и высокотехнологичные и умные робототехнические комплексы, которые с успехом применяются и в быту. На текущий момент они активно используются в промышленности, а в скором времени появятся серийные роботы для домашнего использования.

На данный момент это роботы преимущественно первого поколения, в которых заложен только жесткий алгоритм действия по конкретной команде. Тем не менее, их возможностей вполне хватает для осуществления многих целей. Сегодня появляются роботы второго поколения, в которых заложена функция адаптации к происходящим процессам. Подобные кибернетические системы могут приспосабливаться к изменениям, подбирая оптимальные действия. На данный момент большая часть подобных робототехнических систем только разрабатываются и проходят лабораторные испытания. Но самые простые экземпляры уже находятся в опытной эксплуатации.

Роботы третьего поколения будут иметь элементы искусственного интеллекта. То есть они смогут оценивать окружающую обстановку, ее изменение и сами принимать решение о своих последующих действиях, чтобы выполнить конкретно поставленную задачу. При этом робот сможет сам обучаться, накапливать опыт, чтобы использовать его в будущем.

Прогнозы на будущее

Кибернетика сегодня активно связана с информатикой. Во многом именно интернет становится той основой, на которой базируется эта наука. Сегодня интернет проникает в самые разные области жизни, в том числе робототехники. Ученые предполагают, что в скором времени кибернетические системы будут одной из главных составляющих окружающей среды и человека.

Через 5-10 лет активно будут применяться системы виртуальной реальности. Их можно будет встретить повсеместно: это медицина, школьное и университетское образование, строительство, инженерное проектирование и многое другое. К примеру, совершенно поменяются способы диагностики и лечения людей, в том числе методы обучения. Купив квартиру, можно будет надеть шлем виртуальной реальности и создать уникальный дизайн помещений, просто подбирая виртуальные краски, мебель, технику.

Через 10-20 лет наступит время искусственного интеллекта, который будет преобладать в многочисленных областях. Исчезнут многие профессии, в числе которых водители, проектировщики, секретари и многие другие. Автобусы, троллейбусы, грузовики и даже личные автомобили смогут ездить без водителя. Искусственный интеллект сможет самостоятельно ставить диагнозы, назначать лечение, проектировать мосты, здания, решать иные многочисленные задачи.

Через 50 лет. Искусственный интеллект будет повсеместно. Его возможности достигнут таких высот, что практически всем будет заниматься компьютер. Он будет снимать кино, продумывать распорядок дня человека, моментально лечить его, давать ему указания. Искусственный интеллект будет писать книги, сочинять музыку, заниматься научными и исследовательскими работами, строить машины, новых роботов, космические корабли, разрабатывать новые технологии и многое другое.

Источник

Робототехника и кибернетика: взаимосвязь и области применения

В наше время робототехника и кибернетика получили невероятный толчок. Теперь роботов можно встретить не только в промышленности, но и в доме, ресторанах и кафе, торговых центрах, медицинских и финансовых учреждениях. Что объединяет эти два понятия и где применяется кибернетика, узнайте в нашей статье.

Что такое кибернетика?

Кибернетика — это обширная область, охватывающая изучение систем, которые являются механическими, биологическими, социальными, физическими или когнитивными по своей природе. Основателем этой науки считается американский ученый Винер Норберт.

Кибернетика применима к системам, которые имеют замкнутые сигнальные контуры. В этом типе замкнутой системы сигнал, генерируемый внутри системы, запускает изменения в системной среде, и это изменение также запускает некоторые типы системных изменений. Следовательно, это замкнутый цикл, в котором действие и его реакция происходят в одной и той же системной среде.

Кибернетика повлияла на множество областей исследования, включая теорию систем, философию, теорию игр, контроль восприятия, архитектуру, искусственный интеллект и многие другие. Тем не менее, основная цель остается той же — изучение систем управления для всех основных механизмов.

Кибернетика и робототехника: в чем взаимосвязь?

Прежде, чем выявить взаимосвязь этих двух понятий, необходимо еще раз разобраться, что такое робототехника и кибернетика.

Кибернетика специально ориентирована на структуру управления людьми, а также на контроль над животными и роботами. Она больше связана с обработкой информации.

Робототехника — это механика и электротехника для создания этих искусственных систем. Она возникла на базе механики и кибернетики, породив новые отрасли развития этих наук. Например, в кибернетике это связано с бионикой и интеллектуальным управлением, а в механике — с многостепенными механизмами типа манипуляторов.

Техническая кибернетика

Техническая кибернетика представляет направление кибернетики, которое изучает технические системы управления на базе единых для кибернетики научных идей и методов.

Она является теорией и практикой автоматического регулирования и управления на современном этапе развития. Кроме того, техническая кибернетика — это научная база решения задач комплексной автоматизации производства, транспортных и других систем управления.

Её главная задача — создать различные автоматические устройства:

В свою очередь, техническая кибернетика делится на такие направления:

Кибернетика: области применения

Сегодня кибернетика охватывает самые разнообразные сферы нашей жизни: от экономики и политики до генетического программирования. Но особое внимание уделяется робототехническим системам. Ниже представлена таблица с основными отраслями, где применяется кибернетика.

Кроме того, кибернетика затрагивает архитектуру, дизайн и спорт. Так, она оказывала влияние на мышление в архитектуре и дизайне в течение десятилетий после Второй мировой войны. Модель кибернетики в спорте была представлена Юрием Верхошанским и Мелом Сиффом в 1999 году в их книге «Супертренинг»

Поиск ответов на многие нерешенные проблемы информации и управления, порождает всё новые области использования кибернетики. Наиболее перспективные из них — робототехника и искусственный интеллект, благодаря которым мир получает новые разработки. Несмотря на сегодняшние достижения, учёные ставят перед собой новые сложные задачи, например, соединить мозг человека с компьютером или создать совершенного робота с искусственным интеллектом.

Источник

Искусство управления всем: что такое кибернетика и зачем она нужна

Что такое кибернетика?

Кибернетика — это междисциплинарная наука об общих закономерностях получения, хранения, преобразования и передачи информации в сложных управляющих системах, будь то машины, живые организмы или общество. Это попытка ученых создать общую математическую теорию управления сложными системами, совместить на первый взгляд несовместимое и найти общность там, где ее не может быть.

Сло­во «ки­бер­не­ти­ка» впер­вые упот­ребил Пла­то­н в диа­ло­ге «За­ко­ны» (4 в. до н. э.) для обо­зна­че­ния «принципов управ­ле­ния людь­ми». В научный оборот термин «кибернетика» ввел французский физик и математик Андре-Мари Ампер, чьим именем мы измеряем силу электрического тока. В 1834 году в своем фундаментальном труде «Опыт о философии наук, или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний» он определил кибернетику как науку об управлении государством, которая должна обеспечить гражданам разнообразные блага.

В том виде, в каком мы понимаем его сегодня, термин «кибернетика» ввел американский математик Норберт Винер в своей книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном и в машине», опубликованной издательством MIT Press/Wiley and Sons в 1948 году. Он создал совершенно новую область исследований и совершенно новый взгляд на мир.

Уникальность его идей в том, что он показал: животные, как и машины, могут быть включены в более обширный класс объектов, отличительной особенностью которого 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 и Виктор Глушков и другие.

Основные принципы кибернетики

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

Принцип «черного ящика» ввел английский психиатр, специалист по кибернетике и пионер в исследовании сложных систем Уильям Эшби. Этот принцип позволяет изучать поведение системы, то, как она реагирует на внешние воздействия, и в то же время абстрагироваться от ее внутреннего устройства. То есть кибернетики соглашаются с когнитивными ограничениями человека и невозможностью понять всех состояний системы, которые она может принимать прямо сейчас.

Закон обратной связи заключается в простом факте: если есть объект управления и субъект управления, то для выработки адекватных управляющих воздействий, имея информацию о состоянии объекта, субъект может принимать адекватное решение по его управлению. То есть манипулируя входными сигналами, мы можем наблюдать некий результат работы системы на выходе. При этом принципы и законы кибернетики одинаково применимы к управлению автомобилем, крупным предприятием, поведением толпы или бионическим протезом.

Одно из важнейших достижений кибернетики — разработка и широкое использование метода математического моделирования. Он позволяет проводить эксперименты не с реальными физическими моделями изучаемых объектов, а с их математическим описанием в виде компьютерных программ.

Сферы кибернетики

Хоть и считается, что как наука кибернетика сегодня предана забвению, она успела породить много направлений:

Искусственный интеллект

Как отдельное направление исследований искусственный интеллект (ИИ) возник в середине XX века, в попытке понять организацию работы мозга с помощью математических методов.

Искусственный интеллект определяют как научное направление, в рамках которого ставятся и решаются задачи аппаратного или программного моделирования интеллектуальных видов человеческой деятельности. Кроме этого под ИИ понимают свойство интеллектуальных систем выполнять творческие функции, которые традиционно считаются прерогативой человека.

Решения на основе искусственного интеллекта сегодня внедряются во все сферы нашей жизни: медицина, образование, политика, сельское хозяйство, банки, безопасность и другие.

Другая сфера, которая тесно связана с ИИ — робототехника.

Медицинская кибернетика

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

Врачи-кибернетики работают в тесном содружестве с врачами-клиницистами (терапевтами, хирургами, реаниматологами, неврологами, реабилитологами и так далее), физиологами, биохимиками, математиками, инженерами и другими специалистами.

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

Чем занимается медицинская кибернетика:

Кибернетическая биология

Кибернетическая биология изучает кибернетические системы в биологических организмах с упором на то, как животные адаптируются к окружающей среде и как информация в форме генов передается от поколения к поколению.

Основные направления кибернетической биологии:

Инженерная кибернетика

Инженерная кибернетика — междисциплинарное исследование и автоматическое управление техническими динамическими системами, такими как роботы, самолеты, морские суда, 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 — научный подход к мониторингу физиологии игроков, оценки их психологического состояния, а также к изучению и разработке стратегии и тактики игр для командных видов спорта.

Одним из первых математические методы и принципы кибернетики в спорте применил кандидат биологических наук, доцент Валентин Петровский, преподаватель кафедры легкой атлетики Киевского физкультурного института и тренер-новатор. В 1960 годах Петровский рассчитал математическую модель тренировок для спортсмена Валерия Борзова, который стал чемпионом мира по легкой атлетике.

В 1975 году киевское «Динамо» выиграла у мюнхенской «Баварии» Суперкубок Европы по футболу со счетом 3:0. Это произошло благодаря работе тренера Валерия Лобановского, футбольного статиста Анатолия Зеленцова и футболиста и тренера Олега Базилевича. Они создали первый в мире постоянно действующий научный центр при команде «Динамо» в Киеве. Там разработали уникальные программы и методики моделирования учебно-тренировочного процесса, контроля и анализа соревновательной деятельности, моделирования стратегии и тактики игр. Сегодня работу профессиональных спортсменов различных спортивных направлений сложно представить без компьютерных технологий и математических методов анализа.

В 2017 году в России была создана Ассоциация компьютерных наук в спорте, объединившая ученых, в том числе математиков, физиологов, психологов, биомехаников, а также ИТ-специалистов, тренеров и спортивных врачей.

Экономическая кибернетика

Экономическая кибернетика — об­ласть нау­ки, которая изучает дви­же­ние ин­фор­ма­ции в эко­но­ми­ке и ее влия­ние на эко­но­мические про­цес­сы с учетом обратной связи. Воз­ник­ла на сты­ке ма­те­ма­ти­ки и ки­бер­не­ти­ки с эко­но­ми­кой и включает в себя ма­те­ма­ти­че­ское про­грам­ми­ро­ва­ние, ис­сле­до­ва­ние опе­ра­ций, эко­но­ми­ко-ма­те­ма­ти­че­ские мо­де­ли, эко­но­мет­ри­ку и ма­те­ма­ти­че­скую эко­но­мию.

В ка­че­ст­ве са­мо­сто­ятельного на­учного на­прав­ле­ния экономическая кибернетика поя­ви­лась в конце 1950 годов. Основателем экономической кибернетики считается британский теоретик и практик в области исследования операций Стаффорд Бир. С того времени она диф­фе­рен­ци­ро­ва­лась на мно­же­ст­во са­мо­сто­ятельных на­прав­ле­ний: сис­те­му ис­кус­ст­вен­но­го ин­тел­лек­та для под­держ­ки биз­нес-ре­ше­ний, тео­рию про­ек­ти­ро­ва­ния эко­но­мических ме­ха­низ­мов (кон­кур­сов, аук­цио­нов и так далее) и ор­га­ни­за­ций, ис­сле­до­ва­ния рын­ков ин­фор­ма­ции, а также ме­недж­мент зна­ний.

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

Бир использовал для анализа экономики Чили модели жизнеспособной системы (viable system model), основанную на принципах нервной системы человека. Он критиковал иерархический процесс принятия решений, когда управление осуществляется директивно при накоплении статичных данных. Вместо этого он предложил закольцевать процесс принятия решений, расположив между правительством и производствами специальный аппарат управления. Этот аппарат должен собирать и передавать информацию от работников руководству, контролировать и обеспечивать выполнение распоряжений, поддерживать саморегуляцию всей системы за счет распределения выделенных ресурсов относительно потребностей. Гибкость процесса управления гарантировала постоянная обратная связь. А ключевыми элементами становились коммуникация, адаптация и действие.

В 1973 году военные во главе с генералом Аугусто Пиночетом совершили переворот в Чили. Отказавшись от идей плановой системы свергнутого президента-социалиста Сальвадора Альенде, они закрыли проект Cybersyn.

Общегосударственная Автоматизированная Система сбора и обработки информации для учета, планирования и управлении народным хозяйством СССР — одна из первых глобальных сетей в мире для управления экономикой государства. Создавалась и разрабатывалась под руководством академика и кибернетика Виктора Глушкова в 1960–1980-х годах.

Целью ОГАС должен был стать перевод всего документооборота страны в электронный, безбумажный вид, возможность управления экономикой в том числе в режиме реального времени, оптимизация технологических, экономических и организационных процессов, реорганизация управления, создание индустрии информационных технологий. В первоначальном проекте предполагалась даже отмена бумажных денег и замена их электронными платежами.

Частично проект реализован в 1968 году как Автоматическая система плановых расчетов (АСПР), которая просуществовала до 1994 года. По некоторым данным, при переходе на новые компьютеры, комплекс программ АСПР и банк данных, хранившиеся на ЕС ЭВМ, просто не перенесли на новые носители.

Социальная кибернетика

Социальная кибернетика — раздел в социологии, основанный на общей теории систем и кибернетике. Задача ее состоит в том, чтобы изучить закономерности самоорганизующейся общественной 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 имени Уолтера Бакли за выдающиеся достижения в области социокибернетики.

Правовая кибернетика

Правовая кибернетика — научные исследования в сфере закономерностей оптимального функционирования государственно-правовых систем. Она решает задачи автоматизации юридической деятельности и ее отдельных видов. Сегодня правовая кибернетика активно используется для понимания различных законов и нормативных актов и того, как они могут применяться или не применяться в отдельных случаях.

Будущее кибернетики

Ожидания от кибернетики как научной дисциплины, которая сотворит революцию в обществе, в середине XX века были очень велики, но не все они смогли оправдаться. По мнению ученых, это произошло не из-за ограничений самой науки, а ограниченности специалистов, не сумевших реализовать потенциал кибернетических идей из-за их технологической и экономической несвоевременности. Спустя 70 лет у кибернетики есть все шансы реабилитироваться. Сегодня мы живем во времена, когда вычислительные возможности кажутся безграничными. Уже сейчас правительства и компании соревнуются, чтобы использовать преимуществами инноваций.

По мнению профессора Колледжа естественных наук Техасского университета Энди Эллингтона, в будущем люди начнут представлять собой нечто вроде новой «жизненной» формы, более связанной чем когда-либо с вычислительными устройствами. Достижения в области нейробиологии, электрохимии и синтетической биологии позволят нам подключаться к Сети напрямую.

Доктор биологических наук, профессор физического факультета и ведущий сотрудник Центра нейротехнологий ЮФУ Борис Владимирский считает, что интеграция мозга и кибернетики приведет к созданию виртуальной доли человеческого мозга. Она будет служить не только для распознавания образов или решения логических задач. Но и сообщать информацию, предлагать варианты разумного взаимодействия, отвечать на вопросы, а порой и задавать их.

Источник