Кибернетика и синергетика – науки о самоорганизующихся системах

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 мировоззрения

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 уп­равления и передачи информации в технических, биологических и социальных системах. Она сравнительно молода. Её основателем яв­ляется американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу "Кибернетика, или управление их связь в животном и машине". Своё название новая наука получила от древнегреческого слова "кибернетес", что в переводе означает "управляющий", "руле­вой", "кормчий". Она возникла на стыке математики, теории информации, техники и нейрофизиологии, ее интересовал широкий класс как живых, так и неживых систем.

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 системах, а не их специфику. В “докибернетический” период знания об управлении и организации носили “локальный” характер, т.е. в отдельных областях. Так, еще в 1843 г. польский мыслитель Б. Трентовский опубликовал малоизвестную в настоящее время книгу “Отношении философии к кибернетике как искусству управления народом”. В своей книге “Опыт философских наук” в 1834 году известный физик Ампер дал классификацию наук, среди которых третьей по счету стоит кибернетика – наука о текущей политике и практическом управлении государством (обществом).

Эволюция представления об управлении происходила в форме накопления, суммирования отдельных данных. Кибернетика рассматривает проблемы управления уж ком фундаменте, вводя в науку новые теоретические “заделы”, новый понятийный, категориальный аппарат. В общую кибернетику обычно включают теорию информации теорию алгоритмов, теорию игр и теорию автоматов, техническую кибернетику.

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 совокупностей;

2) выявление ограничений, свойственных управляемым системам. и установление их происхождения;

3) нахождение общих законов, которым подчиняются управляе­мые системы;

4) определение путей практического использования установлен­ных фактов и найденных закономерностей.

“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 изменения. Если у сис­темы нет выбора, то не может быть и речи об управлении.

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 перевод системы из одного состояния в другое в соответствии с объективно существующей или выбранной целью.

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 всегда изучается с учетом ее связей с окружающей сре­дой. Поскольку все объекты, явления и процессы взаимосвязаны и влияют друг на друга, то, выделяя какой-либо объект, необходимо учитывать влияние среды на этот объект и наоборот. Свойством уп­равляемости может обладать не любая система. Необходимым усло­вием наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей уп­равления является ее организованность.

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 цели, располагая информаци­ей о состоянии среды и объекта.

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 сис­тема может целенаправленно изменять свое поведение. Целенаправ­ленность управления биологических управляемых систем сформиро­вана в процессе эволюционного развития живой природы. Она означает стремление организмов к их выживанию и размножению. Целе­направленность искусственных управляемых систем определяется их разработчиками и пользователями.

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 информационную и простран­ственно-временную зависимость в кибернетической системе. Если по­ведение системы усиливает внешнее воздействие, то мы имеем дело с положительной обратной связью, а если уменьшает, -то с отрицатель­ной обратной связью. Понятие обратной связи имеет отношение к цели управления. Поведение объекта управляется величиной ошибки в по­ложении объекта по отношению к стоящей цели. Яркий пример об­ратной связи - работа термопары в холодильнике.

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 эффективности про­цессов передачи, хранения и переработки передаваемых сообщении информации. "Докибернетическое" понятие информации связано с совокупностью сведений, данных и знаний. Оно стало явно непонятным, неопределенным с возникновением кибернетики. Понятие ин­формации в кибернетики уточняется в математических "теориях ин­формации". Это теории статистической, комбинаторной, топологи­ческой, семантической информации.

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 уп­равляемой системами,

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 физическими, химическими, биологическими и социальными процес­сами. Там, где есть информация, действует управление, а там, где осу­ществляется управление, непременно наличествует и информация. Вто­рое свойство информации - способность передаваться на расстоянии (при перемещении инфоносителя). Третье - способность информации подвергаться переработке. Четвертое - способность сохраняться в те­чение любых промежутков времени и изменяться во времени. Пятое свойство - способность переходить из пассивной формы в активную. Например, когда извлекается из "памяти" для построения тех или иных структур (синтез белка, создание текста на компьютере и т. д.).

Информация существенно влияет на ускоренное развитие науки. систем управления, техники и различных отраслей народного хозяй­ства. Политика, политическое управление, экономика - это концент­рированная смысловая информация, т. е. такая, которая перерабаты­вается человеческим сознанием и реализуется в различных социальных сферах. Она обусловлена политическими, экономическими потребно­стями общества и циркулирует в процессе управления производством и обществом. Социальная информация играет огромную роль в обес­печении правопорядка, работы правоохранительных органов, в деле образования и воспитания подрастающих поколений. Информация -неисчерпаемый ресурс общества. Информация - первооснова мира, всего сущего. Современным научным обобщением всех информаци­онных процессов в природе и обществе явилась информациология -генерализованная наука о природе информации и законах информа­ции.

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 адаптивного механизма, выработанного в ходе эволюции;

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 сложноорганизованных системах. Самоорга­низующаяся система - это познавательная модель науки XXI века.