Особенности кибернетического моделирования

Основы кибернетики заложил известный американский философ и математик профессор Массачусетского технологического института Норберт Винер (1894-1964) в работе «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине» (1948 г.). Слово «кибернетика» происходит от греческого слова, означающего «кормчий». Большая заслуга Н. Винера в том, что он установил общность принципов управленческой деятельности для принципиально различных объектов природы и общества. Управление сводится к передаче, хранению и переработке информации, т.е. к различным сигналам, сообщениям, сведениям. Основная заслуга Н. Винера заключается в том, что он впервые понял принципиальное значение информации в процессах управления. Ныне, по мнению академика А. Н. Колмогорова, кибернетика изучает системы любой природы, способные воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать её для управления и регулирования.

Существует известный разброс в определении кибернетики как науки, в выделении её объекта и предмета. Согласно позиции академика А. И. Берга, кибернетика представляет собой науку об управлении сложными динамическими системами. Основу категориального аппарата кибернетики составляют такие понятия, как «модель», «система», «управление», «информация». Неоднозначность определений кибернетики связана с тем, что разные авторы делают акценты на ту или иную базовую категорию. Например, акцентирование на категории «информация» заставляет рассматривать кибернетику как науку об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляемых системах, а предпочтение категории «управление» – как науку о моделировании управления различными системами.

Подобная неоднозначность вполне правомерна, ибо она обусловлена полифункциональностью кибернетической науки, выполнением ею многообразных ролей в познании и практике. При этом акцентирование интересов на той или иной функции заставляет видеть всю науку в свете этой функции. Такая гибкость кибернетической науки говорит о её высоком познавательном потенциале.

Современная кибернетика представляет собой неоднородную науку (рис. 1). Она объединяет в себе совокупность наук, которые исследуют управление в системах различной природы с формальных позиций.

Рис. 1. Структура кибернетики

Как отмечалось, кибернетическое моделирование строится на формальном отображении систем и их составляющих с помощью понятий «вход» и «выход», которые характеризуют связи элемента со средой. При этом каждый элемент характеризуется некоторым количеством «входов» и «выходов» (рис. 2).

Рис. 2. Кибернетическое представление элемента

На рис. 2 X_l, X₂,..., X_M схематично показаны: «входы» элемента,
Y_l, Y₂,..., Y_H – «выходы» элемента, а C_l, C₂,..., C_K – его состояния.

Потоки вещества, энергии, информации воздействуют на «входы» элемента, формируют его состояния и обеспечивают функционирование на «выходах». Количественной мерой взаимодействия «входа» и «выхода» выступает интенсивность, которая представляет собой соответственно количество вещества, энергии, информации на единицу времени. Причём, это взаимодействие непрерывное или дискретное. Теперь можно строить математические функции, которые описывают поведение элемента.

Кибернетика рассматривает систему как единство управляющих и управляемых элементов. Управляемые элементы называются управляемым объектом, а управляющие – управляющей системой. Структура управляющей системы строится по иерархическому принципу. Управляющая система и управляемая (объект) связаны между собой прямыми и обратными связями (рис. 3), а, кроме того, каналами связи. Управляющая система по каналу прямой связи воздействует на управляемый объект, корректируя воздействия на него окружающей среды. Это приводит к изменению состояния объекта управления, и он меняет своё воздействие на окружающую среду. Следует заметить, что обратная связь может быть внешней, как это показано на рис. 3. или внутренней, которая обеспечивает внутреннее функционирование системы, её взаимодействие с внутренней средой.

Рис. 3. Кибернетическая модель управления

Кибернетические системы представляют собой особый вид системы. Как отмечает Л. А. Петрушенко [18, с. 30], кибернетическая система удовлетворяет, по крайней мере, трём требованиям: «1) она должна иметь определенный уровень организованности и особую структуру; 2) быть, поэтому способной воспринимать, хранить, перерабатывать и использовать информацию, т.е. представлять собой информационную систему; 3) обладать управлением по принципу обратной связи. Кибернетическая система – это динамическая система, представляющая собой совокупность каналов и объектов связи и обладающая структурой, позволяющей ей извлекать (воспринимать) информацию из своего взаимодействия со средой или другой системой и использовать эту информацию для самоуправления по принципу обратной связи».

Определенный уровень организованности означает:

· интеграцию в кибернетической системе управляемой и управляющей подсистем;

· иерархичность управляющей подсистемы и принципиальную сложность управляемой подсистемы;

· наличие отклонений управляемой системы от цели или от равновесия, что приводит к изменению её энтропии. Это предопределяет необходимость выработки управленческого воздействия на неё со стороны управляющей системы.

Информация – основа кибернетической системы, которая её воспринимает, перерабатывает и передаёт. Информация представляет собой сведения, знания наблюдателя о системе, отражение её меры разнообразия. Она определяет связи между элементами системы, её «вход» и «выход». Информационный характер кибернетической системы обусловлен:

· необходимостью получения информации о воздействии среды на управляемую систему;

· важностью информации о поведении системы;

· потребностью информации о строении системы.

Различные аспекты природы информации изучали Н. Винер, К. Шеннон, У. Р. Эшби, Л. Бриллюэн, А. И. Берг, В. М. Глушков, Н. М. Амосов, А. Н. Колмогоров и др. Философский энциклопедический словарь даёт следующее толкование термина «информация» [25, с. 217]: 1) сообщение, осведомление о положении дел, сведения о чём-либо, передаваемые людьми; 2) уменьшаемая, снимаемая неопределённость как результат получения сообщения; 3) сообщение, неразрывно связанное с управлением, сигнал в единстве синтаксических, семантических и прагматических характеристик; 4) передача, отражение разнообразия в любых объектах и процессах (неживой и живой природы).

К наиболее важным свойствам информации следует отнести:

· адекватность, т.е. соответствие реальным процессам и объектам;

· релевантность, т.е. соответствие тем задачам, для решения которых она предназначена;

· правильность, т.е. соответствие способа выражения информации её содержанию;

· точность, т.е. отражение соответствующих явлений с минимальным искажением или минимальной ошибкой;

· актуальность или своевременность, т.е. возможность её использования тогда, когда нужда в ней особенно велика;

· всеобщность, т.е. независимость от отдельных частных изменений;

· степень подробности, т.е. детальность информации.

Любая кибернетическая система представляет собой элементы, которые связаны информационными потоками. В ней имеются информационные ресурсы, осуществляется приём, переработка и передача информации. Система существует в определённой информационной среде, подвержена информационным шумам. К наиболее важным её проблемам следует отнести: недопущение искажения информации при передаче и приёме (проблема детской игры в «глухой телефон»); создание языка информации, который был бы понятен всем участникам управленческих отношений (проблема общения); эффективного поиска, получения и использования информации в управлении (проблема использования). Комплекс этих проблем приобретает известную неповторимость и разнообразие в зависимости от специфики систем управления. Так, в информационных системах органов государственной власти, как отмечают Н. Р. Нижник и О. А. Машков, возникает необходимость разрешения таких проблем: создания службы информационных ресурсов органов государственной власти и государственного управления; создания правовой основы её функционирования; формирования инфраструктуры; создания системы информационного мониторинга; создания системы информационного сервиса [16, с. 141].

Обратная связь представляет собой вид соединения элементов, когда связь между входом какого-либо элемента и выходом того же самого элемента осуществляется либо непосредственно, либо через другие элементы системы. Обратные связи бывают внутренние и внешние (рис. 4).

Рис. 4. Внутренние и внешние связи в системе: