Реферат: Кибернетика

Реферат: Кибернетика

Глава 1. Предпосылки развития системных представлений

1.1.     Наука

Столкновение с новым – событие для человека и человечества. Для человека сложно то, что ново, что не укладывается в рамки установившихся понятий и не может быть объяснено на основании новых фактов и общепринятых законов. Теория относительности и квантовая механика изучаются сейчас в ВУЗах и в школе, а в 30-е годы не все даже самые крупные ученые могли понять основные идеи этих теорий. Потребовался длительный и мучительный путь, чтобы их освоить. Сейчас многие теории вошли в практику, при этом содержание их почти не изменилось, а восприятие упростилось.

Пример 1. Появление нового, более сильного хищника в районе обитания первобытного человека грозило катастрофой. Не имея средств и опыта борьбы, небольшая группа людей могла быть легко уничтожена, или погибнуть от голода, поскольку обычная их добыча могла стать добычей хищников. Система “живая пища - человек” преобразовалась в новую систему “хищник – жертва - человек” и стала более сложной. Дальней шее развитие системы могло пойти по разным путям. Человек и новый хищник могли совместно уничтожить продовольственную базу, а затем погибнуть. Хищник мог ослабить, а затем уничтожить людей, в результате возникла бы новая система “хищник - жертва”, которая могла стать стабильной. Человек мог уничтожить хищника и система пришла бы в первоначальное состояние, с той разницей, что человек, вооруженный новыми знаниями и новым опытом, стал бы более могущественным и расширил зону обитания.ÿ

В большинстве случаев события развивались именно так: человек приспосабливался к изменениям намного быстрее. Процесс приспособления требует концептуального, причинного и технологического объяснения: должно стать ясным, почему и как это происходит.

  Пример 2. Рассмотрим пример контакта с внеземной цивилизацией. Допустим, что группа космонавтов с уровнем знаний 30-х годов осуществила удачную посадку на другую планету. Группа состоит из физика, химика, биолога, геолога, инженера и медика. Предположим, что они нашли объект длиной 1 метр, неправильной формы, темного цвета.

Физик определил удельный вес, произвел спектральный анализ, обнаружил два десятка элементов (в том числе редких на Земле) в необычных пропорциях. Выявил, что структура гомогенна и схожа с кристаллической. Имеются поверхностные электрические потенциалы. Собственного внешнего электрического или магнитного поля нет. Обнаружить внутренние поля без разрушения объекта невозможно.

Химик установил, что вещество, скорее всего неорганическое, и нашел несколько десятков характеристик при помощи микро проб.

Геолог высказал ряд предположений о возможных вариантах тектонического образования предмета, главным из которых является то, что он не знает, что это такое.

Инженер не обнаружил движущихся частей и заявил, что это не машина и высказал предположения, что это – горная порода, или искусственный строительный материал, или электронная конструкция неизвестного назначения, или  остаток метеорита, или неизвестно что.

Биолог заявил, что в принципе не исключено, что это живое существо с кристаллической микроструктурой клеток и электронно-ионным обменом веществ. Ничего подобного на земле нет.

Медик заявил, что он не знает, опасен объект для людей, или нет.

Примерно так можно описать ситуацию контакта. Далее возникает вопрос, что делать. Дать геологу раздолбить объект и предпринять исследование кусков? Для физика и химика это приемлемо, но что если прав инженер и найденный объект – электронное устройство (например, на микросхемах, о которых в 30-х годах еще ничего не знали), тогда будет потеряно величайшее открытие. Или прав биолог, и мы уничтожим инопланетное живое существо, единственное в своем роде? А может это целая колония живых существ, общество, наконец – цивилизация?

Дискуссию можно продолжать долго, но ясно одно: никакая  разнородная группа узких специалистов не в состоянии справиться с проблемой, требующей особого подхода. ÿ

Еще недавно новые факты были редким явлением и входили  в компетенцию лишь ученых. Развитие науки и техники сделали столкновение с новым, неизвестным, непознанным - частым явлением. Важность нового от этого не уменьшилась, а возросла из-за интеграции новизны, увеличения ее влияния на практические стороны жизни. Последствия загрязнения атмосферы и воды, бесконтрольного применения гербицидов и антибиотиков, а также многие другие факторы человеческой деятельности нельзя предвидеть в узкоспециальных исследованиях.

В специальных исследованиях современной науки преобладают два метода: функциональный и анатомический. Оба связаны с вмешательством в исследуемый объект и могут нарушить его деятельность или изменить свойства. Анатомическое исследование предполагает нарушение целостности   объекта, исследование функций может привести к такому же результату. Во всяком случае, есть опасность зафиксировать не то, что происходит в нормальных условиях. История науки изобилует такими примерами.

Пример 3. Несмотря на многовековое развитие медицины, кровообращение было открыто всего около 350 лет назад, а последующие исследования не дали ответа на многие важнейшие вопросы. Известно, например, что мозг постоянно получает одно и то же количество крови. Чем бы человек ни занимался, день за днем, минута за минутой, поток крови не изменяется. Это уникальное свойство, так как в мышцах поток крови изменяется в пять, а то и десять раз в зависимости от физической нагрузки. Зачем нужна такая стабильность и как она осуществляется, никто не знает. ÿ

Отношение исследователя к объекту исследования может быть трех видов: созерцательное, экспериментальное и потребительское.

Пример 4. Астрономия долгое время была созерцательной наукой и накопила много сведений. На каком то этапе эти сведения стали полезными для кораблевождения и ориентации. ÿ

Как только техника достигла определенного уровня, человек стал экспериментатором. Эксперимент позволяет углубить познание и подготовить почву для применения. 

Всякий эксперимент вносит изменение в исследуемую систему. Информацию нельзя получить даром. Одно из условий эффективного эксперимента – проведение не возмущающего наблюдения, т. е. такого, при котором измерительные приборы незначительно изменяют физические свойства наблюдаемых величин.

Пример 5. Манометр, измеряющий давление газа, незначительно влияет на величину давления, но чем выше точность измерения, тем больше энергия взаимодействия измерительного прибора и измеряемого процесса, в результате чего наблюдение перестает быть не возмущающим. ÿ

В какой то мере наблюдение определяет будущее поведение системы.

Как ни сложно положение экспериментатора, позиция потребителя гораздо сложнее. Каждый ученый стремится как можно скорее практически использовать результаты исследований, хотя не всегда ясна область и последствия применения. Желание ускорить дело может привести к противоположным результатам, а недостаточная инициативность – к значительным потерям. Утилизация новых физических явлений дорого обходится человечеству, в то же время многое из того, что нас окружает, мы не используем в полной мере.

Можно привести много примеров того, как узость подхода тормозила применение вполне разработанных и перспективных идей.

Современная наука чрезвычайно дифференцирована. Углубленность в свою узкую область затрудняет взаимопонимание ученых; возникла профессиональная терминология, непонятная даже близким по профилю специалистам. Обилие научных фактов в каждой области настолько велико, что невозможно усвоить даже основные факты из нескольких областей. Эпоха универсализма давно закончилась, и наступила эпоха специализации.

Пример 6. В свое время прославленный французский писатель Бернарден де  Сен-Пьер, член  Института (Академии наук Франции) пожаловался Бонапарту, что в Институте к нему относятся без должного уважения. Бонапарт осведомился, знает ли  знаменитый писатель дифференциальное исчисление. Получив отрицательный ответ, Бонапарт дал понять, что член Института, не знающий дифференциального исчисления не достоин уважения. В середине XX века подобная требовательность никому бы не пришла в голову. ÿ

В настоящее время вряд ли существует математик, знающий все разделы математики. Специализация принесла огромную пользу, но вызвала и большие трудности. Главная из них – сложность всестороннего рассмотрения фактов, их объединение и интерпретация.

Физические явления, в которых число учитываемых переменных превышает несколько десятков (когда еще можно применить детерминистский подход и дифференциальные уравнения) или меньше нескольких сотен тысяч (когда становится допустимым статистический подход), не имеют адекватного описания. Мы до сих пор вынуждены объяснять принципиальные свойства живой материи особыми “биологическими законами”, которые оказываются оторванными от физических законов и не имеют строгих формулировок.

Выводы

1.         На современном этапе узкоспециальная ограниченность недопустима: слишком много возможностей остается скрытыми и слишком велики потребности человечества.

2.         Фундаментальные представления о строении вещества, об энергетических преобразованиях, о сущности развития, об отличии живого от неживого следует пересмотреть с позиций единства и цельности мира.

3.         Современная наука требует не только накопления знаний в специальных областях, но и интеграции наук на основе концепции, которая сохраняла бы преемственность и открывала перспективы, устанавливая взаимосвязь между структурой, устройством, организацией и свойствами, действием, поведением.

4.         Многосвязность явлений в природе требует единства подхода к исследованию разнообразных объектов. Специализация экспериментальных и теоретических методов в различных областях науки не должна мешать этому единству, но должна вытекать из него.

1.2. Техника

Создавать устройства с неизвестными ранее функциями намного труднее, чем исследовать готовые. Можно говорить о двух основных способах поиска новых идей: копировании природы и создании новых идей.

Первый способ ничего особенного не принес цивилизации. История техники свидетельствует, что очень многое человек открыл в природе после того, как изобрел это сам.

Пример 7. Никому не удавалось обнаружить звуковой локатор у летучей мыши, а некоторые особенности поведения этого животного, связанные с работой его локатора, игнорировались. ÿ

Пример 8. Архитекторы обнаружили и начали перенимать у насекомых изящные и остроумные конструкции сооружений после того, как до многих аналогичных идей дошли сами. ÿ

Почему так получилось? Желания и попыток копирования было много, причин неудачи две: непонимание и невозможность воспроизведения из-за примитивности технологии.

Пример 9. Медузы способны воспринимать инфразвуки, и это позволяет им чувствовать приближение шторма. Понять загадку медузы и построить прибор, действующий по аналогичному принципу, было невозможно без инфразвуковой техники. ÿ

Непонимание может касаться не сущности процесса, который используется, а способа использования.

Биологическая цивилизация шла по пути создания сложных гомогенных (клеточных) структур, в то время как машинная цивилизация развивалась на основе гетерогенных устройств (состоящих из различных по составу, форме и принципу действия элементов). Поэтому инженеру трудно понять и  воспроизвести биологическую структуру, а биологу не менее трудно посоветовать, как реорганизовать направление развития машинной технологии.

Итак, человек стал изобретать сам. Идя от простого к сложному, он на ощупь или с предвидением, ценой огромных усилий и потерь искал свой путь и построил свой мир – техносферу. Техносфера обладает огромной энергетической базой, которая имеет разные виды силовых полей и излучений. Диапазоны размеров технических устройств и сооружений простираются от одной миллионной метра (микросхемы) до миллионов метров (железные дороги), диапазон энергопотребления или энерговыделения от долей микроватта до миллионов мегаватт. Этот технический мир, в котором мы живем, относительно прост. Вся техносфера проще, чем организм любого млекопитающего, а любое устройство, механическое или электронное, проще единственной биологической клетки. Живая клетка имеет большую удельную (на единицу массы) управляемую энергию, более широкий спектр управления химическими реакциями, лучшую приспосабливаемость, более высокий КПД, лучшее самовоспроизведение. Человек создал благоприятные искусственные условия обитания. Но возросшие потребности человечества нельзя было бы удовлетворить, если бы прогресс шел традиционным путем, тем, которым он шел до середины XX века.

Выводы

В  технике наблюдается следующая картина.

1.   Отраслевые достижения требуют интеграции и обобщения.

2.   Функциональное усложнение машин, производственных комплексов, отраслей промышленности и техносферы в целом связано с учетом влияния тысяч, десятков тысяч, а иногда и миллионов факторов.

3.   Сооружение и применение новых технических систем высокого энергетического уровня  и высокой управляемости требует всестороннего анализа функций, возможностей и последствий.

4.   Перспективы развития техники (как и науки) требуют глубокого знания организации систем и процессов, умения так изменить организацию, чтобы направить развитие по желаемому пути.

1.3. Цели и задачи дисциплины введение в системологию

Системный подход к изучению различных явлений природы, проектированию новых технических объектов, является одним из перспективных направлений в современной науке и технике. Каждый достаточно сложный объект естественно представляется как система со своими элементами и связями, функциями и подфункциями в зависимости от целей исследования, существующая в надсистеме и окружающей среде.    Целью изучения дисциплины “Введение в системологию” является ознакомление с основными идеями и принципами системного подхода к моделированию сложных систем.

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

*            понятие системы, элемента и структуры системы;

*            основные методы описания сложных систем;

*            основные черты системного подхода к анализу объектов.

В результате изучения дисциплины студент должен уметь:

*            построить функционально-структурное описание системы; 

*             применить системный подход  к анализу заданной проблемной ситуации.

Вопросы

1.   Какие методы исследования преобладают в современной науке?

2.   Чем обусловлена важность новых факторов в науке?

3.   Какие выделяют типы отношения исследователя к объекту? Приведите примеры.

4.   В чем суть невозмущающего наблюдения? Приведите примеры.

5.   В каком случае эксперимент будет эффективным и почему?

6.   В чем заключается позиция потребителя при исследовании объекта?

7.   Почему в современной науке узкоспециальная ограниченность недопустима? Приведите примеры.

8.   Какие существуют способы поиска новых идей? Приведите примеры.

9.   В чем заключаются причины неудач в попытках копирования природы?

10.       Чем отличается биологическая цивилизация от техносферы?

11.       Какими причинами обусловлена необходимость системного подхода в технике?

12.        Что изучает системология?

Глава 2. основные определения

2.1. Модели и моделирование

Термин модель неоднозначен и охватывает широкий круг различных материальных и идеальных объектов. Любая модель, используемая в научных целях, на производстве или в быту, несет информацию о свойствах и характеристиках исходного объекта (объекта-оригинала), существенных для решаемых в данном конкретном случае задач.

Определение. Модель в общем смысле есть создаваемый с целью получения и (или) хранения информации специфический объект (в форме мысленного образа, описания знаковыми средствами, либо материальной системы), отражающий свойства, характеристики и связи объекта оригинала произвольной природы, существенные для задачи, решаемой субъектом.

Замечания по определению модели.

1.         Модель состоит из следующих компонент: субъект; задача, решаемая субъектом; объект-оригинал; язык описания или способ материального воспроизведения модели. Вне контекста задач понятие модели не имеет смысла.

2.         Каждому материальному объекту, вообще говоря, соответствует бесчисленное множество в равной мере адекватных, но различных по существу моделей, связанных с разными задачами.  

Пример. Один и тот же технический объект (например, гидронасос) при расчете его нагрузочных характеристик, тепловом расчете, оценке динамики, прочности или надежности представляется различными моделями. ÿ

3.         Паре (задача, объект) соответствует также множество моделей, содержащих в принципе одну и ту же информацию, но различающихся формами ее представления.

Пример. Некоторый физический эффект (например, преломление света) может быть охарактеризован аналитической формулой, графиком, таблицей, алгоритмом, программой для ЭВМ и т.д. Выбор формы описания определяется одним лишь фактором – удобством использования модели по ее прямому назначению. ÿ

4.         Модель – лишь приближенное подобие оригинала и в информационном смысле беднее последнего. “Точной” модели не бывает.

5.         Условия и требования задачи, решаемой субъектом, в основном определяют ограничения и допущения, которые явно или неявно фигурируют при построении модели.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6