Управление и информация

Важнейшую и решающую роль в создании и эволюции вычислительных систем сыграла наука «Кибернетика». Кибернетика сравнительно молодая наука, формирование которой началось лишь после второй мировой войны.

Своим появлением кибернетика обязана американскому ученому профессору Массачусетского технологического института Норберту Винеру. В своей книге «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», изданной в 1948 году, Н. Винер обосновал концепцию единого подхода к рассмотрению процессов управления в системах различной природы.

Сила этой концепции заключается в том, что оказалось возможным кроме общих рассуждений методологического характера предложить также мощный аппарат количественного описания процессов, для решения сложных задач управления, основанный на методах прикладной математики.

Кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления в системах любой природы.

Предметом изучения кибернетики являются информационные процессы, описывающие поведение этих систем.

Цель изучения — создание принципов, методов и технических средств для наиболее эффективных в том или ином смысле результатов управления в таких системах.

Можно приближенно разделить сферы наук следующим образом.

l Естественные науки — это науки, связанные с изучением закономерностей природы.

l Общественные науки — это науки, которые изучают закономерности развития человеческого общества.

l Кибернетические науки — это науки, связанные с исследованием закономерностей передачи и обработки информации в объектах, явлениях и процессах, происходящих в природе и обществе.

Основные особенности кибернетики как самостоятельной научной области состоит в следующем.

1. Кибернетика способствовала тому, что классическое представление о мире, состоящем из материи и энергии, уступило место представлению о мире, состоящем из трех составляющих: материи, энергии и информации, ибо без информации немыслимы организованные системы.

2. Кибернетика рассматривает управляемые системы не в статике, а в динамике, то есть в их движении, развитии, при этом в тесной связи с другими (внешними) системами. Это позволяет вскрывать закономерности и устанавливать факты, которые иначе оказались бы не выявленными.

3. Как бы детально и строго не старались изучать поведение сложной системы, никогда нельзя учесть полное множество всех факторов, прямо или косвенно влияющих на ее поведение. Поэтому всегда следует вводить различные ограничения, считаться с неизбежностью наличия некоторых случайных факторов, являющихся результатом действия этих неучтенных процессов, явлений и связей.

ПРИМЕЧАНИЕ

Кибернетика очень широко практикует именно вероятностные методы исследования, позволяющие хотя и не определенно, а в вероятностном аспекте, но строго и четко предсказать поведение сложных систем.

4. В кибернетике часто применяется метод исследования систем с использованием черного ящика.

Под «черным ящиком» понимается система, в которой исследователю доступна лишь входная и выходная информация этой системы, а внутреннее устройство неизвестно. Оказывается, что ряд важных выводов о поведении системы можно сделать, наблюдая лишь реакции выходной информации при изменении входной информации. Значение «черного ящика» в исследованиях трудно переоценить. Благодаря этому методу сделано множество крупнейших изобретений и открытий. «Черный ящик» незримо присутствует в любых серьезных исследованиях, при разгадке тех или иных явлений. Такой подход, в частности, открывает возможности объективного изучения систем, устройство которых неизвестно, либо слишком сложно, чтобы можно было вывести их поведение из свойств составных частей этих систем и структуры связей между ними.

ПРИМЕЧАНИЕ

Классический пример «черного ящика» - телевизор. Большинство людей, которые им пользуются, не имеют ни малейшего представления о том, как он устроен внутри. Но нажав кнопку включения телевизора (входная информация), они ожидают выходной информации – изображения и звука.

5. Очень важным методом кибернетики является метод моделирования.

Сущность метода, ставшего одним из самых мощных орудий развития науки и техники, состоит в замене интересующего нас объекта или процесса его моделью.

Модель — это другой объект, процесс или формализованное описание, более удобное для рассмотрения, исследования, управления, интересующие нас характеристики которого подобны характеристикам реального объекта. После такой замены исследуется не первичный объект, а его модель. Результаты этих исследований распространяются на первичный объект (конечно, с известными оговорками).

ПРИМЕЧАНИЕ

В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) создается физическая модель исследуемой системы.

В электронных цифровых вычислительных машинах (ЭВМ) при решении задач как раз и создается их абстрактная математическая модель. Математическая модель решения задачи на ЭВМ описывается программой ее решения.

Модель решения задачи в ЭВМ (программа) должна составляться так, чтобы обеспечить:

1. правильность решения, то есть соответствовать сущности решаемой задачи, не искажать ее содержания;

2. своевременность решения, то есть решение не должно формироваться тогда, когда надобность в нем отпала;

3. результативность решения, то есть должно вырабатываться конкретное конструктивное решение, а не указываться возможность решения вообще;

4. реалистичность решения — решение должно иметь возможность быть реализованным при заданных ограничениях (точность, время решения, затраты на его реализацию);

5. определенность, то есть должна вырабатываться вполне определенная, не допускающая неоднозначности результатная информация;

6. экономичность в отношении точности — нет смысла искать абсолютно точное сложное решение, если эта точность все равно не будет востребована (вполне достаточно получать решение достоверное, то есть с необходимой точностью).

Естественно, что для исследования сложных систем и решения задач управления, на которые и ориентирована наука управления — кибернетика, необходимы вычислительные машины. Поэтому в своей книге Н. Винер сформулировал свою концепцию построения, тогда еще не существующего класса ЭВМ с хранимой программой.

Информатика

Объект, подробно рассмотренный нами выше, изучает наука информатика. Но слово информатика неоднозначно, и следует различать информатику — науку, информатику — информационную технологию и информатику — отрасль промышленности. Рассмотрим, что понимается под всеми тремя значениями этого слова.

Наука информатика

Информатика — это наука, изучающая свойства, структуру и функции информационных систем, основы их проектирования, создания, использования и оценки, а также информационные процессы, в них происходящие.

Под информационной системой понимают систему, организующую, хранящую и преобразующую информацию, то есть систему, основным предметом и продуктом труда в которой является информация. Подавляющее большинство современных сложных информационных систем — автоматизированные, в частности, компьютеризированные; по своей природе они эргатехнические, в их функционировании принимают непосредственное участие и люди (эргатические элементы), и технические средства.

Информатика тесно связана с кибернетикой, наукой об управлении, но не заменяет ее, а имеет свою область исследования. Кибернетика изучает общие закономерности процессов управления в системах любой природы, абстрагируясь от конкретного вида и их специфики. Информатика же изучает общие свойства только информационных систем и процессов с предварительной их дифференциацией (управленческие, медицинские, обучающие, информационно-поисковые и т. д.).

Появление информатики вызвано осмыслением содержания и значения информации в системах управления, переходом:

l от автоматизации простых (рутинных) операций умственного труда к комплексной автоматизации элементов творческого процесса;

l от компьютерных систем, обрабатывающих информацию на синтаксическом уровне, так называемых систем обработки данных (СОД), к системам обработки знаний (СОЗ), осуществляющим логические выводы, осмысливающим преобразуемую информацию;

от баз данных — хранилищ информационных фактов, связанных структурно между собой заранее, к базам знаний, устанавливающих логические связи между фактами, применительно к конкретным целям и областям их использования.

Можно выделить такие основные направления исследований науки «информатика», как:

l теория алгоритмов и инженерия программного управления (разработка моделей алгоритмов, снижение сложности вычислительных процессов, оптимизация языков программирования, технологий создания и исполнения программ);

l теория вычислительных систем (совершенствование архитектуры и организации компьютеров и информационно-вычислительных систем разных классов);

l теория систем искусственного интеллекта (представление знаний, обработка знаний, базы знаний, экспертные системы, построение систем компьютерного обучения, в том числе и дистанционного);

l организация эффективных баз данных/знаний и систем управления базами данных/знаний;

l теория нейронных систем (нейрокомпьютеров, использования нейронных сетей для обучения);

l бионика (использование биотехнологий для оптимизации информационно-вычислительных систем);

l распознавание образов и компьютерная обработка видеоинформации;

l теория построения и управления роботами, планирование их целесообразного поведения;

l теория построения саморазвивающихся и самооптимизирующихся компьютерных систем;

l оптимизация «коллективного поведения» компьютеров в сложных системах;

l совершенствование информационных технологий поддержки принятия управленческих решений;

l оптимизация мультимедийных компьютерных систем и систем виртуальной реальности;

l построение эффективных интерфейсов «человек — машина», в том числе систем речевого ввода информации.

Все названные направления исследований непосредственно связаны с исследованием соответствующих компьютерных систем.