Кибернетика биологическая
Киберне'тика биологи'ческая,биокибернетика, научное направление, связанное с проникновением идей, методов и технических средств в биологию. Зарождение и развитие К. б. связаны с эволюцией представления об в живой системе и попытками моделирования особенностей ее строения и функционирования (П. К. Анохин, Н. А. Бернштейн и др.). Эффективность математического и системного подходов к исследованию живого показали и многие работы в области общей биологии (ДЖ. Холдейн, Э. С. Бауэр, Р. Фишер, И. И. Шмальгаузен и др.). Процесс «кибернетизации» биологии осуществляется как в теоретической, так и в прикладной областях. Основная теоретическая задача К. б. - изучение общих закономерностей управления, а также хранения, переработки и передачи в живых системах.
Всякий организм - это система, способная к саморазвитию и управлению как внутренними взаимосвязями между органами и функциями, так и соотношениями с факторами среды. Стремясь понять природу живого, ученые часто старались отыскать в организме то, что можно было исследовать изолированно. Цель К. б. - изучение организма с учетом основных взаимосвязей начиная с клеточного, тканевого, органного уровня и кончая организменным. Живая система характеризуется не только обменом вещества и энергии, но и обменом информации. К. б. рассматривает сложные биологические системы во взаимодействии со средой именно с точки зрения теории информации. Одним из важнейших методов К. б. является моделирование структуры и закономерностей поведения живой системы; оно включает конструирование искусственных систем, воспроизводящих определенные стороны деятельности организмов, их внутренние связи и отношения (см. ). К. б. рассматривает живой организм как многоцелевую «иерархическую» систему управления, осуществляющую свою интегративную деятельность на основе функционального объединения отдельных подсистем, каждая из которых решает «частную» локальную задачу. Особенность организма как сложной динамической системы - единство централизованного и автономного управления. Саморегуляция, характерная для всех уровней управления живой системы, обеспечивается автономными механизмами, пока не возникают такие возмущения, которые требуют вмешательства центральных механизмов управления.
В последнее время всё большее внимание биологов привлекают функциональные характеристики биологических систем управления, обусловленные периодическими (ритмическими, циклическими) процессами. Живые организмы с высокой точностью способны «измерять» время ( ). Это выражается в периодических изменениях дыхания, температуры тела и др. процессов жизнедеятельности. Природа ещё во многом неясна, но есть все основания полагать, что периодичность - фундаментальная характеристика функционирования биологической системы и процессов управления в ней. Процессы, происходящие на каждом из уровней живой системы, характеризуются своей специфической периодичностью, определяемой как внутренними, так и внешними факторами. А между периодической активностью отдельных уровней в нормально функционирующем организме существуют определенные фазовые сдвиги (сдвиги во времени), обусловленные специфической организацией управления на каждом из уровней. Нарушение этих нормальных фазовых сдвигов может вызвать нарушение работы всей живой системы или ее части. Это ведет к сбоям в работе системы управления и накоплению ошибок, что можно описывать как появление «шумов». Коррекция сбоев требует внутренней перенастройки системы (ее алгоритма) либо внешних управляющих воздействий за счёт включения механизмов управления более высокого уровня.
Живые существа объединяются в системы разного порядка ( , и т.д.), образуя своеобразную иерархию живых систем. Во всех этих надорганизменных системах, как и в жизни клетки, развитии организма, эволюции органического мира в целом, имеются внутренние механизмы регуляции, для изучения которых также применимы принципы и методы К. б.
Механизмы управления определяют течение жизненных процессов не только в норме, но и в патологии (см. ). Клетка - сложная саморегулирующаяся система. Она обладает многими регуляторными механизмами, одним из которых являются колебания её структуры, связанные с деятельностью и совпадающие с колебаниями окислительно-восстановительных процессов. Синтез в клетке управляется генетически детерминированными механизмами, связанными с процессами хранения, переработки и передачи . Изучение жизнедеятельности организма в целом и его разных функций, а также механизмов, управляющих работой отдельных органов и систем - это та область, где К. б. оказалась наиболее результативной. В связи с этим сформировались самостоятельные направления - физиологическая кибернетика и нейрокибернетика, изучающие механизмы поддержания ; принципы саморегуляции функций организма и протекания в нем переходных процессов; закономерности нервной и гуморальной регуляции в их единстве и взаимодействии; принципы организации и функционирования нейронов и нервных сетей; механизмы осуществления актов поведения и др. проблемы. Изучая закономерности работы человеческого мозга, в основе которой лежит комплекс алгоритмов, т. е. правил преобразования информации, К. б. позволяет моделировать (в том числе и на ЭВМ) различные формы работы мозга, выявляя при этом новые закономерности его деятельности. Созданы, например, программы для ЭВМ, обеспечивающие возможность обучения, игры в шахматы, доказательства теорем и др. Развивается так называемое эвристическое программирование, когда исследуют и моделируют правила обработки информации в мозге при тех или иных творческих процессах.
Анализ механизмов индивидуального развития и процессов управления в популяциях и сообществах, включающих хранение, переработку и передачу информации от особи к особи, - также сфера исследований К. б. На уровне биогеоценозов, включая и в целом, К. б. пытается использовать метод моделирования для целей оптимизации биосферы, в частности для определения путей наиболее рационального вмешательства человека в жизнь природы.
Вопросы эволюции с позиций К. б. были впервые рассмотрены И. И. Шмальгаузеном, который отметил иерархичность управления, выделил основные каналы связи между особями, популяцией и биоценозом, определил возможности потери информации и ее искажений и описал эволюционный процесс в терминах теории информации. С этих же позиций исследуются механизмы различных форм отбора.
Примером применения К. б. в прикладных целях может служить создание устройств для автоматического управления биологическими функциями (так называемое биопротезирование), автоматических устройств для оценки состояния человека во время трудовой или спортивной деятельности, при творческой работе, в субэкстремальных и экстремальных условиях.
Использование методов и средств кибернетики для сбора хранения и переработки информации получаемой в ходе биологических исследований позволяет вскрывать новые количественные и качественные закономерности изучаемых процессов и явлений.
Большую роль в деле развития К. б. в СССР сыграли конференции совещания и симпозиумы по биологическим аспектам кибернетики по биоэлектрическому управлению, нейрокибернетике. Вопросы К. б. освещаются в ряде советских и зарубежны хжурналов.
Лит.:Анохин П. К., Физиология и кибернетика, в кн.: Философские вопросы кибернетики, М., 1961; Биологические аспекты кибернетики. Сб. работ, М., 1962; Эшби У. Р., Конструкция мозга, пер. с англ., М., 1962; Джордж Ф., Мозг как вычислительная машина, пер. с англ., М., 1963; Винер Н., Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине, пер. с англ., М.,1968; Бернштейн Н. А., Очерки по физиологии движений и физиологии активности, М., 1966; Анохин П. К. [и др.], Биологическая и медицинская кибернетика, в кн.: Кибернетику - на службу коммунизму, т.5, М., 1967; Брайнес C. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968; Шмальгаузен И. И., Кибернетические вопросы биологии, Новосибирск, 1968; Ларин В. В., Баевский Р. М., Геллер Е. С., Процессы управления в живом организме, в кн.: Философские вопросы биокибернетики, М., 1969; Аптер М., Кибернетика и развитие, пер. с англ., М., 1970; Hassenstein B., Biologische Kybernetik, Hdlb., 1970.
В. В. Парин, Е. С. Геллер.
Кибернетика медицинская
Киберне'тика медици'нская,научное направление, связанное с проникновением идей, методов и технических средств в медицину. Развитие идей и методов кибернетики в медицине осуществляется в основном в направлениях создания диагностических систем для различных классов заболеваний с использованием универсальных или специализированных ЭВМ; создания автоматизированного электронного медицинского архива; разработки математических методов анализа данных обследования больного; разработки метода математического моделирования на ЭВМ деятельности различных функциональных систем; использования математических машин для оценки состояния больного. Об истории развития и теоретических основах К. м. подробнее см. .
Внутренняя организация диагностической системы состоит из медицинской памяти (аккумулированный медицинский опыт в данной группе заболеваний) и логического устройства, позволяющего сопоставить с существующим медицинским опытом симптомы, выявленные при обследовании больного, а также быстро произвести сложную статистическую обработку клинического материала в любом заданном направлении.
Метод математического моделирования на ЭВМ деятельности разных функциональных систем организма позволяет раскрыть многие важные стороны их деятельности. Для выявления ряда закономерностей взаимодействия изучаемых систем по соответствующим параметрам, характеризующим функцию той или иной системы организма (например, сердечно-сосудистой), составляют математические уравнения. Решение этих уравнений позволяет судить о закономерностях исследуемой системы.
Математические машины используются для быстрой оценки состояния больного во время большой и сложной операции и в послеоперационный период. При таких операциях контроль за состоянием важнейших функций оперируемого осуществляют при помощи различных электронных приборов и аппаратов многие специалисты (физиолог, биохимик, гематолог и др.). Усилия врачей и математиков, работающих в области К. м., направлены на создание кибернетической системы, позволяющей в течение нескольких секунд оценить, сопоставить и интегрировать показания многочисленных приборов и указать правильное решение о принятии необходимых мер для восстановления жизненно важных функций больного.
Дальнейшее развитие К. м. направлено на разработку средств, существенно помогающих врачу и увеличивающих его логические и творческие возможности.
Лит.:Вишневский А. А., Артоболевский И. И., Быховский М. Л., Принципы построения диагностических машин, «Вестник АМН СССР», 1964, № 2, с. 42; Ларин В. В., Баевский Р. М., Введение в медицинскую кибернетику, М. - Прага, 1966; Быховский М. Л. Вишневский А. А., Кибернетические системы в медицине, М., 1971 (библ.); Биологическая и медицинская кибернетика, М.,1971.
А. А. Вишневский, С. Ш. Харнас.
Кибернетика техническая
Киберне'тика техни'ческая,научное направление, связанное с применением единых для идей и методов при изучении технических систем управления. К. т. - научная основа комплексной автоматизации производства, разработки и создания систем управления на транспорте, ирригационных и газораспределительных системах, на атомных электростанциях, космических кораблях и т.п. Проблема «человек - машина», охватывающая вопросы рационального распределения функций между человеком и автоматически действующими устройствами в сложных системах управления (в которых человек принимает непосредственное участие как обязательное звено системы), является одной из главных в К. т. Наибольшее объединение функций человека и автомата достигается в так называемых киборгах («кибернетических организмах»), то есть устройствах с высокой степенью симбиоза в физических и интеллектуальных действиях человека и технических средств автоматики. Киборги, так же как и роботы-манипуляторы, находят все более широкое применение при управлении объектами в недоступных или опасных для жизни человека условиях. Участие человека в работе автоматизированных систем управления привело к тому, что, кроме физиологических особенностей человека-оператора, существенное значение стало приобретать его психологическое состояние. Так возникло новое направление научных исследований, теснейшим образом связанное с К. т., - , важнейшей задачей которой является разработка методов использования психофизиологических особенностей человека при проектировании и эксплуатации сложных человеко-машинных систем управления.
При решении многих задач (таких, например, как навигация судов и летательных аппаратов, создание измерительных и контрольных устройств, разработка читающих автоматов и др.) специалисты в области К. т. стремятся использовать применительно к технике управления пути и приемы, выработанные природой; это привело к формированию большого самостоятельного направления, пересекающегося с К. т., - .
Одним из направлений К. т. является . Распознающие системы применяют не только при создании читающих автоматов, но и при распознавании и анализе ситуаций, характеризующих состояние технологических процессов или физических экспериментов, а также при разработке медицинских автоматических средств диагностики и пр. К К. т. относится и объектов управления, т. е. определение динамических характеристик управляемых объектов на основе наблюдения и измерения некоторых их параметров и внешних возмущающих воздействий. Разработка и исследование различных методов идентификации представляет собой самостоятельное направление в К. т. К К. т. можно отнести также и исследования в области теории прогнозирования и разработки автоматических прогнозирующих устройств.
Характерной особенностью развития К. т. в конце 1960-начале 70-х гг. является широкое использование вычислительной техники в технических системах управления и в том числе автоматизированных системах управления предприятием (АСУП). Создание таких систем - задача сложная и многогранная; ее научной базой служит К. т., , , , причем часто невозможно указать грань между этими научными направлениями. К. т. проводит исследования и решает задачи, относящиеся главным образом к нижним уровням управления производством (агрегатом, технологическим процессом и цеховой системой), а системотехника делает упор на средние уровни управления (административно-организационное управление предприятием, комбинатом или отраслью), а также на автоматизацию процессов проектирования и автоматизацию сложных научно-экспериментальных работ (например, при геофизических и гидрофизических исследованиях и т.п.). Все уровни управления тесно взаимосвязаны. Поэтому к созданию автоматизированной системы управления подходят как к единой целостной проблеме, комплексно решая задачи проектирования, разработки, изготовления, испытания, наладки и эксплуатации. При этом принимают во внимание как чисто технические, так и административно-организационные, экономические, социальные, правовые и этические аспекты этой целостной проблемы. Создание АСУП требует большой предварительной организационной и технической подготовки. Организационная подготовка - это прежде всего и составление управления подсистемами и системой в целом. Техническая подготовка заключается в выборе стандартных или (при необходимости) разработки новых технических средств (вычислительных машин, устройств изображения информации, пультов управления и т.д.), необходимых для эффективного функционирования АСУП.
Вследствие большой насыщенности систем управления разнородными техническими средствами возросло значение автоматического контроля как средства повышения надежности функционирования систем. Решение этой задачи, так же как и общей задачи повышения эффективности АСУП, в значительной мере связано с предоставлением человеку-оператору необходимой обобщенной визуальной информации. Для этой цели созданы различные средства отображения информации (знаковые индикаторы, мнемосхемы, световые табло, установка промышленного телевидения и специальные экраны, действие которых основано на использовании оптоэлектроники, голографии и т.д.) с учётом психофизиологических особенностей человека, предоставляющие ему возможность активно участвовать в процессе управления.
В большинстве технических систем управления отсутствует априорная информация, необходимая для оптимального управления, и человек-оператор должен накапливать её в процессе эксплуатации системы. Поэтому изучавшиеся в теории автоматического управления различные адаптивные системы имеют не меньшее значение и при разработке АСУП. В этом проявляется преемственность и даже некоторое совпадение задач теории автоматического управления и К. т. Это же утверждение относится к исследованию динамических свойств АСУП (устойчивости, точности управления и т.д.), т. е. к проблематике, определяющей научное содержание как К. т., так и теории автоматического управления.
Наличие человека в системе управления потребовало решения многих новых задач, которые при изучении систем автоматического управления (САУ) не возникали. В частности, появилась необходимость изучить интеллектуальную деятельность человека в процессе управления (логическое описание его функционирования, методы описания целенаправленного поведения, процесса обучения и пр.) В связи с многообразием задач, возникающих при изучении человеко-машинных систем управления, потребовалось найти обобщающие методы исследования, с единой тоски зрения охватывающие многие из этих задач. Поэтому в 70-х гг. К. т. стала развиваться в направлении построения и изучения абстрактных моделей сложных систем управления.
Большое значение в К. т. приобретают методы решения задач устойчивости, оптимальности, распознавания образов, исследования конечных автоматов, а также экономико-математических задач, основная трудность которых заключается в наличии очень большого числа взаимодействующих элементов (подсистем), входящих в соответствующую сложную систему. Основные пути преодоления этих затруднений - методы декомпозиции и методы агрегатирования. Большое значение в К. т. имеет также проблема многих критериев, заключающаяся в выборе таких значений управляющих воздействий, при которых всякое оптимальное значение, найденное для каждой из подсистем, было бы оптимальным (или субоптимальным) и для системы в целом. Аналитические методы изучения сложных систем имеют большое значение для исследования реальных систем управления производством, транспортом и т.д., но пока их практическое применение невозможно из-за чрезмерной сложности задач, и более универсальными для детального изучения сложных технических систем управления являются (на 1972) методы моделирования. В отличие от традиционных методов моделирования - аналогового, цифрового или гибридного (цифро-аналогового), широко распространённых при исследовании систем автоматического управления, при моделировании систем «человек - машина» создаются специальные моделирующие комплексы и даже моделирующие центры. В их состав, помимо аналоговых и цифровых вычислительных машин, входят различные устройства отображения информации, специализированные пульты, средства связи и др., позволяющие создать
для человека-оператора условия функционирования, наиболее приближённые к реальным.
Лит.:Ивахненко А. Г., Техническая кибернетика, К., 1962; Теория автоматического регулирования, кн. 1 - 3, М., 1967 - 69; Техническая кибернетика в СССР, М., 1968; Кибернетика и вычислительная техника, в. 1- Сложные системы управления, К., 1969; Воронов А. А., Основы теории автоматического управления, ч. 3, М. - Л., 1970; Цянь Сюэ-сэнь, Техническая кибернетика, пер. с англ., М., 1956; Общая теория систем, пер. с англ. М., 1968; Исследования по обшей теории систем, М., 1969.
А. И. Кухтенко.
Кибернетика экономическая
Киберне'тика экономи'ческая,научное направление, занимающееся приложением идей и методов кибернетики к экономическим системам. В расширительном и не совсем точном смысле часто под К. э. понимают область науки, возникшую на стыке и с экономикой, включая , исследование операций, , эконометрию) и математическую экономию. К. э. рассматривает экономику а также её структурные и функциональные звенья как системы, в которых протекают процессы регулирования и управления, реализуемые движением и преобразованием информации. Методы К. э. дают возможность стандартизировать и унифицировать эту информацию, рационализировать получение, передачу и обработку экономической информации, обосновать структуру и состав технических средств ее обработки. Именно такой подход определяет внутреннее единство и характер исследований в рамках К. э. Они служат, в частности, теоретической основой создания автоматизированных систем управления (АСУ) и систем обработки данных (СОД) в народном хозяйстве. В ряде стран соответствующие исследования ещё не выделены из проблематики , исследования операций, науки управления (management science), например в США и Великобритании, или , например, во Франции. К. э. пока находится в стадии становления. Впервые термин «К. э.» появился в начале 1960-х гг. в трудах В. С. , О. и X. Греневского (Польша), С. Вира (Великобритания). Они же наметили и основные направления развития этой новой науки, уделив особое внимание связи системного анализа экономики с теорией регулирования, логикой и . Однако многие существенные положения К. э. были сформулированы значительно ранее: представление экономики как системы содержится в (1758); оно было развёрнуто и научно обосновано в трудах К. Маркса и В. И. Ленина; принципиальное значение для К. э. имеют теория и практика планирования и управления народным хозяйством СССР и др. социалистических стран, особенно разработка комплекса показателей плана и стимулов его реализации; анализ потребностей и содержания информации в народном хозяйстве проводился экономической статистикой. В 50-х и 60-х гг. более широко разрабатывались прикладные вопросы создания СОД: обследование потоков данных и их рационализация, кодирование, организация обработки данных, что обеспечило эффективное использование ЭВМ в СОД (до этого они применялись для разовых расчетов и не использовались в режиме управления). Создавались более или менее абстрактные схемы регулирования экономических систем как иллюстрации теории автоматического регулирования. Все эти первоначально весьма слабо связанные исследования постепенно складывались в проблематику К. э. Ее внутренняя общность вырисовывалась по мере перехода от сравнительно небольших СОД на предприятиях и фирмах к анализу и проектированию информационных систем отраслевого и народно-хозяйственного уровня. Здесь потоки информации и обработка данных уже не могли рассматриваться обособленно от процессов планирования и управления социалистической экономикой в целом или процессов регулирования в капиталистической экономике. Особенно острым стал вопрос об информационном обеспечении крупных комплексов экономико-математических моделей. В качестве одной из центральных возникла проблема совмещения моделей управляемых объектов и моделей процессов управления как основы проектирования АСУ. От этого зависят возможности оптимизации системы управления, сочетающей разработку эффективных и оптимальных планов, обеспечение их реализации с удовлетворением определённых требований к характеристикам управляющего органа.
К. э. развивается по трём основным направлениям, которые все более тесно увязываются друг с другом. Теория экономических систем и моделей разрабатывает: методологию системного анализа экономики и ее моделирования, отражения структуры и функционирования экономических систем в моделях; вопросы классификации и построения комплексов экономико-математических моделей; проблемы экономического регулирования, соотношения и взаимного согласования различных стимулов и воздействий в функционировании экономических систем; вопросы поведения людей и коллективов. При исследовании этих проблем К. э. прежде всего опирается на политическую экономию и общую теорию систем, а также на социологию и теорию регулирования, обобщает результаты разработки экономико-математических методов и моделей. Теория экономической информации рассматривает экономику как информационную систему. Она изучает: потоки информации, циркулирующие в народном хозяйстве как коммуникации между его элементами и подсистемами, характеристики информационных каналов и передаваемых по ним сообщений; экономические измерения и вообще знаковые системы в экономике, т. е. языки экономического управления, включая разработку комплексов хозяйственных показателей, правил их расчёта (эти вопросы выделяются в экономическую семиотику); процессы принятия решений и обработки данных в информационных системах народного хозяйства на всех его уровнях и вопросы наилучшей организации этих процессов. Здесь К. э. тесно соприкасается с теорией информации, исследованиями по определению полезности или ценности информации,