КИБЕРНЕТИКА ТЕХНИЧЕСКАЯ
— направление кибернетики, в котором изучаются на основе единых для кибернетики в целом научных идей и методов технические системы управления. К. т. является современным этапом развития теории и практики автомат, регулирования и управления (см. Автоматического управления теория, Автоматика), а также научной базой для решения задачи комплексной автоматизации производства, транспортных и других сложных систем управления (ирригационные и газораспределительные системы, атомные электростанции, космические корабли и т. д.). Сложные системы управления, в которых как непременный элемент принимает участие человек-оператор, называют системами автоматизированными, в отличие от систем автоматических, функционирующих без непосредственного участия в них человека (см. Автомат). Проблема «человек—машина», в которой рассматриваются возможности рационального распределения функций между человеком и автоматически действующими устройствами, является в настоящее время одной из главных в К. т. (как и в кибернетике в целом). Именно вопрос об участии человека в системах управления в основном отличает интересы К. т. от интересов ее предшественницы — теории автомат, регулирования и управления. Наибольшее объединение функций человека и автомата достигается в киборгах («кибернетические организмы»), т. е. устройствах, в которых достигнута определенная степень симбиоза в физ. и интеллектуальных действиях человека и тех. средств автоматики. Киборги находят все более и более широкое применение при решении задач управления объектами, находящимися в таких
условиях, в которых человеку трудно или вовсе невозможно управлять ими непосредственно. Напр., киборги все шире применяют для управления некоторыми процессами в металлург. и хим. производствах, опасными по радиационному излучению процессами, происходящими в ядерных реакторах и ускорителях заряженных частиц, объектами в космическом и подводном пространствах и пр. (см. Робот, Робот промышленный, Манипулятор). Участие человека в управлении агрегатами и технологическими процессами, с одной стороны, и в административном управлении, с другой, также приводит к сращиванию этих двух сфер управленческой деятельности и к созданию единой «человеко-машинной» системы управления. Поэтому, кроме физиологических особенностей человека-оператора, существенное значение стало приобретать и его психологическое состояние, и это породило целую ветвь науч. исследований, именуемых психологией инженерной. Главной задачей этой ветви знаний является разработка методов использования знаний о поведении человека при проектировании и эксплуатации сложных человеко-машинных систем управления (или элементов этих систем) для достижения их максимальной эффективности.
При решении ряда задач управления тех. объектами (навигация судов и летательных аппаратов, создание измерительных и контрольных устройств, разработка читающих автоматов и др.) специалисты в области К. т. стремятся использовать все те пути и приемы, которые выработала природа в течение весьма длительного периода ее эволюционного развития, что и привело к формированию большого и самостоятельного науч. направления, именуемого бионикой. Это направление, в зависимости от конкретной области исследований, в свою очередь подразделяется на ряд частей и разделов (гидробионику, нейробионику и др.).
Одним из самостоятельных направлений К. т. является распознавание образов. Распознающие системы имеют большое научное и практическое значение, их применяют не только при создании читающих автоматов, но и при распознавании и анализе ситуаций, характеризующих состояние технологических процессов или физ. экспериментов, а также при разработке мед. автоматизированных диагн. устройств и т. д. К К. т. в определенной мере также относится и задача идентификации объектов управления, т. е. задача определения динамических характеристик управляемых объектов на основе наблюдения и измерения некоторых их координат (параметров) и внешних возмущающих воздействий (хотя эта задача является частной по отношению к проблеме распознавания образов). Разработка и исследование различных методов идентификации (детерминированных и статистических) представляет собой важное самостоятельное направление в К. т. То же можно сказать и о цикле исследований, проводимых в рамках К. т. в области теории прогнозирования, и разработку на ее основе автоматически действующих прогнозирующих устройств.
Характерной особенностью современного этапа развития К. т. является широкое использованве вычислительных устройств и вычислительных машин (аналоговых и цифровых) и при решенив исследовательских задач, и при создании различных тех. систем управления. Для создания автоматизированных систем управления предприятием (АСУП) и технологическими процессами (АСУТП) (а это задача весьма сложная и многогранная) необходимо применение тех или иных вычислительных средств. Научной базой при этом служат К. т., информации теория, системотехника и кибернетика экономическая, причем четкую грань между этими научными направлениями установить не всегда удается. Если ориентироваться на практику системотехнических научно-исследовательских работ, проводимых в последние годы, то условную границу между К. т. и системотехникой можно усмотреть в том, что в К. т. большее внимание уделяют нижним ступеням иерархической лестницы управления производством — агрегатам, технологическим процессам и цеховым системам (см. Иерархические системы управления), а в системотехнике уделяют внимание средним уровням управления (адмийистративному управлению предприятием, комбинатом или отраслью), а также решению задач автоматизации процессов проектирования и автоматизации сложных научно-экспериментальных работ (геофизическим и гидрофизическим исследованиям и т. д.).
Все уровни управления весьма тесно взаимосвязаны. Поэтому в современных системных исследованиях (см. Системный подход) к созданию той или иной системы управления подходят как к целостной проблеме, охватывающей все стадии ее создания (проектирование, разработку, изготовление, испытание, наладку, эксплуатацию и. даже консервацию, если эта стадия также существенна). При этом принимают во внимание и чисто тех., и административно-организационные, эконом., социальные, правовые и этические стороны этой целостной проблемы. Создание АСУП требует большой предварительной теор. и инженерной подготовки. Теоретическая подготовка сводится прежде всего к алгоритмизации производственных процессов, т. е. к созданию формальных (математических) и неформальных (эвристических) описаний самих управляемых объектов. Для этой цели используют спец. языки описания производственных процессов (GSL, GPSS, TSP, АЛКОПОЛ, ТЕХНОЛ, АЛТОС и т. д.). Кроме того, стремятся найти алгоритмы управления подсистемами и системой в целом.
Инженерная часть предварительной подготовки к созданию АСУП заключается в выборе стандартных или в разработке новых тех. средств (вычисл. машин, устройств отображения информации, пультов управления и т. д.), необходимых для функционирования АСУП. Насыщенность систем разнородными тех. устройствами привела к большой значимости
проблемы надежности функционирования АСУП (см. Надежность кибернетических систем), причем существенное значение приобретает автомат, контроль систем управления как одно из средств повышения надежности. При решении задачи повышения надежности и общей задачи повышения эффективности функционирования АСУП все больше внимания уделяют вопросам предоставления человеку-оператору необходимой обобщенной визуальной информации. С этой целью созданы различные средства отображения информации, учитывающие психофизиологические возможности человека и предоставляющие ему возможность активно и эффективно участвовать в процессе управления (знаковые индикаторы и специализированные экраны, действие которых основано на использовании оптоэлектроники, лазерных и люминесцентных приборов, голографии и т. д.). Вся эта современная техника систем индикации вместе с тех. средствами связи при создании АСУП приобретает не меньшее значение, чем и сама вычислительная техника, используемая в них. Объясняется это тем, что в большинстве такого рода систем управления нет необходимой для оптим. управления априорной информации и человек-оператор должен накапливать ее в процессе эксплуатации системы. Поэтому изучавшиеся в теории автоматического управления различные адаптивные системы (системы экстремального регулирования, самонастраивающиеся и самоорганизующиеся) имеют не меньшее значение и при разработке автоматизированных систем управления, являющихся осн. объектом изучения в К. т. В этом проявляется полная преемственность и в определенной мере даже совпадение задач теории автомат. управления и К. т. Это же утверждение относится и к многим другим ветвям научного аппарата, используемого в обоих этих разделах кибернетики. Прежде всего это относится к проблематике исследования динамических свойств изучаемых систем управления — устойчивости, точности управления, помехоустойчивости и т. д., т. е. к проблематике, являющейся главной в научном отношении и для теории автомат, управления, и для К. т., и определяющей их научное содержание.
Наличие человека в системе управления приводит к возникновению многих новых задач, рассматриваемых в К. т., которых раньше при изучении полностью автоматически действующих систем не могло возникнуть. В частности возникает необходимость изучать интеллектуальную деятельность человека в процессе управления (логическое описание его функционирования, программирование эвристическое, теоретико-множественные и абстрактноалгебраические методы описания целенаправленного поведения, процесса обучения и пр.). В связи с многообразием задач, возникающих при изучении человеко-машинных систем управления, возникает необходимость найти некоторые интегральные обобщающие методы исследования, с помощью которых можно было бы с единой точки зрения охватить многие из этих задач. Поэтому для К. т. большое значение приобретает систем общая теория или, более узко, абстрактная теория систем, и можно утверждать, что в настоящее время развитие К. т. идет по пути построения абстрактных моделей сложных систем управления и их изучения. Для этой цели используют различные отрасли знаний: семиотику математическую, множеств теорию, логику математическую, вероятностей теорию, абстрактную алгебру и т. д.
Язык теории отношений и абстрактной алгебры позволяет формализовать такие понятия, как цель, принятие решения, целенаправленное поведение, адаптация, обучение, самообучение, самоорганизация и пр. Логико-матем. язык, применяемый, напр., в форме логических схем алгоритмов, также позволяет с единой точки зрения описывать разнообразные сложные системы. Ими могут быть релейно-контактные схемы (см. Релейно-контактных схем теория) или схемы телефонной автомат, станции и т. д., но с помощью этого языка описывается и управленческая деятельность человека-оператора (диспетчера аэропорта, рулевого судна, водителя троллейбуса и т. п.). Описания сложных систем управления с помощью логических схем алгоритмов позволяют ответить только на некоторые общие вопросы, напр., обнаружить некоторые принципиальные преимущества самоорганизующихся систем управления по сравнению с обычными системами. Однако для выявления других свойств системы (точности, устойчивости и пр.) необходимо использовать иные уровни абстрактного описания систем. При этом стремятся найти такой матем. аппарат, который позволил бы охватить наибольшее число возникающих задач. Одной из наиболее удачных в этом отношении является обобщенная трактовка различных динамических задач, встречающихся в К. т., использующая стохастической аппроксимации метод или, в более общем случае, вероятностный итеративный метод. С помощью этого метода были рассмотрены с единой точки зрения такие, ранее казавшиеся совершенно разнородными, проблемы, как проблемы оптимальности, адаптации, обучения, распознавания образов, идентификации, фильтрации случайных процессов, надежности и др.
В К. т. и в кибернетике в целом большое значение приобретают методы решения задач, позволяющие преодолеть трудности, возникающие из-за наличия очень большого числа взаимодействующих элементов (подсистем), входящих в соответствующую сложную систему (см. Многомерные системы автоматического управления). «Проклятие большой размерности» (по образному выражению амер. математика Р. Веллмана) является камнем преткновения при решении задач устойчивости, оптимальности, распознавания образов, исследования конечных автоматов, при решении экономико-математических задач. Осн. два пути преодоления затруднений, связанных с большой размерностью задач, — это декомпозиции методы и методы агрегирования. Наряду с этой проблемой большое значение в К. т.
имеет и многокритериалъности проблема, заключающаяся в выборе компромиссного решения, т. е. в выборе таких значений управляющих воздействий, чтобы всякое оптим. решение, найденное для каждой из подсистем, было оптимальным (или субоптимальным) и для всей системы в целом. При этом возможны и теоретико-вероятностные, и игровые трактовки задачи. Однако, хотя аналитические методы изучения сложных систем и имеют большое значение для исследования реальных систем управления производством, транспортом и т. д., но во многих случаях их практически не удается применять из-за чрезмерной сложности задач, и поэтому в настоящее время наиболее универсальным путем для более детального изучения сложных тех. систем управления служат методы моделирования.
В отличие от традиционных методов моделирования аналогового, цифрового или гибридного (цифро-аналогового), широко распространенных при исследовании систем автомат, управления, при моделировании системы «человек — машина» создаются спец. моделирующие комплексы или даже моделирующие центры. В них, помимо аналоговых и цифровых вычисл. машин, включают различные устройства отображения информации, специализированные пульты, устр-ва связи и др. средства, позволяющие создать для человека-оператора условия функционирования, по возможности близкие к реальным.
Разработаны также специальные языки (СИ МУЛА, СИМСКРИПТ, RTL и др.), предназначенные для моделирования автоматизированных систем управления.
Таким образом, симбиоз автоматически действующих устройств и людей является, с одной стороны, осн. объектом исследований, проводимых в К. т., а с другой — это универсальное средство для моделирования действительно сложных тех. и других систем управления. Лит.: Ивахненко А. Г. Техническая кибернетика. К., 1962 [библиогр. с. 412—416]; Теория автоматического регулирования, кн. 1-3, ч. 1-2. М., 1967-69 [библиогр. кн. 1, с. 743-763; кн. 2, с. 653- 674; кв. 3, ч. 1, с. 588-604, ч. 2, с. 352—365]; Техническая кибернетика в СССР. М., 1968; Кибернетика и вычислительная техника, в. 1. Сложные системы управления. К., 1969; Цянь-Сюэ-Сэнь. Техническая кибернетика. Пер. с англ. М., 1956 [библиогр. с. 447—450]; Общая теория систем. Пер. с англ. М., 1966; Техническая кибернетика за рубежом. Пер. с англ. М., 1968; Исследования по общей теории систем. М., 1969. А. И. Нухтенко.
