Реферат на тему кинематики. реферат. Что такое кибернетика Устройство кибернетики
 Скачать 34.93 Kb.
|
|
Содержание: Что такое кибернетика Устройство кибернетики Сферы применения кибернетики Вывод: перспективы кибернетики Кибернетика — это междисциплинарная наука об общих закономерностях получения, хранения, преобразования и передачи информации в сложных управляющих системах, будь то машины, живые организмы или общество. Это попытка ученых создать общую математическую теорию управления сложными системами, совместить на первый взгляд несовместимое и найти общность там, где ее не может быть. Слово «кибернетика» впервые употребил Платон в диалоге «Законы» (4 в. до н. э.) для обозначения «принципов управления людьми». В научный оборот термин «кибернетика» ввел Андре-Мари Ампер. В научном труде «Опыт о философии наук» великий французский физик, математик и естествоиспытатель определил кибернетику как науку об управлении государством, призванную обеспечивать его жителям разнообразные блага. В том виде, в каком мы понимаем его сегодня, термин «кибернетика» ввел американский математик Норберт Винер в своей книге «Кибернетика, или Управление и связь в животном и в машине», опубликованной в 1948 году. Норберт Винер — один из выдающихся ученых XX века. Он обладает очень интересной судьбой, которая на самом деле свойственна многим ученым начала XX века. Уже в десять лет он окончил среднюю школу и в четырнадцать получил степень бакалавра Университета Тафтса по математике. К семнадцати годам он уже защитил свою кандидатскую диссертацию. И после того, как он защитил докторскую диссертацию, он отправляется в Европу, в Кембридж. К началу войны он уже приходит сформировавшимся математиком, который имеет достаточно хорошее признание. Винер понимает, что для решения многих практических задач нужно получать решения уравнений в частных дифференциальных производных, которые очень сложно получать аналитически. Но при этом, если мы будем получать их значения численно, то есть вычисляя эти уравнения разностными методами, они все равно потребуют достаточно большой объем вычислений. И поэтому он по просьбе своего руководителя готовит предложения по развитию вычислительных архитектур. Тогда ставка делалась либо на электромеханические релейные компьютеры, либо на аналоговые компьютеры, которые позволяли интегрировать эти уравнения и получать их решения. Но при этом ограничивающим фактором становится память, потому что в релейных компьютерах, в основной архитектуре того времени, память реализовывалась за счет перфокарт. То есть фактически мы как бы задавали начальные условия нашей задачи, кодируя их на перфокарте, загружали их в компьютер, компьютер их считывал, производил вычисления, и результаты вычислительных шагов он снова наносил на перфокарты. И поэтому если мы итерационно решали какую-то задачу, как бывает в решении дифференциальных уравнений численными методами, мы должны были снова загружать новые перфокарты. Процесс пробивания дырок в перфокартах и их считывания достаточно длительный. И Винер был одним из тех, кто предложил использовать быструю память тоже в виде электронных схем. В то же время становится заметным интерес Винера к моделированию и пониманию работы мозга.Он видел мозг как большой вычислитель и пытался понять, можем ли мы использовать информацию о том, как работает мозг, для того чтобы разработать новую компьютерную архитектуру. Здесь он вступает в сотрудничество с нейрофизиологами. Многие ученые тогда начинали с каких-то философских оснований науки, с попытки описать строгим образом основания математики, основания науки и затем переключались на попытку понять познание через понимание того, как мозг животных и человека познает мир. Тогда вышла работа Тьюринга, которая показывала, что любые вычисления, любые задачи, которые можно вычислить, можно представить в виде универсальной машины Тьюринга. К этому моменту Питтс и Маккаллок уже написали свою работу, которая является, можно сказать, одной из основополагающих для области искусственного интеллекта, которая называлась «Логическое исчисление идей имманентных в нервной активности». Что они сделали? В этой работе они показали, что если мы себе представим последовательность некоторых логических операций, как раз моделируя работу такой примитивной нейросети, то сможем при помощи этих операций выразить основные операции, которые будут эквивалентны машине Тьюринга. А значит, если нейроны реализуют функции таких логических вычислителей, то и мозг в целом эквивалентен машине Тьюринга, а следовательно, он может произвести любое вычисление, которое мы можем вычислить на машине Тьюринга. То есть фундаментальность этой работы как раз заключалась в том, что они как бы говорили: действительно, при таком подходе мозг можно рассматривать как некоторую универсальную машину. А значит, если мы теперь будем строить компьютер на таких логических функциях, то сможем получить такой же потенциал к вычислению, как и у мозга. Очевидно, что Винера это очень заинтересовало, потому что это пересекалось, во-первых, с его размышлениями о том, какой должен быть компьютер, а во-вторых, с его представлением о том, что нам нужно попытаться моделировать мозг, черпать идеи из того, как работает мозг, для того чтобы создать интеллектуальные системы. После войны Винер пишет книгу “Кибернетика”, где он говорит о создании нового научного направления, связанного с исследованием того, как информация передается в живом, машинах и обществе. И эти принципы передачи информации как раз и позволят нам построить новую науку адаптивных обучающихся систем. Забавно, что он долго пытался найти слово, которое бы подходило к названию этой науки. Поскольку в основе лежала идея, что это должно быть как-то связано с передачей информации, то он начал искать различные греческие слова. В частности, одним из вариантов было слово angels («посланник»). Но он от него отказался, потому что в западной культуре ангел — это посланник Бога, и непонятно, как бы эта наука называлась — анджелетика, ангелетика. Поэтому он нашел другое слово — cybernetice — это тот, кто управляет или правит чем-то, например лодкой или какой-то организацией, людьми. И он решил назвать новую науку кибернетикой. Основные принципы кибернетики: Как и в любой науке, у кибернетики есть свои законы и принципы. Основные из них — это принцип «черного ящика» и закон обратной связи. Принцип «черного ящика» позволяет рассматривать Устройство, систему или объект с точки зрения его входов и выходов, не зная о его внутренней работе , т.е. структура и механизм работы (которые очень сложны) неизвестны или неважны в рамках данной задачи. Иными словами, когда используют термин «черный ящик», имеют в виду систему, которая выполняет нужное преобразование информации, но при этом пользователя совершенно не интересует, как она это делает.  Закон обратной связи заключается в простом факте: без наличия обратной связи между взаимосвязанными и взаимодействующими элементами, частями или системами невозможна организация эффективного управления ими на научных принципах. Иначе говоря, для эффективной деятельности всей организации необходима входящая информация со стороны всех составных элементов. При этом принципы и законы кибернетики одинаково применимы к управлению автомобилем, крупным предприятием, поведением толпы или бионическим протезом. Одно из важнейших достижений кибернетики — разработка и широкое использование метода математического моделирования. Он позволяет проводить эксперименты не с реальными физическими моделями изучаемых объектов, а с их математическим описанием в виде компьютерных программ. Сферы применения кибернетики: Развитие кибернетики началось с активного и масштабного внедрения этой молодой науки во многие сферы жизни человечества. Основные направления кибернетики: Искусственный интеллект В виде отдельного исследовательского направления искусственный интеллект появился в середине прошлого века. Его основная цель – изучение работы и функционирования человеческого мозга с помощью математических методов анализа. В обобщённом смысле искусственный интеллект – это направление кибернетического управления, с помощью которого интеллектуальные виды деятельности человека моделируются при помощи машин и программного обеспечения. Искусственный интеллект также включает в себя и возможность выполнения творческих функций, которые считаются характерными только для человеческого мозга. Решения на основе искусственного интеллекта сегодня внедряются во все сферы нашей жизни: медицина, образование, политика, сельское хозяйство, банки, безопасность и другие. Другая сфера, которая тесно связана с искусственным интеллектом — робототехника. Медицинская кибернетика Второе по распространённости направление кибернетики – медицина и здравоохранение. Врачи-кибернетики работают в содружестве с клиническими врачами (терапевтами, неврологами, хирургами, психиатрами и пр.), а также с физиологами, биохимиками, фармацевтами, инженерами, математиками и другими специалистами, прямо или косвенно задействованными в медицинской отрасли. Основные направления медицинской кибернетики: Формирование информационных технологий в области здравоохранения: единая государственная система здравоохранения, электронные медкарты, электронные рецепты, телемедицина. Применение искусственного интеллекта в области здравоохранения: медицинские исследования и диагностики с применением компьютерных технологий, автоматическая расшифровка электронными вычислительными машинами медицинских снимков и изображений, прогнозирование состояния пациентов и развития болезней с помощью специализированных компьютерных программ. Создание и внедрение портативных индивидуальных аппаратов для диагностики состояния пациентов и передачи информации в медицинские центры в режиме онлайн. Создание и внедрение сложной, высокотехнологичной медицинской аппаратуры: томографов, ангиографов, радиоизотопных систем, аппаратов лазерной хирургии и микрохирургии. Организация исследований в области биологии и медицины: клиническая биоинформатика, исследование лекарственных средств и их взаимодействия с живыми организмами на молекулярном уровне, визуальное моделирование лекарственных препаратов. Математическое моделирование в медицине: моделирование физиологических процессов, моделирование пандемий и пр. Кибернетическая биология Эта наука исследует управленческие системы в живых организмах. В центре её анализа находятся принципы и способы адаптации животных и растений к окружающим условиям, а также передача информации на генном уровне от одного поколения к другому. Основные направления кибернетической биологии: Биоинженерия – наука, применяющая научные и исследовательские разработки в области медицины, биологии и инженерии для лечения заболеваний, укрепления здоровья, а также улучшения качества и продолжительности жизни. Бионика (иди другими словами биомиметика) – направление, основной целью которого является создание технологических аппаратов и устройств, при которых смысл их функционирования и составные элементы заимствуются у природы, а в дальнейшем применяются для решения задач, поставленных перед людьми. Синтетическая биология – наука, применяющая научные и исследовательские разработки в области молекулярной биологии, физики, химии и инженерии с целью использования инженерных технологий и методов для соединения различных молекулярных элементов (генов, белков и пр.) в новые структурные цепочки и системы. Биомеханика – наука, исследующая механические свойства и характеристики опорно-двигательной системы живых организмов. Научные исследования в этой области не так давно привели человечество к созданию искусственных суставов и протезов. Создание и развитие кибернетических организмов – биологических компонентов, внутри которых содержатся механические и электронные элементы. Техническая кибернетика Данное инженерное направление отвечает за изучение и автоматизированное управление комплексными динамическими техническими средствами: летающими транспортными средствами (самолётами, ракетами), автомобильными системами, технологичными промышленными агрегатами, морскими суднами, роботами и пр. Одно из основных направлений инженерной кибернетики – разработка автоматизированных информационных и измерительных устройств (например, датчиков, регистраторов, измерительных установок и пр.). Спортивная кибернетика Кибернетика в спорте получила развитие в двух главных направлениях: наблюдение за физическим состоянием спортсменов, исследование и анализ психологической подготовки игроков; исследование и создание стратегий и тактик игровой деятельности для командных спортивных игр и соревнований. Одним из первых математические методы и принципы кибернетики в спорте применил кандидат биологических наук, доцент Валентин Петровский, преподаватель кафедры легкой атлетики Киевского физкультурного института и тренер-новатор. В 1960 годах Петровский рассчитал математическую модель тренировок для спортсмена Валерия Борзова, который стал чемпионом мира по легкой атлетике. Экономическая кибернетика Это направление сформировано на стыке трёх наук: математики, экономики и кибернетики. Оно исследует движение информационных данных в экономике и их влияние на организацию экономических процессов. Основные инструменты и методики, применяемые в экономической кибернетике: математическое программирование, экономико-математическое моделирование, эконометрика. Своему зарождению и активному развитию в начале 50-х годов прошлого столетия это направление обязано Стаффорду Биру, британскому кибернетику, известному теоретику и практику в области исследования операций. С того времени появилось несколько основных ответвлений внутри этой науки: программные решения на основе искусственного интеллекта для поддержки и развития бизнеса; проектирование экономических механизмов и организаций (аукционы, конкурсы, госзаказы); управление знаниями; изучение информационных рынков. Социальная кибернетика Это направление получило своё широкое применение в социологии. Оно базируется на основных принципах кибернетического управления и общей теории систем. Социокибернетика как наука исследует законы функционирования самоорганизующейся социальной системы общества с целью формирования наиболее продуктивных моделей управления общественными процессами. Социокибернетика активно применяется при изучении и анализе поведения толпы, особенно в периоды массовых беспорядков, для выявления причин их возникновения и предложения эффективных методов их ликвидации. Правовая кибернетика Кибернетика также получила своё развитие и в области юриспруденции. Правовое кибернетическое управление применяется для исследования функционирования государственно-правовых систем с целью предложения моделей для автоматизации юридической деятельности и отдельных её направлений. Сегодня правовую кибернетику применяют для понимания и трактовки законодательных актов и анализа возможности их применения в частных случаях. Перспективы кибернетики Кибернетика как наука сегодня заполнила практически все сферы нашей жизни. Автоматизация сегодня становится непросто популярным удобством, а необходимостью, и это касается всего: от простейших приборов, ежедневно используемых нами в быту, до трудоёмких производственных процессов. Кибернетика лежит у истоков изобретения всех современных контролирующих систем и устройств, начиная от таймера в кофе-машине и заканчивая автоматами, управляющими атомными реакторами. В основе функционирования всех электронных приборов также лежат теоретические и практические принципы кибернетического управления. Вся современная компьютерная техника в виде стационарных машин, ноутбуков, сотовых телефонов, планшетов, игровых приставок, фитнес-браслетов создаётся на базе кибернетических знаний и математических методов. Продолжит своё развитие в будущем и область робототехники и искусственного интеллекта. Это позволит освободить человека от физической и умственной активности, передать машинам выполнение процессов, приносящих пользу и повышающих качество человеческой жизни. Литература: Рождение кибернетики. Кибернетика: история развития и применение в наше время. Что такое кибернетика и зачем она нужна? Закономерности и принципы кибернетики. |