Кибернетическая картина мира. Есть многое на свете, друг Горацио, что недоступно нашим
 Скачать 14.04 Mb.
|
|
М. Б. Игнатьев КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Учебное пособие Санкт-Петербург 2010 МИНИСТЕРСТво оБРАзовАНИЯ И НАУКИ РоССИйСКой ФЕдЕРАцИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИй ГоСУдАРСТвЕННый УНИвЕРСИТЕТ АэРоКоСМИЧЕСКоГо ПРИБоРоСТРоЕНИЯ УдК 004.9 ББК 32.81 И26 Рецензенты: главный научный сотрудник Института философии РАН, доктор философских наук, профессор Д. И. Дубровский; ученый секретарь Института проблем информатики РАН, кандидат технических наук, доцент В. Н. Захаров; заведующий кафедрой философии ГУАП, доктор философских наук, профессор В. Н. Михайловский Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Игнатьев М. Б. И26 Кибернетическая картина мира: учеб. пособие / М. Б. Иг- натьев. – СПб.: ГУАП, 2010. – 416 с.: ил. ISBN 978-5-8088-0581-1 Пособие посвящено вопросам и перспективам развития кибернетики, ин- форматики и системного анализа, особый упор делается на еще не решенные проблемы. Рассматриваются эволюция картины мира в связи с развитием науки и техники, новые методы моделирования сложных систем, робото- технические системы, вычислительные системы и сети, технология вирту- альных миров. Книга опирается на универсальный способ моделирования – лингво-комбинаторное моделирование слабо формализованных систем. Учебное пособие может быть использовано при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по дисциплинам «История и методология развития вычислительной техники и информатики» и «Современные проблемы ин- форматики». УдК 004.9 ББК 32.81 © Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП), 2010 © М. Б. Игнатьев, 2010 ISBN 978-5-8088-0581-1 3 «Есть многое на свете, друг Горацио, что недоступно нашим мудрецам». У. Шекспир ПРЕдИСЛовИЕ Преподавание дисциплин «История и методология развития вы- числительной техники и информатики» и «Современные проблемы информатики» является важным элементом подготовки специали- стов в области информационных технологий в условиях их быстро- го развития, когда компьютер стал самой распространенной маши- ной и сложился сетевой человекомашинный интеллект. Имеется ряд книг по истории развития вычислительной техники, среди которых следует особо отметить монографию коллектива авторов под редакцией в. С. Бурцева, изданную к 100-летию С. А. Лебеде- ва (Сергей Алексеевич Лебедев. – М.: Физматлит, 2002. – 440 с.). Но в настоящее время отсутствует обобщающее учебное пособие по вышеуказанным дисциплинам, которые опираются на системный анализ, кибернетику и информатику. Попытку восполнить этот пробел делает автор в данном пособии. основополагающие модели системного анализа вольно или не- вольно заимствованы из трех областей – биологии, экономики и анализа языка. в биологической проекции человекомашинные структуры выступают как структуры, имеющие функции, получа- ющие раздражения (как физиологические, так и социальные, меж- человеческие, культурные) и отвечающие на них, приспосабли- вающиеся, развивающиеся, подчиняющиеся требованиям своего времени и окружения, имеющие определенные условия существо- вания и возможность определить средние нормы приспособления, позволяющие им функционировать. в экономической проекции человекомашинные структуры вы- ступают как нечто, имеющее потребности и желания, ищущее их удовлетворения и имеющее интересы, добивающееся выгоды, противопоставляющее себя другим структурам, что проявляется в предельной ситуации конфликта. в результате устанавливается совокупность правил, которые одновременно являются и ограниче- ниями, и средствами преодоления конфликтов. в языковой проекции человекомашинное поведение проявляет- ся в своей нацеленности на высказывание чего-то, и все, даже са- 4 мые незначительные жесты, получает смысл. все, что окружает че- ловекомашинные системы: объекты, ритуалы, привычки, речь, – вся эта сетка следов складывается в связный ансамбль, в систему знаков. Таким образом, эти три пары: функция и норма, конфликт и правило, значение и система – покрывают область человекомашин- ных структур, области применения и развития компьютеров. Пособие состоит из пяти глав. в первой главе «Научная картина мира и ее эволюция» рас- сматриваются основные этапы эволюции картины мира вплоть до лингвистического поворота, который четко обозначился в конце ХХ в. вторая глава «Моделирование слабо формализованных систем» является центральной в пособии и базируется на разработанном ав- тором лингво-комбинаторном подходе к рассмотрению различных сложных систем. Третья глава посвящена робототехнике и искусственному ин- теллекту и отражает опыт автора в этой области, который с 1972 по 1991 г. был заместителем главного конструктора ГКНТ СССР по робототехнике. в четвертой главе рассматривается эволюция вычислительных систем и сетей на протяжении шести поколений с учетом опыта ав- тора в разработках многопроцессорных рекурсивных машин. Пятая глава посвящена отдельным аспектам построения и ис- пользования технологии виртуальных миров, она развивает мате- риал коллективной монографии «Архитектура виртуальных ми- ров» под редакцией М. Б. Игнатьева, А. в. Никитина и А. Е. вой- скунского, вышедшей в 2009 г. в приложении приводится важный учебный материал. во- первых, обзор развития бортовых вычислительных систем, напи- санный ведущими специалистами фирмы «электроавтоматика». во-вторых, статья по моделированию такой сложной системы как озеро. в-третьих, текст доклада по рекурсивным машинам, сделан- ный в 1974 г. в Стокгольме на конгрессе ИФИП, что было первым анонсированием советского компьютерного проекта на междуна- родном уровне и послужило основой сотрудничества с американ- ской фирмой Control Data Corporation. Настоящая книга написана как пособие при изучении курсов «История и методология развития вычислительной техники и информатики» и «Современные проблемы информатики», кото- 5 рые автор на протяжении ряда лет читал студентам-магистрантам 5-го курса Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения. в книге в основном отражают- ся нерешенные проблемы кибернетики, информатики и системно- го анализа, чтобы побудить студентов к разработке и исследованию нового. Автор будет благодарен за замечания по существу затронутых вопросов, которые можно присылать по адресам E-mail: kira@ robotek.ru, ignatmb@mail.ru Автор благодарит ректора ГУАП А. А. оводенко, проректора в. И. Хименко, профессоров Л. А. Мироновского, в. в. Михайлова, М. Б. Сергеева, Ю. Е. Шейнина, А. П. Шепету и всех сотрудников кафедры вычислительных систем и сетей за поддержку работы на различных этапах. 6 ВВеденИе электронные вычислительные машины появились в конце 40 – начале 50-х гг. ХХ в. сразу в нескольких странах – в США, Совет- ском Союзе, великобритании и др. за прошедшие пятьдесят лет параметры эвМ улучшились в миллион раз: увеличилось их бы- стродействие, выросли объемы памяти, уменьшились габариты, энергопотребление, стоимость. Сегодня компьютер – это самая рас- пространенная машина в мире, которая эффективно используется во всех сферах человеческой деятельности. Но информатика и вы- числительная техника возникли не на пустом месте, а на мощном фундаменте человеческой культуры, науки и техники. для того чтобы понять феномен возникновения и развития информатики и вычислительной техники и определить их перспективы разви- тия, необходимо разобраться в том, что такое сложные системы и как они развиваются во времени и пространстве, что такое парал- лельные миры. Ключевым понятием теории и практики сложных систем является самоорганизация. На основе компьютерных се- тей осуществляется новый этап самоорганизации человеческого общества. дух нашего времени пронизан идеей самоорганизации в самых разных аспектах, и автор надеется, что ему удалось от- разить этот дух времени, Zeitgeist. Главная цель настоящей ра- боты – подвести читателя к обсуждению еще не решенных задач и проблем. в 1948 г. вышла книга Норберта винера «Управление и связь в животном и машине», а в 1950 г. – его же книга «Кибернетика и общество», что знаменовало новый этап развития наук об управле- нии. в различных странах в зависимости от идеологии и социально- экономического развития отношение к кибернетике было раз- личным. На первых порах отношение к кибернетике в СССР было отрицательным, в философском словаре она была названа «лже- наукой». Лишь в конце 50-х гг. отношение к ней сменилось на вос- торженное. в этом заключается особенность развития кибернети- ки в нашей стране. в ноябре 1956 г. возникла секция кибернетики в Ленинградском доме ученых им. М. Горького. это была первая об- щественная организация по кибернетике в СССР – только в 1959 г. возник в Москве совет по кибернетике при Президиуме АН СССР во главе с адмиралом А. И. Бергом. Первым председателем секции ки- бернетики был профессор Л. в. Канторович, будущий академик АН СССР, лауреат Нобелевской премии по экономике. И это не было 7 случайностью – впоследствии именно лауреаты Нобелевских пре- мий по экономике внесли наибольший вклад в кибернетику. Если говорить об этапах развития кибернетики, то следует заме- тить, что впервые термин «кибернетика» был введен французским ученым Андре Мари Ампером (1775–1836) в его книге «опыт фи- лософских наук или аналитическое изложение естественной клас- сификации всех человеческих знаний» (1834 г.). в этой книге он высказал предположение, что со временем возникнет особая наука «кибернетика» об общих закономерностях процессов управления и связи в организованных системах. он отнес ее к группе полити- ческих наук, куда входили физико-социальные науки (социальная экономика и наука об общественном благополучии), военные нау- ки (гоплетика – наука о вооружениях и собственно военное дело), этногенические науки (номология – правоведение, учение о пра- ве, законодательство, политика – права народов и собственно по- литика). Следует отметить, что в 1830 г. Ампер был избран в чис- ло иностранных членов Императорской Академии наук в Санкт- Петербурге. в 1832 г. иностранным членом Императорской Академии наук в Санкт-Петербурге был избран Чарльз Беббидж (1791–1871), ан- глийский математик, который разработал фактически первую уни- версальную «аналитическую» вычислительную машину. Х. Г. Кранцентштейн (1723–1795), известный датский физик, механик и медик, впервые в мире построил механическую маши- ну, моделирующую работу речевого тракта. С 1748 по 1753 г. он работал в Санкт-Петербурге после избрания в 1748 г. действитель- ным членом Императорской Академии наук. Совсем недавно выяснилось, что в далеком 1832 г. Семен Нико- лаевич Корсаков написал интересную статью о классифицирую- щих логических машинах. С. Н. Корсаков служил в должности коллежского советника в статистическом отделении Министерства внутренних дел, его ценил Николай I. Немецкие ученые считают Корсакова русским пионером искусственного интеллекта. Конечно, проблемы управления волновали многих и до Ампера, логистика сложилась еще в древней Греции и древнем Риме, и по- этому логично говорить о доамперовском периоде развития наук об управлении и связи. в этом периоде необходимо отметить работы Раймонда Луллия по структурному анализу общества и первой ло- гической машине и Готфрида Лейбница по монадологии, которые во многом предвосхитили работы по многоагентным системам. 8 второй период развития кибернетики – от Ампера до винера, когда д. И. Менделеев осуществил прорыв в системном анализе, построив периодическую систему элементов, когда А. С. Поповым было изобретено радио, когда были реально созданы сложные си- стемы автоматического регулирования и т. д. в 1833 г. профессор Кембриджского университета Ч. Беббидж разработал проект «аналитической машины» – гигантского ариф- мометра с программным управлением, арифметическими и запо- минающими устройствами. в качестве первого программиста этой машины выступила леди Лавлейс, дочь поэта Байрона. однако тог- да полностью этот проект осуществить не удалось из-за недостаточ- ного развития техники. здесь необходимо отметить нашего соотечественника И. А. вы- шнеградского, который разработал теорию регуляторов прямого действия и сформулировал условие устойчивости системы регули- рования. И. А. вышнеградский, будучи министром финансов Рос- сии, добился балансировки бюджета и укрепления курса рубля. Также необходимо отметить работы А. Пуанкаре по качественной теории дифференциальных уравнений. в биологии благодаря рабо- там И. М. Сеченова и И. П. Павлова возникло четкое представление об организме как саморегулирующейся системе. окончание второ- го периода развития кибернетики ознаменовано началом атомной и космической эры. Третий период – от винера, когда именно в конце 40 – начале 50-х гг. ХХ в. появились электронные вычислительные машины и четко обозначились поколения эвМ, появились реально действу- ющие роботы, была определена структура гена и введено понятие мема. за 50 лет возникли мощные вычислительные сети, которые интегрируют все остальные средства коммуникации. Компьютер- ная инфраструктура продолжает развиваться. Практика создания и применения компьютеров значительно опережает теорию. в этих условиях говорить о теоретических основах информатики слож- но, но, с другой стороны, имеется много примеров неэффективного применения компьютеров, и необходимость выработки теоретиче- ских основ становится все острее. Четвертый период начался в 2000 г., когда стало ясно, что суще- ствующие модели в различных отраслях науки и техники недоста- точно отражают информационно-управляющие свойства структур. По сути, люди пользуются моделями XIX в. этот период характе- ризуется провозглашением новой стратегической компьютерной 9 инициативы США в XXI в., в которой предлагается новая трактов- ка структуры предметной области, Computational Science, которая должна объединить Algorithms, Modeling & Simulation, Computer Science& Information Science и Computing Infrastructure, а главной задачей определяется проведение научных исследований в широ- ком диапазоне – от биофизических процессов до исследования фун- даментальных физических основ формирования вселенной. в рос- сийской и европейской традиции все эти направления в настоящее время объединяются под названием «информатика» в расшири- тельной трактовке. эта книга написана в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения (ГУАП), кото- рый ранее назывался Ленинградским институтом авиационного приборостроения (ЛИАП) и был основан в январе 1941 г., что было необходимо для подготовки кадров в области авиации в условиях надвигающейся войны. Но уже тогда ЛИАП привлекался для раз- работки перспектив освоения космоса. Летом 1945 г. состоялась Потсдамская конференция победителей над фашистской Германи- ей, в конце этой конференции И. в. Сталин предложил обсудить планы освоения Луны, рядом с ним стояли два порученца с папка- ми соответствующих материалов – это были представители ЛИАП. Но тогда наши союзники заявили, что они не готовы рассмотреть эти космические проблемы и предложили их отложить на будущее, но уже в августе 1945 г. были сброшены атомные бомбы на Япо- нию, началась новая гонка вооружений и холодная война. Космос стал ареной соперничества США и СССР, который первым запустил спутник, и наш Ю. Гагарин был первым человеком, который по- бывал в космосе. Сотрудники ЛИАП участвовали во многих совет- ских космических программах, в том числе и лунной – по заказу фирмы в. П. Бармина была разработана и изготовлена шестиногая шагающая машина с компьютерным управлением для освоения Луны. в настоящее время в связи с построением информационного об- щества возникают совершенно новые фундаментальные проблемы по исследованию мироздания. все большую роль начинают играть работы наших ученых – в. И. вернадского, К. э. циолковского, А. Л. Чижевского и др. Родилось представление о том, что вселен- ная – это модель внутри большого суперкомпьютера, что позволя- ет использовать структурные достижения компьютерной техники для объяснения сложных космических проблем. 10 Существует много определений, что такое кибернетика и инфор- матика. Например, Ю. И. Журавлев и И. Б. Гуревич определяют кибернетику как науку об управлении, изучающую главным об- разом математическими методами общие законы получения, хра- нения, передачи и преобразования информации в сложных управ- ляющих системах (БРэ. Т. 13. С. 629). Кибернетику, информати- ку, синергетику и системный анализ изучают в одной связке, они возникли на стыке различных наук, основой их развития являются междисциплинарные исследования, именно широкой междисци- плинарностью отмечена работа секции кибернетики дома ученых им. М. Горького РАН с момента ее возникновения. Многие аспек- ты настоящей книги прошли апробацию на семинарах этой секции и семинарах научного совета РАН по методологии искусственно- го интеллекта, а также на различных международных конферен- циях. 11 ГлаВа 1. научная картИна МИра И ее эВолюцИя Наука – сфера человеческой деятельности, функцией которой является выработка и систематизация знаний о действительности. «Понятие «наука» включает в себя как деятельность по получению нового знания, так и результат этой деятельности – сумму получен- ных к данному моменту научных знаний, образующих в совокуп- ности научную картину мира. Непосредственные цели науки – опи- сание, объяснение и предсказание процессов и явлений действи- тельности. «Будучи неотъемлемой от практического способа освоения мира, наука как производство знания представляет собой весьма специфическую форму деятельности, существенно отличную как от деятельности в сфере материального производства, так и от дру- гих видов собственно духовной деятельности… в отличие от видов деятельности, результат которых в принципе бывает известен за- ранее, задан до начала деятельности, научная деятельность право- мерно называется таковой лишь поскольку, постольку она дает приращение нового знания, т. е. ее результат принципиально не- традиционен. Именно поэтому наука выступает как сила, постоян- но революционизирующая другие виды деятельности». (БСэ. 1974. Т. 17. С. 323). от эстетического (художественного) способа освоения действи- тельности, носителем которого является искусство, наука отлича- ется стремлением к обезличенному максимально обобщенному объ- ективному знанию, в то время как в искусстве результаты художе- ственного познания неотделимы от индивидуально-неповторимого личностного элемента. Часто искусство характеризуется как «мышление в образах», а наука – как «мышление в понятиях», имея целью подчеркнуть, что первое развивает преимущественно чувственно-образную сторону творческой способности человека, а наука – в основном интеллектуально-понятийную. однако эти различия не означают непроходимой грани между наукой и искус- ством, которых объединяет творчески-познавательное отношение к действительности. С одной стороны, в научных построениях суще- ственную роль играет эстетический элемент, что специально отме- чали многие ученые. С другой стороны, произведения искусства не- сут, помимо эстетической, и познавательную нагрузку. Например, первые шаги К. Маркса в понимании социально-экономической сущности денег в буржуазном обществе опирались на анализ про- 12 изведений И. в. Гете и У. Шекспира. в настоящее время сформи- ровалось научное направление – артоника, которое занимается изучением структур искусства на предмет их использования в про- граммировании и информатике. Истоки науки уходят своими корнями в практику ранних чело- веческих обществ, в которой были нераздельно сплавлены познава- тельные и производственные моменты. «Производство идей, пред- ставлений, сознания первоначально непосредственно вплетено в ма- териальную деятельность и в материальное общение людей, в язык реальной жизни. образование представлений, мышление, духовное общение людей является здесь еще непосредственным порождени- ем их материальных действий» (К. Маркс и Ф. энгельс. Фейербах. Противоположность материалистического и идеалистического воз- зрений. – М.: Политиздат, 1966. – С. 29). отдаленной предпосылкой науки можно считать и мифологию, в которой впервые была реа- лизована попытка построить целостную всеобъемлющую систему представлений об окружающей человека действительности. в силу своего религиозно-антропоморфного характера эти представления далеко отстояли от науки, более того, формирование науки требова- ло в качестве предварительных условий критики и разрушения ми- фологических систем. для возникновения науки были необходимы также определенные социальные условия: достаточно высокий уро- вень развития производства и общественных отношений (приводя- щий к разделению умственного и физического труда и тем самым от- крывающий возможность систематических занятий наукой), а так- же наличие богатой и широкой культурной традиции, допускающей свободное восприятие достижений различных культур и народов. эти условия сложились к VI в. до н. э. в древней Греции, где и возникли первые теоретические системы (Фалес, демокрит и др.), в противовес мифологии объясняющие действительность че- рез естественные начала. древнегреческая наука (Аристотель и др.) дала первые описания закономерностей природы, общества и мышления, которые сыграли выдающуюся роль в истории куль- туры – ввели в практику мыслительной деятельности систему аб- страктных понятий, превратили в устойчивую традицию поиск объективных естественных законов мироздания и заложили осно- вы доказательного способа изложения материала. в эту же эпоху от натурфилософии начинают обособляться отдельные области зна- ния – область геометрии (Евклид), область механики (Архимед), область астрономии (Птолемей) и др. 13 в эпоху возрождения наука начала превращаться в самостоя- тельный фактор духовной жизни, в реальную базу мировоззрения (Леонардо да винчи, Н. Коперник), наряду с наблюдением берет- ся на вооружение эксперимент. в результате усилилась познава- тельная мощь науки (Г. Галилей, И. Кеплер, У. Гарвей, Р. декарт, Х. Гюйгенс, И. Ньютон и др.). Успехи механики, систематизированной и завершенной в своих основаниях к концу XVII в., сыграли решающую роль в формиро- вании механистической картины мира, которая приобрела универ- сальное мировоззренческое значение (Л. эйлер, М. в. Ломоносов, П. Лаплас и др.). Сложилась классификация наук – классическая, неклассическая и постнеклассическая наука [9, 10]. в настоящее время можно констатировать возврат к мифологи- ческой картине мира на новом уровне. в мифологии каждым аспек- том жизни заведовало то или иное божество, и люди для достиже- ния своих конкретных целей обращались к конкретному божеству с просьбой помочь, приносили подношения в соответствующие храмы. Например, для удачного путешествия обращались к Герме- су, который как бы отвечал за путешествия. в наше время на обыденном сознании, опираясь на высокий уровень техники, люди платят в то или иное ведомство, чтобы обе- спечить, например, хорошее путешествие – детали решения зада- чи их не интересуют. в художественной литературе это уже нашло отражение (см. например, роман владимира Сорокина «Сахарный Кремль»). Традиционная восточная культура проигрывает западной пото- му, что не разработала способы перевода философских положений в технологические научные концепции, легко применимые в обы- денной практике – медицине, психологии, социологии, технике и т. д. Традиционная и китайская, и восточноевропейская (византий- ская и построенная на ней российская) цивилизации базируются на моральных принципах (поэтому философия всегда была религиоз- ной), в отличие от западноевропейской (где достаточно рано произо- шло отделение религии от науки и государства), которая построена на ценности истины (знания, а не любви и добра). вследствие это- го для современной европейской науки свойственно сводить мир к какой-либо низшей относительно человека онтологической реаль- ности – атомы, молекулы, энергия и т. п. восточная и восточноевро- пейская философии религии сводят мир к высшей реальности (Бог, Атман, тьма и т. п., общество в конфуцианстве). Но редукция к выс- 14 шему – методологический ход, который не позволяет концептуали- зировать и превращать в научные модели явления жизни. в силу этого философская парадигма стала заимствоваться из другой, за- падноевропейской цивилизации. в России это началось еще со вре- мен Петра I, а в Китае – со времен буржуазной революции 1911 г. и, особенно, социалистической революции 1949 г. Пример нетехнологичности при высоком уровне знаний – тради- ционная китайская медицина. в настоящее время западная наука переводит знания китайской медицины в аппаратуру и лекарства, технологичность применения которых такова, что ими могут поль- зоваться западные врачи, не перегруженные знаниями и опытом традиционной китайской медицины. |