Küberneetika: süsteemide, juhtimise ja kommunikatsiooni teadus

Küberneetika on loomade ja masinate kontrolli ja kommunikatsiooni uurimine. Norbert Wiener lisas: "Informatsioon on informatsioon, mitte aine või energia". ¹⁵⁵

Ross Ashby määratles seda järgmiselt: "Koordineerimine, reguleerimine ja kontroll on selle teemad, sest need on kõige suurema bioloogilise ja praktilise huviga... see ei käsitle mitte asju, vaid käitumisviise. See ei küsi "mis see asi on?", vaid "mida see teeb?". Ashby jätkas:

"Küberneetika seisab reaalse masina - elektroonilise, mehaanilise, neuraalse või majandusliku - suhtes samamoodi nagu geomeetria seisab reaalse objekti suhtes meie maapealses ruumis".

Louis Couffignal ütles, et küberneetika on "tegevuse tõhususe tagamise kunst".

Küberneetika oli algusest peale interdistsiplinaarne uurimisvaldkond. See hõlmas inimesi vähemalt tosinast akadeemilisest distsipliinist. Pärast Teist maailmasõda oli kaks sündmust, mis andsid sellele tõuke. Esimene oli see, et eri taustaga teadlased töötasid sõja ajal koos erinevate sõjaliste projektide kallal. Nad õppisid palju sellest, kuidas teha koostööd oma erinevate partneritega. Teine sündmus oli arvutite leiutamine sõja ajal.

Küberneetika sai alguse Suurbritanniast ja Ameerika Ühendriikidest, kuid idee levis kiiresti Prantsusmaale, Venemaale ja teistesse riikidesse. Teine, kuulsam näide "interdistsiplinaarsetest uuringutest" oli molekulaar- ja rakubioloogia.

Algus ja ajalugu

Küberneetika kujunes 1940. ja 1950. aastatel, kui Teise maailmasõja järgselt said teadlased eri valdkondadest kokku ja hakkasid uurima juhtimise, tagasiside ja informatsiooni üldisemaid seaduspärasusi. Oluliseks kontaktpunktiks olid rahvusvahelised konverentsid ja töörühmad (nt Macy konverentsid), kus osalesid matemaatikud, insenerid, bioloogid, psühholoogid ja sotsiaalteadlased. Samal ajal aitasid sõjaeelsed ja -aegselt arendatud arvutid ja automaatika mõelda probleemidele uues võtmes.

Põhimõisted

Tagasiside – protsess, kus süsteemi väljund mõjutab selle tulevast käitumist. Jaguneb negatiivseks (stabiilsuse säilitamine, nt termostaadi regulaator) ja positiivseks (süsteemi muutuste võimendamine, nt populatsiooni kasv).
Juhtimine ja regulatsioon – kuidas süsteem säilitab või saavutab soovitud seisundi, kasutades mõõtmisi, otsuseid ja mõjuvahendeid (aktuaatoreid).
Informatsioon – küberneetikas rõhutatakse, et info on iseseisev suurus, eristudes ainest ja energiast; informatsiooniteooria (nt Claude Shannon'i ideed) on sellega tihedalt seotud.
Mudel ja ennustamine – süsteemide mõistmiseks ja juhtimiseks luuakse matemaatilisi või sümboolseid mudeleid, mis võimaldavad ennustada käitumist ja kavandada reguleerimise strateegiaid.
Adaptatsioon ja õppimine – paljud küberneetilised süsteemid sisaldavad mehhanisme, mis võimaldavad neil muutuvates tingimustes kohaneda (nt adaptiivsed kontrollerid, närvivõrgu mudelid).
Ashby seadus (reegel requisite variety) – efektiivse kontrolli saavutamiseks peab regulaatori mitmekesisus (võimalusreaktsioonide hulk) vähemalt vastama kontrollitava süsteemi mitmekesisusele.

Olulised isikud

Norbert Wiener – nimisõna küberneetika populariseerija ja teoreetiline alusandja; rõhutas info ja tagasiside rolli.
Ross W. Ashby – tuntud stabiilsuse, regulatsiooni ja "reegli requisite variety" poolest.
Heinz von Foerster – mängis suurt rolli teise astme küberneetika kujundamisel, rõhutades vaatleja rolli ja eneserefleksiooni süsteemides.
Stafford Beer – rakendas küberneetilisi põhimõtteid juhtimises ja organisatsioonide modelleerimises (management cybernetics).

Rakendused

Küberneetika ideid rakendatakse laialdaselt nii tehnilistes kui ka elus- ja sotsiaalteadustes. Peamised valdkonnad on:

Automaatjuhtimine ja tööstusautomaatika (protsesside reguleerimine, robotika).
Kunstlik inteligents ja masinõpe (mudelid, mis õpivad tagasiside kaudu).
Bioloogia ja meditsiin (homeostaas, närvivõrgu modelleerimine, biotsübern>etics lähenemised elusorganismide juhtimisel).
Majandus ja juhtimine (organisatsioonide reguleerimine, infosüsteemid, otsustusmehhanismid).
Keskkonnahaldus ja ökoloogia (süsteemide dünaamika, modelleerimine ja juhtimine).
Sotsiaalsed süsteemid ja kommunikatsioon (võrgustikud, kollektiivkäitumise uurimine).

Tänapäev ja pärand

Küberneetika on andnud aluse mitmele kaasaegsele teadusharule: automaatjuhtimisele, kontrolliteooriale, informaatikale, süsteemiteooriale ja paljudele insenertehnilistele lahendustele. Kaasaegne tehisintellekt ja närvivõrgud kannavad küberneetika mõisteid edasi, eriti mida puudutab tagasiside, õppimine ja adaptatsioon. Lisaks on küberneetilisest mõtlemisest kasu süsteemse lähenemise jõustamisel keeruliste sotsiaalsete ja ökoloogiliste probleemide lahendamisel.

Kriitika ja piirangud

Küberneetikale on esitatud ka kriitikat: mõnikord on ette heidetud liialt üldistavaid või metafooripõhiseid seletusi, mis ei pruugi anda täpseid ennustusi konkreetsete süsteemide kohta. Teine oluline teema on eetika: kui rakendused mõjutavad inimkäitumist või -otsuseid (nt automaatsed kontrollisüsteemid, jälgimistehnoloogiad), siis tekib vajadus arutada vastutuse ja läbipaistvuse üle.

Kokkuvõttes on küberneetika väärtus selles, et ta pakub üldisi tööriistu ja mõisteid süsteemide uurimiseks — nii looduslike kui ka tehistingimustes toimivate — ning aitab mõelda, kuidas saavutada kontrolli, stabiilsust ja kohanemisvõimet keerukates olukordades.

Pask's Conversation Theory illustratsioon.

Ehitusplokk

Kujutage ette lihtsat süsteemi, näiteks keskküttesüsteemi.

Eesmärgistatud või juhtimissüsteemil on need neli osa:

Andur (S): süsteemi keskkonna testimine.
Eesmärk (G): süsteemi soovitud seisundi kirjeldus.
Vea tuvastamine (E): meetod praeguse seisundi ja sihtseisundi vahelise erinevuse leidmiseks.
Efektor (E'): toimingud, mida süsteem saab teha, et viia keskkond eesmärgile lähemale.

Seadet, mis seda teeb, nimetatakse termostaadiks.

Hilisemad aastad

Küberneetika algas kiiresti ja mõned sõjajärgse ajastu suurimad mõtlejad olid sellest huvitatud. Kui see põlvkond suri ja mõned tehisintellekti ja robootikaga seotud lootused hakkasid aeglaselt tulemusi andma, langes küberneetika mõnevõrra soosingust välja.

Seotud leheküljed

Homöostaas
Eneseregulatsioon
Üldine süsteemiteooria

Küsimused ja vastused

K: Mis on küberneetika?

V: Küberneetika on loomade ja masinate kontrolli ja kommunikatsiooni uurimine. See keskendub pigem käitumisviisidele kui asjadele ja uurib, kuidas tagada tegevuse tõhusus.

K: Kes mõtles välja lause "Informatsioon on informatsioon, mitte aine või energia"?

V: Norbert Wiener mõtles selle lause välja.

K: Kuidas määratles Ross Ashby küberneetikat?

V: Ross Ashby määratles seda kui "juhtimiskunsti... selle teemadeks on koordineerimine, reguleerimine ja kontroll, sest need on kõige suurema bioloogilise ja praktilise huviga... see käsitleb mitte asju, vaid käitumisviise. See ei küsi "mis see asi on?", vaid "mida see teeb?""."

K: Millised riigid alustasid küberneetikat pärast Teist maailmasõda?

V: Suurbritannia ja Ameerika Ühendriigid olid kaks riiki, kes alustasid küberneetikat pärast Teist maailmasõda; aga ka Prantsusmaa, Venemaa ja teised riigid võtsid selle kiiresti kasutusele.

K: Milline sündmus vallandas küberneetika pärast Teist maailmasõda?

V: Küberneetika sai pärast Teist maailmasõda alguse kahest sündmusest - erineva taustaga teadlased töötasid sõja ajal koos erinevate sõjaliste projektide kallal, mis õpetas neile, kuidas teha koostööd oma partneritega; lisaks leiutati sel perioodil ka arvutid.

K: Mis oli veel üks näide interdistsiplinaarsetest uuringutest, mis tekkis sel ajavahemikul?

V: Molekulaar- ja rakubioloogia oli teine näide interdistsiplinaarsetest uuringutest, mis tekkisid sel ajavahemikul.