Главная страница Visual 2000 · Общий список статей

Доктор Винер и кибернетика

Андрей Колесов

© 1997, Андрей Колесов
Авторский вариант. Статья была опубликована c незначительной литературной правкой в еженедельнике "Компьютерра" № 26'97.
Примечание автора

Вклад доктора Винера в разгром японских агрессоров
Для ПВО нужны компьютеры
Буржуазная лженаука
Мышь проела дорогу к кибернетике


Примечание автора

Тема номера "Компьютерры" 22'97 от 2 июня 1997 г. была обозначена как "Родная литература". На самом деле номер состоял из статей на разные слабо связанные "около компьютерные" темы. Среди них была довольно любопытная статья Михаила Ваннаха "Компьютеры и культ карго". В ней в занимательной манере рассказывались байки из истории возникновения вычислительной техники и красной нитью проходила мысль о том, что компьютер — совсем не всесильный инструмент и нужно понимать ограничения по его применению. И в этой связи приводились примеры с "культом карго" полинезийцев, в основе которого лежит путаница между следствием и причиной, с работами доктора Винера и с прогнозом изменения курсов акций.

В общем все это было занимательно, но мне показалось, что... Короче говоря, я написал вдогонку две статьи, одна из которых предсталена на этой странице, а вторая — на другой.

В начало статьи


Сама статья:

Вклад доктора Винера в разгром японских агрессоров

В статье совершенно верно сказано, что "задача повышения эффективности ПВО была решена с помощью новейших теоретических методов" и что в их разработке непосредственно участвовала группа доктора Винера. (Справедливости ради нужно отметить, что аналогичными работами довольно успешно занимались в то время ученые многих стран мира, в том числе Англии, СССР, Германии — уж очень задача была актуальной.) Но в чем была суть этой теории? Как это связано с кибернетикой? Наверное, это будет полезно уточнить, тем более, что в статье был сделан упор на "хард", который был на самом деле уже вторичным в этой проблеме. Главным была реализация новой математической модели управления системой ПВО.

Традиционная схема управления зенитками выглядела следующим образом. На основе наблюдения за параметрами полета самолета производился расчет его прогнозируемой траектории (экстраполяция кривой по данным замеров) и выполнялся выстрел в точку, где должен находиться объект в данный момент (будем пока считать, что проблему попадания в нужную точку и установки дистанционного взрывателя артиллеристы умеют решать отлично). Решение такой задачи требует некоторого аппарата расчетов и управления. Охотник использует в основном личный опыт, а на кораблях и береговой артиллерии в начале 20-го века, когда дальность стрельбы стала уже очень приличной (до двух десятков километров) уже стали применять специальные приборы для замеров дальности и скорости движения и соответствующий математические аппарат с использование артиллеристских таблиц.

Проблема с самолетами заключалась в том, что они летали в трехмерном пространстве и существенно быстрее: потребовались новые методы наблюдения за ними (радиолокаторы), более сложные алгоритмы расчетов, с одновременным повышение скорости их выполнения, а также автоматизации процедурой наводки орудий. Не говоря уже о проблеме управления дистанционными взрывателями, для поражения самолета осколками (такого охотникам и морякам вообще не приходило в голову). Это конечно очень важная задача, но к ее решению, по моим сведениям, доктор Винер не имел отношения. Он разрабатывал новую теоретическую модель ПВО.

Алгоритм управления огнем, приведенный выше отлично работает, если имеется один самолет и одна зенитка. Но если по самолету стреляет десять орудий, то теоретически получается, что в одну цель попадет сразу десять снарядов, хотя достаточно и одного. Это — неэффективно. А для повышения эффективности необходим переход от детерминированных математических моделей к стохастическим (вероятностным).

В начало статьи

Для ПВО нужны компьютеры

На самом же деле суть проблемы заключается в том, что на самом деле предсказать траекторию полета самолета можно лишь с определенной степенью вероятности. На это влияют самые разнообразные погрешности, например, данных наблюдений и математического метода экстраполяции. Не говоря уже о том, что летчик может выполнить противозенитный маневр. Таким образом, поведение самолета описывается функцией P(x,y,z,t) — вероятности того, что он будет находится в данной точке, в данный момент времени. Раньше все стреляли в точку, где эта вероятность была максимальной. А теперь ставилась другая задача — разные орудия должны стрелять в разные точки пространства таким образом, чтобы зоны их поражения не перекались, но при этом суммарная вероятность "накрытия цели" была максимальной.

Обратите внимание, что такая постановка задачи сразу позволяет оптимизировать и использование ресурсов (орудий) — расчеты смогут сразу показать, что для практически стопроцентного поражения цели достаточно и пяти зениток.

Соответственно менялась и задача при защите от атаки нескольких самолетов. Если раньше каждое орудие (или их группа) отрабатывали отдельную цель, то теперь методом суперпозиции определялась общая функция всех самолетов P(x,y,z,t) и стрельба велась по этой "виртуальной цели".

Сложность решения такой математической задачи является совершенно очевидной, тем более если учесть, что такими же стохастическими функциями характеризуется все элементы системы ПВО. Кроме того, нужно учитывать параметры действенности (поражения) каждого конкретного орудия, степень опасности разных целей и пр.

Эффективность предложенной модели управления зенитками ни у кого не вызывала сомнения. Но ее практическая реализация была задачей непростой. Например, совершенно очевидной была проблема надежности ее функционирования. Новая модель подразумевала переход к централизованной системе управления — для вывода из строя всех орудий было достаточно было уничтожить центральный пульт управления. (На самом деле, конечно, все зенитки могут работать и в автономном режиме).

Но самое главное, уже тогда стало очевидным, что реализация такого мощного математического аппарата традиционным для 40-х годов аналоговыми вычислительными средствами было весьма проблематичным. (Для справки — советские суперкомпьютеры 70-80-х годов серии "Эльбрус" разрабатывались именно для решения задач ПВО/ПРО страны.)

В начало статьи

Буржуазная лженаука

Обратите внимание, что решенная доктором Винером задача вообщем-то не выходит из традиционного круга математических задач и никакой идеологической подоплеки не несет. В этой связи нужно подчеркнуть также, что само понятие "кибернетика" является довольно расплывчатым. По крайней мере в семидесятые годы, когда я учился в МИФИ на факультете "Кибернетика" ("буржуазной лженаукой" она перестала быть за 10-15 лет до этого), такого предмета в учебно расписании не было (насколько я знаю и нет до сих пор). Это название присутствовало только в курсе "Техническая кибернетика", который читался преподавателями с факультета "Автоматики" и объединял давно известные предметы — "Теория автоматического регулирования" и "Системы автоматического управления".

По сути дела "Кибернетика" является некоторым научным направлением, связанным с решением математических задач управления и включает целый набор довольно автономных разделов: "Математическое программирование" (не путать с написанием программ для компьютеров"), Теория автоматов и пр.

Однако качественно новый этап в развитии этих довольно традиционных дисциплин стало в 40-50 гг. то, что задачи управления стали рассматриваться с использование довольно нового тогда понятия — "информации". Соответственно одним из центральных дисциплин Кибернетики стала "Теория информации", а основой решения задач управления стали вопросы сбора, хранения и обработки информации. Более того, именно "информация" позволила увязать воедино проблемы управления ПВО, экономикой, живыми механизмами.

Не углубляясь в теоретические основы следует отметить, что при всей употребимости этого термина, четкого определения "информация" не существует. Оно относится к аксиоматическим понятиям (точка, прямая линия, плоскость), которые характеризуются некоторыми свойствами. У информации имеется два противоречивых свойства. С одной стороны, это некоторый объем данных, который существует объективно и независимо (например, данные в памяти компьютера). С другой стороны, польза этих данных определяется тем, что они будут понятны людям в определенном контексте и более того — смогут повысить их знания. Соответственно, оценка "информативности" конкретных данных является сугубо субъективной — она зависит от объема знаний конкретного индивидуума. Например, тривиальный факт "2*2=4" является для первоклассника некоторым откровением, а уже через год становить — обыкновенной банальностью.

Ключевым элементом теории автоматического управления всегда являлось наличие обратной связи. Это подразумевало возможность коррекции поведения механизма управления в зависимости от анализа результатов его текущей деятельности (температура в печи повысилась — снизить подачу газа, понизилась — увеличить). Но ранее никогда не ставилась задача "самообучения" автоматических систем управления — возможности накопления данных о своей предыдущей работе и формирования на основе них знаний, которые можно использовать для повышения эффективности своей работы.

Крамола "Кибернетики" для ортодоксальной советской идеологии заключалась не только в том, что управление обществом и, в частности экономикой, нужно вести не только на уровне лозунгов "Решения КПСС (Microsoft?) в жизнь!", но и с учетом научных основ. Там была высказана "антиматериалистическая мысль" о том, что самообучающиеся системы могут быть реализованы не только в виде людей, но и неких неживых автоматов. Более того, раньше считалась, что любые автоматы (в том числе и компьютеры) могли только быстрее повторять уже решенные человеком проблемы и алгоритмы. Теперь же реализуя механизм обучения, объявлялось о теоретической возможности того, что ученик может превзойти учителя и в решении нетривиальных, новых (т.е. творческих) задачах.

В начало статьи

Мышь проела дорогу к кибернетике

Примером этого стала хрестоматийный пример Винера с мышью (не путать с Microsoft Mouse!). Идея была простой — передвигаясь по лабиринту, мышь ходила по его ходам, тыкалась в тупики, возвращалась обратно. При этом она запоминала "неправильные ходы", никогда не повторяла их и в результате приходила к цели. Но самое главное в другом — при повторном запуске мыши в лабиринт она приходила к цели кратчайшим путем. То есть она училась, использовала накопленный опыт.

Эти же идеи "самообучения" были положены в основу исследований в области искусственного интеллекта, в частности, при разработке теории распознавания образом, которая также стала одним из разделов "Кибернетики". В связи с этим совершенно естественным стал интерес к познанию механизмов и алгоритмов деятельности человеческого мозга: несоизмеримо, уступая компьютерам в решении численных задач, любой ребенок может легко отличить кошку от собаки (любой породы), что не под силу даже самого мощному вычислителю.

А вот в шахматах мы уже дожили до времени, когда компьютер выигрывает у чемпиона мира. Разумеется, это стало возможным благодаря росту мощности вычислительной техники. Но здесь важнее другое — одна и та же шахматная программа может играть все лучше и лучше по мере накопления опыта (собственного и чужого) — она построена по принципу обучения.

Так что родоначальником винеровской кибернетики все же по праву нужно считать не модель системы управления ПВО (задача сама по себе грандиозная), а его "мышь в лабиринте".

В начало статьи