Author: Игнатьев М.Б.
Tags: деятельность и организация общая теория связи и управления (кибернетика) кибернетика
ISBN: 978-5-906150-78-3
Year: 2016
Text
Михаил Игнатьев
ПРОСТО
Кибернетика
.••просто
Михаил Игнатьев
ПРОСТО
Кибернетика
Автор идеи
и научный редактор серии
СЕРГЕЙ ДЕМЕНОК
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНОЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«страта»
Санкт-Петербург.2016
УДК 007
ББК 32.81
И26
Игнатьев М. Б.
И26 Просто кибернетика / Михаил Игнатьев. —
СПб.: Страта, 2016. — 248 с., с илл. —
(серия «Просто»)
ISBN 978-5-906150-78-3
В книге доктора технических наук, профессора, директора
Международного института кибернетики и артоники, члена
научного совета РАН по методологии искусственного интел¬
лекта, автора многочисленных научных трудов и изобретений
популярно рассматриваются основные положения кибернетики
как метанауки: неопределенность, хаос, обратная связь, парал¬
лельные и виртуальные миры, адаптивность и современные
кибернетические системы — Всемирная паутина как основа са¬
моорганизации общества, робототехнические системы, умные
автомобили и дороги, а также проблемы моделирования слож¬
ных систем — организма для уменьшения врачебных ошибок,
движения литосферных плит, функционирования города как
сложной системы на основе лингво-комбинаторного подхода.
Книга предназначена для широкого круга читателей —
инженеров, медиков, архитекторов, программистов, учителей,
военных, экономистов и всех, кто интересуется перспективами
развития науки и техники, и может быть использована в качестве
учебного пособия в различных образовательных учреждениях.
Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может
быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и ка¬
кими бы то ни было средствами, будь то электронные или механи¬
ческие, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель,
а также размещение в Интернете, если на то нет письменного разре¬
шения владельцев.
All rights reserved. No parts of this publication can be reproduced,
sold or transmitted by any means without permission of the publisher.
УДК 007
ББК 32.81
© Игнатьев М. Б., текст, 2016
© Ворожейкина К. В., обложка, 2016
ISBN 978-5-906150-78-3 © «Страта», 2016
Посвящается 60-летию создания секции
кибернетики в Доме ученых им. М. Горького РАН
как института
междисциплинарных исследований,
Ленинград — Санкт-Петербург
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КИБЕРНЕТИКИ 12
1.1. Неопределенность и лингво-комбинаторное
моделирование 14
1.2. Адаптационные возможности сложных систем .... 18
1.3. Управление хаосом и структурированная
неопределенность 28
1.4. Структура цифровой вычислительной
системы 36
1.5. Принцип обратной связи 45
1.6. Самоорганизация и внешнее управление 51
1.7. Избыточность как фактор эволюции 63
1.8. Множественность миров 66
1.9. Автоматизация и сложность 70
1.10. Лингвистический поворот 78
1.11. Форсайт-анализ — взгляд на перспективу
развития науки и техники 82
ГЛАВА 2.
СОВРЕМЕННЫЕ кибернетические СИСТЕМЫ. . 84
2.1. Эволюция средств связи — Всемирная паутина ... 84
2.2. Интернет вещей 87
2.3. Финансовые информационно-вычислительные
системы 91
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля
для повышения безопасности движения 92
4
2.5. Умная дорога 107
2.6. Роботы для диагностики трубопроводов 109
2.7. Киберфизические системы. Как обустроить
околоземное пространство для борьбы
с космическими угрозами 114
2.8. Роботы для игры в футбол 121
2.9. Внешнее управление самолетами для борьбы
с терроризмом 123
ГЛАВА 3.
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ 137
3.1. Моделирование организма для уменьшения
врачебных ошибок 137
3.2. Киберфизические системы 147
3.3. Кибернетическая метеорология 159
3.4. Кибернетическая геология 160
3.5. Экономическая кибернетика 167
3.6. Полицентрическая структура
Большого Петербурга 172
3.7. Кибернетическая герменевтика 188
3.8. Миры реальные и виртуальные 191
3.9. Мир как модель внутримирового
суперкомпьютера 239
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 242
приложение 244
5
ВВЕДЕНИЕ
Кибернетика прошла долгий путь развития — от средне¬
вековых автоматов и регулятора Уатта для паровой машины до
всемирной информационно-вычислительной сети, на основе
которой сейчас совершается самоорганизация социума. Но ки¬
бернетика, информатика и вычислительная техника родились не
на пустом месте, они возникли на мощном фундаменте челове¬
ческой культуры, науки и техники. Появились новые понятия:
киберпространство, кибератака, кибервело и др., кибернетика
стала метанаукой. Чтобы понять феномен возникновения и раз¬
вития кибернетики, вычислительной техники и информатики
и определить их перспективы развития, необходимо разобрать¬
ся в том, что такое сложные системы и как они развиваются во
времени и пространстве, что такое параллельные миры.
Ключевыми понятиями теории и практики сложных систем
являются самоорганизация, хаос и неопределенность. На основе
компьютерных сетей осуществляется новый этап самооргани¬
зации человеческого общества. Дух нашего времени пронизан
идеей самоорганизации в самых разных аспектах, и автор надеет¬
ся, что ему удалось отразить этот дух времени, Zeitgeist. Главная
цель настоящей работы — подвести читателя к обсуждению еще
не решенных задач и проблем.
Мы живем в быстро меняющемся мире, растет число до¬
стижений человеческой цивилизации, но с ними растет и ко¬
личество, и качество опасностей. Самое большое достижение
6
человечества — естественный язык, с помощью которого мы
общаемся, накапливаем и анализируем информацию.
Как показал Клод Шеннон, естественный язык имеет пяти¬
кратную избыточность для того, чтобы устойчиво функциониро¬
вать в нашем мире, то есть наш мир на 80% враждебен человеку.
Итальянский экономист и социолог Вильфредо Парето сформу¬
лировал закон, из которого следует, что 20% усилий дают 80%
результата, а остальные 80% усилий дают лишь 20% результата,
надо только правильно выбрать направление этих усилий. Он
же выявил структуру распределения доходов среди итальянских
домохозяйств: 80% дохода сосредоточено у 20% домохозяйств,
то есть владельцы этих 20% домохозяйств более или менее пра¬
вильно выбирают направление своих усилий в современном
мире, то есть человеческое общество неоднородно и все время
порождает неравенство, что является еще одной опасностью.
Люди издревле пытались понять, как устроен мир. С этой
целью французским ученым Андре Мари Ампером и был вве¬
ден термин «кибернетика» — в книге «Опыт философских
наук, или Аналитическое изложение естественной классифика¬
ции всех человеческих знаний», которая сформировалась под
воздействием идей великой французской революции. В этой
работе он высказал предположение, что со временем возник¬
нет особая наука кибернетика — об общих закономерностях
процессов управления и связи в организованных системах. Он
отнес ее к группе политических наук, куда входили физико-со¬
циальные науки (социальная экономика и наука об обществен¬
ном благополучии), военные науки (гоплетика — наука о воо¬
ружениях и собственно военное дело), этногенические науки
(номология — правоведение, учение о праве, законодательство,
политика — права народов и собственно политика). С тех пор
кибернетика сформировалась как метанаука, которая включает
в себя и теорию автоматического управления, и информатику,
и системный анализ, и синергетику, и многие другие направ¬
ления. Следует отметить, что в 1830 году Ампер был избран
в число иностранных членов Императорской Академии Наук в
Санкт-Петербурге.
Уже в наши дни было введено понятие о киберфизических
системах, круг замкнулся — ведь Ампер был прежде всего физи¬
ком, именно он сформулировал электродинамическую теорию,
7
Введение
его именем названа единица силы тока. Объединение физики и
кибернетики знаменует новый этап развития науки.
Андре Мари Ампер (1775-1836 гг.)
В 1948 году вышла книга Норберта Винера «Управление
и связь в животном и машине», а в 1950 году — его же кни¬
га «Кибернетика и общество», что ознаменовало новый этап
развития наук об управлении. Во время Второй мировой войны
Винер участвовал в решении проблем управления артиллерий¬
ским зенитным огнем.
Автор этих строк мальчишкой работал в августе — октябре
1941 года в Ленинграде на зенитной батарее, оборонявшей завод
«Светлана». Звучала команда «Беглый заградительной огонь»,
сообщались координаты угла возвышения, азимута и трубки —
и начиналась изматывающая работа, немецкие самолеты наты¬
кались на стену зенитного огня, совершали противозенитный
маневр, куда попало сбрасывая бомбы. Так мы отстояли завод, ко¬
торый работал без выходных днем и ночью, снабжая нашу армию
электролампами для радиосвязи.
В разных странах в зависимости от идеологии и социально¬
экономического развития отношение к кибернетике было различ¬
ным, в СССР на первых порах — отрицательным. Автор этой кни¬
ги закончил Ленинградский политехнический институт в 1955 году
8
по специальности «Автоматика и телемеханика» по кафедре Б. И.
Доманского. В процессе обучения ни о какой кибернетике студен¬
ты не слышали, но, когда в конце 1955 года в журнале «Вопросы
философии» появилась статья Э. Кольмана «Что такое киберне¬
тика», она попала на хорошо подготовленную почву.
Уже в ноябре 1956 года была создана секция кибернетики
в Ленинградском доме ученых АН СССР, это была первая ки¬
бернетическая организация в СССР, ее первым председателем
стал профессор В. Л. Канторович, впоследствии академик и ла¬
уреат Нобелевской премии по экономике. И это не было случай¬
ностью — именно нобелевские лауреаты по экономике внесли
наибольший вклад в развитие кибернетики. Только в 1959 году
в Москве был создан научный совет по проблеме кибернетики при
президиуме АН СССР под руководством адмирала А. И. Берга.
В Российской Федерации долгое время не было институтов кибер¬
нетики — они создавались в Эстонии, Узбекистане, на Украине...
Х. Г. Кранцентштейн, известный датский физик, механик
и медик, впервые в мире построил механическую машину, мо¬
делирующую работу речевого тракта. С 1748 по 1753 годы он
работал в Санкт-Петербурге после избрания действительным
членом Императорской Академии наук в Санкт-Петербурге.
Недавно выяснилось, что в 1832 году Семен Николаевич
Корсаков, служивший коллежским советником в статистическом
отделении Министерства внутренних дел, написал интересную
статью о классифицирующих логических машинах. Немецкие
ученые считают С. Н. Корсакова русским пионером искусствен¬
ного интеллекта.
Конечно, проблемы управления волновали многих и до Ам¬
пера, логистика сложилась еще в античной Греции и Риме, поэ¬
тому справедлив о говорить о до-амперовском периоде развития
наук об управлении и связи. Необходимо отметить работы Рай¬
монда Луллия по структурному анализу общества и первой логи¬
ческой машине и Готфрида Лейбница по монадологии, которые
во многом предвосхитили работы по многоагентным системам.
Второй период развития кибернетики — от Ампера до Ви¬
нера, когда Д. И. Менделеев осуществил прорыв в системном
анализе, построив периодическую систему элементов, когда
А. С. Поповым было изобретено радио, когда были созданы
сложные системы автоматического регулирования...
9
Введение
В 1833 году профессор Кембриджского университета Ч. Бэб¬
бидж разработал проект аналитической машины — гигантского
арифмометра с программным управлением, арифметическими
и запоминающими устройствами. В качестве первого програм¬
миста этой машины выступила леди Лавлейс, дочь поэта Байро¬
на. однако полностью этот проект осуществить не удалось из-за
недостаточного развития техники.
Необходимо отметить нашего соотечественника И. А. Вышне¬
градского, который разработал теорию регуляторов прямого дей¬
ствия и сформулировал условие устойчивости системы регули¬
рования. Вышнеградский, будучи министром финансов России
в 1887-1892 годах, добился балансировки бюджета и укрепления
курса рубля. Также необходимо отметить работы А. Пуанкаре по
качественной теории дифференциальных уравнений. В биологии
благодаря работам И. М. Сеченова и И. П. Павлова возникло чет¬
кое представление об организме как саморегулирующейся систе¬
ме. Окончание второго периода развития кибернетики ознамено¬
вано началом атомной и космической эры.
Третий период — от Винера, когда в конце сороковых —
начале пятидесятых годов ХХ века появились электронные вы¬
числительные машины и четко обозначились поколения ЭВМ,
появились действующие роботы, была определена структура
гена и введено понятие мема. За последние 50 лет параметры
вычислительных машин улучшились в миллионы раз, выросло
быстродействие и объемы памяти, появились новое программ¬
ное обеспечение, уменьшились габариты, энергопотребление
и стоимость компьютеров. Компьютер стал самой распростра¬
ненной машиной, возникли мощные вычислительные сети, кото¬
рые интегрируют все остальные средства коммуникации. Ком¬
пьютерная инфраструктура продолжает развиваться. Практика
создания и применения компьютеров значительно опережает
теорию. В этих условиях говорить о теоретических основах ки¬
бернетики сложно, но, с другой стороны, имеется много при¬
меров неэффективного применения компьютеров, и необходи¬
мость выработки теоретических основ становится все острее.
Четвертый период начался в 2000 году, когда стало ясно, что
существующие модели в различных отраслях науки и техники не¬
достаточно отражают информационно-управляющие свойства
структур. По сути люди пользуются моделями позапрошлого
10
века. Этот период характеризуется провозглашением новой
стратегической компьютерной инициативы США, в которой
предлагается новая трактовка структуры предметной области,
Computational Science, которая должна объединить Algorithms,
Modeling & Simulation, Computer Science& Information Science
и Computing Infrastructure, а главной задачей провозглашается
проведение научных исследований в широком диапазоне —
от биофизических процессов до исследования фундаментальных
физических основ формирования Вселенной.
В настоящее время в связи с построением информационного
общества возникают совершенно новые фундаментальные про¬
блемы по исследованию мироздания. Все большую роль начинают
играть работы наших ученых — В. И. Вернадского, К. Э. Циолков¬
ского, А. Л. Чижевского и др. Родилось представление о том, что
Вселенная — это модель внутри мирого суперкомпьютера, что
позволяет использовать структурные достижения компьютерной
техники для объяснения сложных космических проблем.
Кибернетику, вычислительную технику, информатику, си¬
нергетику и системный анализ изучают в одной связке, они воз¬
никли на стыке различных наук, основой их развития являются
междисциплинарные исследования. Именно широкой междис¬
циплинарностью отмечена работа секции кибернетики Дома
ученых им. М. Горького РАН с момента ее возникновения.
Многие аспекты настоящей книги прошли апробацию на се¬
минарах этой секции и семинарах Научного совета РАН по ме¬
тодологии искусственного интеллекта, а также на различных
международных конференциях. В книге в основном отражаются
нерешенные проблемы кибернетики, вычислительной техники,
информатики и системного анализа, чтобы побудить читателей
к разработке и исследованию нового.
В качестве математического аппарата в кибернетике исполь¬
зуется сильно формализованная теория автоматического управле¬
ния и другие глубоко математизированные теории, но для чтения
этой книги достаточно знать школьный курс математики, есте¬
ственный язык и уметь пользоваться персональным компьютером.
Более подробно эти проблемы рассматриваются в книге
М. Б. Игнатьева «Кибернетическая картина мира. Сложные ки¬
берфизические системы», Санкт-Петербург, изд. ГУАП, 3-е из¬
дание 2014 г., с обширной библиографией.
11
ГЛАВА 1.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
КИБЕРНЕТИКИ
Успехи современной науки со времен Ньютона неоспоримы,
но чем энергичнее внедряются ее результаты в виде различных
машин и технологий во все сферы жизни, тем явственнее про¬
ступают недостатки. один из главных — в том, что современные
технологии рассчитаны на использование больших количеств
энергии и материалов, больших давлений, напряжений, усилий,
температур, что приводит к загрязнению окружающей среды,
исчерпанию источников энергии и материалов, гибели живой
природы — к тому, что называют экологическим кризисом.
Истоки этих недостатков лежат в самой парадигме совре¬
менной науки: ее деятели слишком часто пользовались «брит¬
вой оккама», как бы срезая все лишнее и слишком упрощая
проблемы. В итоге сложилось стремление к «гениальной» про¬
стоте, физика заполнилась формулами из трех букв вроде закона
ома. И если это было простительно в докомпьютерный век, то
с появлением мощных компьютеров неоправданное упрощение
недопустимо, недопустимо пренебрежение тонкими сущностя¬
ми. Информатика имеет дело со слабыми сигналами, которые
могут управлять большими процессами. Слабое человеческое
слово способно приводить в действие мощные армии. Информа¬
тизация всех отраслей человеческой деятельности — это прежде
12
всего выявление возможностей управления с помощью слабых
сигналов — слабых по мощности, температуре, напряжению.
Но чтобы управлять системами, необходимо иметь новые
модели различных процессов, в сами эти модели должна быть
заложена возможность информационного управления. В этом
сущность процесса информатизации.
обычно под информатизацией понимается процесс вне¬
дрения новых информационных технологий, прежде всего
компьютерных и телекоммуникационных, в различные сферы
социально-экономической жизни, но этого недостаточно. Люди
в основном пользуются формальными моделями XIX века.
Другой недостаток современной науки, основанной на экс¬
перименте, заключается в том, что факт признается достовер¬
ным, если он воспроизводим. Но в сложных системах обеспечить
повторяемость невозможно, их крайне мало, как число похожих
людей в обществе, каждый из которых характеризуется своей
индивидуальностью. Для познания природы важна не только
воспроизводимая информация, но и невоспроизводимая, ее не¬
обозримый массив.
Любая отрасль науки опирается на модели реальных процес¬
сов, в одних науках эти модели более, в других — менее форма¬
лизованы, но все они используют естественный язык — мощную
моделирующую систему, созданную усилиями всего человече¬
ства, и очень важно разобраться, как она работает. Из-за осо¬
бенностей голосовой и слуховой систем человека естественный
язык — это линейная последовательность слов, в которой обо¬
значаются слова, а их смыслы подразумеваются.
Теория должна помогать решать еще нерешенные задачи,
важнейшей из которых является моделирование плохо форма¬
лизованных систем. Чтобы превратить различные научные изы¬
скания в технологию, необходимо осуществить большую работу
по формализации.
Вначале человек формулирует свои мысли на естественном
языке Ячел, описывает ситуации и задачи на естественном
языке; потом, если удается, строит математическую модель,
формулирует задачи на языке основных соотношений Яос;
потом эти формулировки переводятся на тот или иной язык
программирования Япр; затем разработанная программа ре¬
ализуется в компьютере на языке конкретной машины Ямаш
13
Глава 1. Основные положения кибернетики
и как результат решение задачи выдается на языке результата
Ярез в виде таблиц, графиков, текстов, анимаций и т.д. Ниже
показана вся цепочка преобразований.
Ячел ^ Яос ^ Япр ^ Ямаш ^ Ярез
Главная проблема — как перейти от описания на естествен¬
ном языке к описанию на языке основных соотношений. Для
ее решения предлагается использовать лингво-комбинаторное
моделирование плохо формализованных систем, которое бази¬
руется на использовании ключевых слов, основных понятий, сло¬
жившихся в предметной области. Модель состоит из трех групп
переменных: характеристик основных понятий, изменения этих
характеристик и структурированной неопределенности в экви¬
валентных уравнениях, которая может быть использована для
адаптации и управления. В качестве примеров рассматриваются
модели атомов, города, организма, атмосферы и литосферы, ко¬
торые иллюстрируют основные положения кибернетики.
1.1. НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ
И ЛИНГВО-КОМБИНАТОРНОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Лишь для небольшого числа реальных систем имеются
математические модели. Прежде всего системы описываются
с помощью естественного языка. Предлагается способ перехода
от описания на естественном языке к математическим уравнени¬
ям. Например, пусть имеется фраза
WORD1 + WORD2 + WORD3 (1.1)
В этой фразе мы обозначаем слова и только подразумеваем
их смысл. Смысл в сложившейся структуре естественного языка
не обозначается. Предлагается ввести понятие смысла в следую¬
щей форме:
14
(WORDl)*(SENSEl) + (WORD2)*(SENSE2) +
+(WORD3)*(SENSE3) = 0
(1.2)
1.1. Неопределенность и лингво-комбинаторное моделирование
Будем обозначать слова как Ai от английского Appearance,
а смыслы — как Ei от английского Essence, звездочка * означает
операцию умножения. Тогда уравнение (1.2) может быть пред¬
ставлено как
A1*E1 + A2*E2 + A3*E3 = 0 (1. 3)
Уравнения (1.2) и (1.3) являются моделями фразы (1.1).
образование этих уравнений, приравнивание их к нулю, есть
операция поляризации.
Рассмотрим пример. Если мы имеем математическое урав¬
нение F(x1, x2, x3) = 0, то можем получить форму (1.3) посред¬
ством дифференцирования этого уравнения, тогда Ai будут
частными производными, а Ei — производными по времени
от переменных.
Лингво-комбинаторная модель является алгебраическим
кольцом(операторным кольцом), где используются три опера¬
ции — сложение, вычитание и умножение в соответствии с ак¬
сиомами алгебры, и мы можем разрешить уравнение (1.3) либо
относительно Ai, либо относительно Еi путем введения третьей
группы переменных — произвольных коэффициентов Us:
A1 = U1*E2 + U2*E3
A2 = -U1*E1 + U3*E3
A3 = -U2*E1 - U3*E2
или
E1 = U1*A2 + U2*A3
E2 = -U1*A1 + U3*A3
E3 = -U2*A1 - U3*A2
где U1, U2, U3 — произвольные коэффициенты, которые можно
использовать для решения различных задач на многоообразии
(2.3). Например, если хотим достичь максимум на поверхности
F(x1, x2, x3) = 0 по переменной х3, то можем назначить произ¬
вольные коэффициенты U2 = -b*A1, U3 = -b*A2 и тогда получим
dx1/dt = U1*A2 — b*A1*A3
dx2/dt = -U1*A1 — b*A2*A3 (1.6)
dx3/dt = b*(A1*A1 + A2*A2)
(1.4)
(1.5)
15
Глава 1. Основные положения кибернетики
и если b>0, тогда переменная х3 устойчиво стремится к максиму¬
му, а для манипуляции траекторией остается коэффициент U1.
Если уравнения (1.4) или (1.5) подставить в уравнение (1.3),
то оно тождественно обратится в нуль при любых U . Впервые
неопределенность была конструктивно введена в квантовой ме¬
ханике.
В общем случае, если имеем n переменных и m многооб¬
разий, ограничений, то число произвольных коэффициентов S
будет равно числу сочетаний из n по m+1, что было доказано
в монографии М. Б. Игнатьева «Голономные автоматические
системы» (изд-во АН СССР, 1963):
S = C m+1n , n>m (1.7)
Это основной закон кибернетики.
Число произвольных коэффициентов является мерой нео¬
пределенности и адаптивности.
Зависимость числа произвольных коэффициентов от числа переменных
и числа ограничений
m
n\
1
2
3
4
5
6
7
8
2
1
3
3
1
4
6
4
1
5
10
10
5
1
6
15
20
15
6
1
7
21
35
35
21
7
1
8
28
56
70
56
28
8
1
9
36
84
126
126
84
36
9
1
Лингво-комбинаторное моделирование может опирать¬
ся на анализ всего корпуса текстов на естественном языке,
это трудоемкая задача по извлечению смыслов для суперком¬
пьютеров; его можно также использовать, опираясь на ключевые
слова в конкретной области, что позволяет получать новые
модели для конкретных областей знания. В этом случае
лингво-комбинаторное моделирование заключается в том,
16
1.1. Неопределенность и лингво-комбинаторное моделирование
что в конкретной предметной области выделяются ключевые
слова, которые объединяются во фразы типа (1.1), на основе
которых строятся эквивалентные системы уравнений
с произвольными коэффициентами. В частном случае они могут
быть дифференциальными уравнениями и при их исследовании
можно использовать хорошо разработанный математический
аппарат. Лингво-комбинаторное моделирование включает все
комбинации и все варианты решений и является полезным
эвристическим приемом при изучении плохо формализованных
систем. Таблица иллюстрирует сдвинутый треугольник Паскаля,
который связан с числами Фибоначчи и золотым сечением.
Рассмотренный лингво-комбинаторный подход является
алгебраической теорией смысла. Лингво-комбинаторное моде¬
лирование является развитием квантово-механического подхо¬
да, который был сформулирован в 20-х годах ХХ века и в кото¬
ром неопределенность рассматривается как важнейший аспект.
Следующий шаг в этом направлении был сделан американским
профессором Лотфи Заде, который ввел понятие нечетких мно¬
жеств. Существуют и другие подходы к этой проблеме, напри¬
мер логико-математический.
В лингвистической литературе имеется множество трудов,
в которых исследуются понятия смысла и значения, которые
были проанализированы Л. Витгенштейном в его «Голубой
книге». Использование в качестве модели фразы (1.1) уравне¬
ния (1.2) позволяет построить исчисление смыслов, которое
хорошо реализуемо на компьютерах. По мнению Д. А. Леон¬
тьева, смысл (будь то смысл текстов, фрагментов мира, обра¬
зов сознания, душевных явлений или действий) определяется,
во-первых, через более широкий контекст и, во-вторых, через
интенцию, или энтелехию (целевую направленность, предна¬
значение или направление движения). В нашем определении
смысла наличествуют эти две характеристики — контексту-
альность (смыслы вычисляются исходя из контекста) и интен-
циальность (произвольные коэффициенты позволяют задавать
те или иные устремления).
Интенциальность — фундаментальное свойство человеческо¬
го разума. Интенциальность есть соотнесение ментальных состо¬
яний с объектами и ситуациями внешнего мира: «я вижу что-то»,
«я верю во что-то», «я ожидаю чего-то», «я боюсь чего-то», «я
17
Глава 1. Основные положения кибернетики
хочу чего-то»... Понятие интенции, намерения, направленности
сознания, воли, чувства на какой-либо предмет было в XIX веке
введено немецким философом Ф. Брентано. Интенциальные со¬
стояния можно отличить от неинтенциальных, не имеющих ре¬
ферентного объекта: я волнуюсь, я устал, я испуган, я счастлив
и т. д. Интенциальность — это свойство сложных систем, которое
развивается в процессе эволюции. Устройство жилищ обществен¬
ных насекомых является примером коллективной интенциальной
динамики, например, множество термитов строят прочные соору¬
жения, достигающие высоты 5 метров и веса 10 тонн.
В философии существует большое направление — феноме¬
нология — изучение сущностей. Сущности делят на наблюдае¬
мые и ненаблюдаемые. Можно трактовать лингво-комбинатор¬
ное моделирование как конструктивную феноменологию, как
исчисление сущностей исходя из различных текстов на есте¬
ственных и искусственных языках, при этом можно рассматри¬
вать как отдельные тексты, так и весь корпус текстов, накоплен¬
ных человечеством. Каждый этносоциум обладает собственным
набором сущностей. Разнообразие этносоциумов — это богат¬
ство нашей планеты. В связи с глобализацией количество этно¬
социумов сокращается, что плохо.
Процесс познания — изучение текстов. Именно поэтому
возникает знаменитый тезис Матураны: все, что сказано, сказа¬
но наблюдателем. Мы не можем вынести наблюдателя за скобки
описания процесса познания, так как в этом описании незримо
присутствует описание внутреннего состояния, внутренней
психической организации наблюдателя, которое рекурсивно
совершается в течение всей жизни (Матурана У. «Биология по¬
знания. Язык и интеллект» М., 1996).
1.2. АДАПТАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
В структуре эквивалентных уравнений систем со струк¬
турированной неопределенностью есть произвольные коэф¬
фициенты, которые можно использовать для приспособления
системы к различным изменениям, чтобы повысить точность
и надежность функционирования систем, их живучесть в потоке
18
1.2. Адаптационные возможности сложных систем
перемен. В качестве простого примера рассмотрим систему
с коррекцией аргумента для генератора, переменные которого
удовлетворяют уравнение окружности
(x)2 + (y)2 + R2 (1.8)
После дифференцирования получим
(x)dx/dt + (y)dy/dt = 0 (1.9)
и уравнения произвольными коэффициентами будут иметь вид
dx/dt = U1.y (1.10a)
dy/dt = -U1.x (1.10b)
Произвольный коэффициент Шможет быть использо¬
ван для коррекции генератора 1, как показано на рис.1.1,
где мы имеем два сервомеханизма и где f1 и f2 — помехи,
Дх и Ду — ошибки сервомеханизмов. Блок 2 вычисляет
сигнал коррекции
Д = (/) 2 - ^x)2 - (Ду)2 (1.11)
Рис.1.1. Система с коррекцией аргумента
19
Глава 1. Основные положения кибернетики
Рис.1.2. Осциллограммы 1-5 — это результат моделирования
системы с коррекцией аргумента в случае одинаковых
сервомеханизмов для различных скоростей в пропорции
122:3:4:5, и где ш есть эквивалент U1
20
1.2. Адаптационные возможности сложных систем
21
Рис 1.3. Осциллограммы 21 и 23 являются результатом
моделирования системы с коррекцией аргумента при
неодинаковых характеристиках сервомеханизмов.
Осциллограммы 20 и 22 есть результат моделирования
системы без коррекции аргумента
Таким образом, регулируется скорость генерации управля¬
ющих сигналов для сервоприводов, чтобы уменьшить ошибку
воспроизведения окружности. Система на рис.1.1. моделиру¬
ет металлорежущий станок, который в свою очередь может
моделировать движение сталкивающихся литосферных плит
21
Глава 1. Основные положения кибернетики
по поверхности земного шара. На рис. 1.1. f1 и f2 — помехи,
действующие на приводы, в том числе и помехи, возникающие
от столкновения резца с металлом заготовки.
Рис.1.4. Модель "Среда — система"
Теперь рассмотрим феномен адаптационного максимума
в жизненном цикле сложных развивающихся систем.
Биологические системы — от живой клетки до многоклеточ¬
ных организмов — проходят свой цикл развития от рождения до
смерти. Социально-экономические системы — семья, предпри¬
ятия, банки, города, села, регионы, страны проходят сложный
путь развития, находясь под воздействием различных внутрен¬
них и внешних факторов. одни предприятия и банки процве¬
тают, другие терпят крах, одни города и страны — богатеют,
другие переживают стагнацию, о чем свидетельствует мировая
статистика. Все это — сложные развивающиеся системы, в их
жизненном цикле проявляются закономерности, свойственные
многомерным системам.
Важной закономерностью, оказывающей большое влияние
на социально-экономические системы, является феномен нали¬
чия адаптационного максимума, который заключается в следу¬
ющем.
Установлена ранее неизвестная закономерность наличия
адаптационного максимума в жизненном цикле сложных раз¬
вивающихся систем, заключающаяся в том, что при наложении
ограничений на систему из n переменных ( n> 6) число произ¬
вольных коэффициентов в структуре эквивалентных уравнений,
22
1.2. Адаптационные возможности сложных систем
описывающих поведение системы, сначала возрастает, достигает
максимума, а потом начинает убывать.
Соответственно изменяются адаптационные возможности
системы — сначала они растут, достигают максимума, а потом
начинают убывать, и если наложение ограничений продолжа¬
ется, то система делается жесткой и погибает в потоке перемен
окружающей среды, откуда вытекает стратегия управления раз¬
личными сложными системами: они должны управляться так,
чтобы удержать их в зоне адаптационного максимума, чтобы
обеспечить их живучесть в потоке перемен.
Результаты переписи населения с 1896 до 1985 гг.
^\Years
1896-
1958-
1969-
1978-
1982-
1984-
1897
1959
1970
1980
1983
1985
0-4
133,0
11,9
6,9
8,1
7,9
7,7
5-9
12,9
1,1
0,7
0,7
0,6
0,6
10-14
5,4
0,8
0,6
0,5
0,5
0,5
15-19
5,8
1,3
1,0
1,0
1,0
0,9
20-24
7,6
1,8
1,6
1,7
1,6
1,5
2-29
8,2
2,2
2,2
2,3
2,2
2,0
30-34
8,7
2,6
2,8
2,9
2,9
2,8
35-39
10,3
3,1
3,7
4,3
3,8
3,6
40-44
11,8
4,0
4,7
5,4
5,6
5,7
45-49
15,7
5,4
6,0
7,8
7,4
7,3
50-54
18,5
7,9
8,7
10,3
10,9
11,3
Уже давно известно, что в биологических системах суще¬
ствуют ритмы. Например, из результатов переписи населения
ясно видно наличие минимума смертности для людей в возрасте
10-14 лет, при этом следует отметить, что он сохраняется не¬
зависимо от социально-экономических условий — и в период
1896-1897 годов, и в период 1984-1985 годов, но объяснения
этому минимуму смертности не было. Из статистики развития
экономики известны циклы Кондратьева и другие циклические
явления в экономике как отдельных предприятий, так и более
крупных экономических образований. В технических системах
известны периоды максимальной надежности и устойчивости.
23
Глава 1. Основные положения кибернетики
Предложенная математическая модель развивающихся систем
позволяет говорить о наличии закономерности адаптационного
максимума, которая объясняет многочисленные факты и позво¬
ляет предсказывать поведение сложных систем.
Рис. 1.5. Трансформация развивающейся системы, n1<n2<n3,
траектория системы: 1-2-3-4-5-6-...
сплошной линией показаны эволюционные процессы,
пунктирной — креативные процессы
Система — целостная совокупность элементов, в которой
все элементы настолько тесно связаны между собой, что она
выступает по отношению к другим системам и окружающей
среде как нечто единое. На рис. 1.4 представлена схема, где си¬
стема взаимодействует со средой и использует два механизма
адаптации: а — настройка или самонастройка системы с помо¬
щью произвольных коэффициентов в структуре эквивалентных
уравнений системы; б — обучение или самообучение системы,
которая заключается в наложении новых ограничений на систе¬
му. Кроме этих механизмов адаптации возможны и другие, такие
как рост числа переменных системы, размножение, эффективное
забывание, ограничение контактов со средой, объединение си¬
стем в коллектив и др. В общем случае число произвольных ко¬
эффициентов S в структуре эквивалентных уравнений системы
определяется как число сочетаний из n по т+1 и определяется
формулой (1.7).
Сложная — это система, в которой проявляется феномен
адаптационного максимума, то есть система с числом пере¬
менных больше шести. На рис.1.4 представлена схема взаимо¬
действия вышеописанной системы с окружающей средой, где
24
1.2. Адаптационные возможности сложных систем
переменные системы х 1,.. .,хк взаимодействуют с переменными
среды y1,...,yk, а сигналы рассогласования передаются в блок
управления, и у системы есть две возможности приспособиться
к изменениям в среде.
Это, во-первых, настройка с помощью манипуляции про¬
извольными коэффициентами, и чем больше этих коэффици¬
ентов, тем выше адаптационные возможности, и, во-вторых,
обучение, наложение новых ограничений на переменные си¬
стемы. В режиме непрерывного обучения число произвольных
коэффициентов изменяется в соответствии с формулой (1.7), и
это приводит к появлению циклов в развитии систем, что иллю¬
стрируется на рис.1.5, где цикл развития системы начинается
в точке 1, проходит через максимум в числе произвольных ко¬
эффициентов и заканчивается в точке 2, где должна наступить
трансформация, сброс ранее накопленных ограничений; далее
начинается в точке 3 новый цикл, опять система проходит че¬
рез максимум адаптационных возможностей, достигает точки
4, где опять происходит трансформация, и система начинает
новый цикл в точке 5 и так далее. Сплошной линией на рис. 1.5
показаны адаптационные процессы, пунктирной — креатив¬
ные процессы. Алгоритм креативных процессов заключается
в том, что выбираются элементы из набора и объединяются
в уравнение типа (1.2) или (1.3), разрешая которые мы полу¬
чаем генерирующую систему. В точке 2 возможно несколько
исходов — либо система продолжит эволюцию, либо система
через креативный процесс перейдет в новое состояние, либо
будет разрушена. Эта модель позволяет объяснить наличие ци¬
клов в развитии сложных биологических, социально-экономи¬
ческих и технических систем и ситуацию кризисов. Наличие
кризисов (точки 2, 4, 6.) является имманентным свойством
сложных систем, мы можем влиять лишь на их глубину, включая
как можно раньше креативные процессы.
Предложенная модель процессов самоорганизации слож¬
ных развивающихся систем реализует закономерность наличия
адаптационного максимума в жизненном цикле систем в пото¬
ке перемен. Жизненный цикл — совокупность фаз развития,
пройдя через которые система достигает зрелости и стано¬
вится способной эффективно функционировать и дать начало
новому поколению.
25
Глава 1. Основные положения кибернетики
Как показывает статистика, существуют циклы в развитии
экономики, в частности — циклы Кондратьева. Учет закономер¬
ности наличия адаптационного максимума позволяет объяснить
эти циклы. Надежность сложных человеко-машинных комплек¬
сов достигает своего максимума в зоне адаптационного макси¬
мума, и технические системы должны строиться таким образом,
чтобы при изменении этих систем они оставались в зоне адапта¬
ционного максима как можно дольше.
Число примеров систем можно было бы увеличивать, но уже
ясно, что феномен адаптационного максимума существует,
и учет закономерности наличия адаптационного максимума
в жизненном цикле сложных развивающихся систем позволит
лучше понять механизмы их функционирования и значительно
улучшить характеристики. Чтобы выжить, этносоциум должен
находиться в зоне адаптационного максимума.
Структурная стабильность, совокупность устойчивых
связей объекта, обеспечивающих его целостность и тожде¬
ственность самому себе, т.е. сохранение основных свойств
при различных внешних и внутренних воздействиях, обеспе¬
чивается адаптационными возможностями. В представленных
лингво-комбинаторных моделях адаптационные возможности
систем определяются числом произвольных коэффициентов
в структуре эквивалентных уравнений, наибольшая структур¬
ная стабильность достигается в зоне адаптационного макси¬
мума, который обнаруживается у различных систем с числом
переменных больше шести. Для удержания систем в зоне адап¬
тационного максимума можно использовать различные мето¬
ды — рост числа переменных, наложение и снятие ограниче¬
ний, объединение систем в коллективы. Действительно, если
имеем две системы
S1 = C”1+1, S2 = C”f+1 (1.12)
то путем наложения общих ограничений mcol получим коллектив
t m1+m2+mcol+1 ,
Scol = C , „ (1.
При этом в зависимости от конкретных параметров может
быть Scol > S1 + S2, когда объединение в коллектив приводит
26
1.2. Адаптационные возможности сложных систем
к росту адаптационных возможностей, а может быть Scol < S1 +
S2, когда адаптационные возможности меньше суммы возмож¬
ностей исходных систем. Наличие неопределенности в структу¬
ре системы, произвольных коэффициентов позволяет реализо¬
вать различные механизмы самоорганизации.
Примером коллективных взаимодействий являются му¬
равьи, в сообществе которых существует четкое выделение
рабочих и солдат. Изучение муравьиного сообщества привело
к созданию муравьиных алгоритмов, которые используются при
решении задач коммивояжера и др.
Эффект коллектива необходимо учитывать при органи¬
зации боевых действий. Как показывает анализ современных
войн в Ираке, Афганистане и Чечне, группы слабо вооружен¬
ных и плохо обученных людей часто оказываются эффективнее
хорошо вооруженных армий. Эти группы используют стайную
тактику ведения боевых действий. Под стаей понимается де¬
централизованная слабосвязанная организация боевых единиц,
не имеющая четко выраженного командования, но объединенн-
ная общей целью в соответствии с уравнением (1.13).
В настоящее время сложилась методология и контроллинг
крупномасштабных систем. Выделяют различные виды управ¬
ления: этологическое, традиционное, умное, изономическое
и другие, но при любом виде управления будут проявляться
эмерджентные свойства сложных систем, что необходимо учи¬
тывать при определении коридора эволюционных возможно¬
стей.
Наличие феномена адаптационного максимума в жизнен¬
ном цикле различных сложных развивающихся систем позволяет
объяснить эволюцию систем в условиях изменяющейся среды.
Феномен адаптационного максимума является основой самоор¬
ганизации в природе и обществе. Структура неопределенных
коэффициентов задает матрицу картины мира, в рамках которой
и разыгрываются различные события. Произвольные коэффици¬
енты в структуре эквивалентных уравнений могут быть и волно¬
выми функциями, а различные системы могут рассматриваться
как квантовые макрообъекты.
Лингво-комбинаторное моделирование существенно по¬
зволяет сформировать новую картину мира, которая опирается
на все достижения современной науки. Лингво-комбинаторная
27
Глава 1. Основные положения кибернетики
картина мира состоит из трех групп переменных, во-первых,
это явления (Appearances), во-вторых, смыслы (Essences),
в-третьих — структурированная неопределенность (Struc¬
tural Uncertainty), из которых состоят все неживые и живые
системы.
Лингво-комбинаторное моделирование — это матема¬
тический аппарат постнеклассической науки. На уровне
неклассической науки был введен наблюдатель, на уровне
постнеклассической науки введен управитель. Ниже рассматри¬
ваются лингво-комбинаторные модели из различных отраслей
знаний.
1.3. УПРАВЛЕНИЕ ХАОСОМ
И СТРУКТУРИРОВАННАЯ
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ
В древнегреческой мифологии хаос — беспредельная из¬
начальная масса, из которой образовалось впоследствии все
существующее. В переносном смысле — беспорядок, нераз¬
бериха. Хаос в современной науке принято определять так:
динамическая система, имеющая чувствительность к началь¬
ным условиям, свойство топологического перемешивания, не¬
линейность, глобальную неустойчивость с хотя бы одной неу¬
стойчивой точкой равновесия колебательного типа, при этом
размерность системы дифференциальных уравнений должна
быть не менее трех.
Мы будем рассматривать интеллектуальные системы, в ко¬
торых уже выделились отдельные слова естественного языка,
которые могут складываться в тексты различной осмысленно¬
сти. В настоящее время для анализа смысла и значения исполь¬
зуются логико-математические и алгебраические модели. Выше
было описано лингво-комбинаторное моделирование, в рамках
которого введена структурированная неопределенность в виде
произвольных коэффициентов в структуре эквивалентных
уравнений, которые можно использовать для приспособления
системы к различным изменениям, чтобы повысить точность
и надежность функционирования систем, их живучесть в потоке
28
1.3. Управление хаосом и структурированная неопределенность
перемен. Хаос часто связывают с неопределенностью в систе¬
мах. В лингво-комбинаторных структурах мы можем регулиро¬
вать неопределенность в структуре эквивалентных уравнений,
накладывая и снимая ограничения на переменные системы в со¬
ответствии с таблицей 1, также можно менять неопределенность,
управлять хаосом.
Для борьбы с хаосом в вычислительных системах можно ис¬
пользовать метод избыточных переменных, позволяющий вво¬
дить избыточность на уровне исходной задачи, что открывает
возможность наложить дополнительные ограничения на пере¬
менные расширенной системы, которые можно использовать
в качестве контрольных условий. Например, если требуется ре¬
шить дифференциальные уравнения:
f = №)’§= Р2Ш) (1.14)
можно ввести новую, третью переменную в эту задачу
X = Ъа.*x, Y = Xb.*x., i = 1, 2, 3 (1.15)
и на расширенную систему наложить дополнительное ограни¬
чение, например, такое:
F3(x1, x2, x3) = 0 (1.16)
Его можно использовать в качестве контрольного усло¬
вия — если оно нарушается, сигнал ошибки можно использовать
для коррекции системы.
Схема вычислительного процесса с контролем и коррекцией
по методу избыточных переменных изображена на рис 1.6. В кон¬
трольном органе (Ко) проверяется выполнение контрольного
условия. Сигнал ошибки, полученный на выходе контрольного
органа, может быть использован для коррекции вычислитель¬
ного процесса с помощью обратной связи (пунктирная линия
I на рис. 1.6) или с помощью коррекции вперед (пунктирная
линия II). В блоке УС — устройство сжатия — осуществляется
преобразование от избыточных переменных обратно к исход¬
ным. Блок ВУ — вычислительное устройство.
29
Глава 1. Основные положения кибернетики
Рис. 1.6. Схема вычислительного процесса с коррекцией
Аналогичным образом можно вводить избыточность в раз¬
личные системы, накладывать контрольные условия и строить
цепи коррекции. Актуальность темы подтверждается необходи¬
мостью реализовывать встроенные вычислительные устройства
в различные блоки для программного управления оборудовани¬
ем высокой ответственности в реальном времени.
При решении дифференциальных уравнений на вычисли¬
тельных машинах возможны нарушения, во-первых, в начальных
условиях, во-вторых, в правых частях уравнений, в-третьих, в са¬
мом операторе дифференцирования. И если в идеальной системе
должна решаться система уравнений
= fi (У1 'У 2 ) - У/(о) = У/0 (1.17)
то реально будет решаться система
= fi (у1' У 2 '-'Уп'< )+Ai (~1 --Уп') (1.18)
~i (0)= ~i 0 - i = 1,2' -'п
где A (У.... .уп .t) — помехи, действующие на систему диф¬
ференциальных уравнений.
Нарушения в операторе дифференцирования также сво¬
дятся к аддитивной добавке аналогичного вида в правых частях
реально решаемых систем уравнений.
30
1.3. Управление хаосом и структурированная неопределенность
Суть метода избыточных переменных заключается в том,
чтобы решать в вычислительном устройстве не исходную си¬
стему уравнений, а эквивалентную ей расширенную с неопре¬
деленными коэффициентами.
Введение избыточности позволяет не только организовать
контроль, но также управлять вычислительным процессом как
на основании априорных данных о помехах, так и текущего кон¬
троля процесса в реальном времени. В качестве примера рассмо¬
трим гармонический осциллятор.
Воспроизводимая функция в данном случае:
У12 + У 22 = R 2 (1.19)
Эквивалентная данному уравнению система дифференци¬
альных уравнений будет иметь вид:
dyi
I ~~ У2 (1.20)
dy2
dt
У1
Введем в качестве сигнала ошибки новую переменную у3
2 2 2
У1 + У2 - R = Уз (1.21)
После дифференцирования будем иметь
2yidyi + 2y2dy2 - dy3 = 0 (L22)
Эквивалентная система дифференциальных уравнений бу¬
дет иметь вид:
dy1
dt
: dy2
dt
dy3
^ dt
Ui 2 У2 U2
-Ui 2yi - U3
-U22yi - U32У2
(1.23)
31
Глава 1. Основные положения кибернетики
Величинау3 подсчитывается в контрольном органе по фор¬
муле (1.21), а и ее можно использовать для коррек¬
ции, назначив неопределенные коэффициенты и2 и и3 таким об¬
разом, чтобы у3 0.
Это осуществимо, если положить
u2 = Уз2У1а , u3 = У32У2a где а> 0.
/
В системе с коррекцией по воспроизводимой функции будут
решаться уравнения:
' d,yi
dt
Ф2
_ dt
Щ2У2 -Уз2yia
—«12yi - Уз2y2a
(1.24)
с начальными условиями у10 и у20 , при которых воспроизводимая
функция в(ую , у 20) = a
Последнее уравнение системы (1.23) прямо не будет решать¬
ся в системе — оно используется для аналитического синтеза.
При подстановке в него видно, что у3 0 при а > 0. С помощью
коэффициента и1 задается скорость и направление движения
по заданной траектории В(у1, у2) = 0 .
Для моделирования этой и последующих систем была вы¬
брана библиотека моделирования Simulink, являющаяся частью
среды MatLab.
Далее приводятся результаты решения системы диффе¬
ренциальных уравнений с применением различных численных
методов с различным шагом дискретизации А. Рассматривают¬
ся возможности применения коррекции по воспроизводимой
функции для каждого метода.
32
Рис. 1.7. Графики зависимости у2 от у1 (метод Эйлера
с шагом дискретизации 0,5) без коррекции (а) и с коррекцией (б)
1.3. Управление хаосом и структурированная неопределенность
Рис. 1.8. Графики зависимости у2 от у1 (метод Рунге-Кутты
с шагом дискретизации 0,5) без коррекции (а) и с коррекцией (б)
Анализируя данные примеры, можно сделать вывод, что
метод избыточных переменных позволяет, не уменьшая шага
дискретизации, т.е. не увеличивая времени решения системы
дифференциальных уравнений, при помощи манипулирования
только произвольными коэффициентами значительно снизить
величину ошибки, а в некоторых случаях добиться решения там,
где стандартными методами это сделать невозможно.
В качестве другого примера рассмотрим систему дифферен¬
циальных уравнений, моделирующую построение лемнискаты
Бернулли, которая имеет другую особую точку.
Воспроизводимая функция в данном случае:
(у2 + у?)-2а 2 (у1- у2 ) = 0
Аналогичным образом можно организовать контроль и кор¬
рекцию и в этом случае результаты вычислительного экспери¬
мента приведены на рис. 1.9.
а)
Рис. 1.9. Графики зависимости у2 от у
(метод Эйлера с шагом дискретизации 0,5, ut = 0,01)
без коррекции (а) и с коррекцией (б)
В качестве примера управления хаосом с использованием
произвольных коэффициентов рассмотрим задачу построения
аттрактора на сфере.
33
Глава 1. Основные положения кибернетики
Для построения аттрактора была сгенерирована система
дифференциальных уравнений движения точки по сфере. При
этом обязательным является нахождение точки на сфере (если
мы рассматриваем аттрактор применительно к движению мате¬
риковых плит — они находятся на поверхности земного шара).
Неопределенные коэффициенты необходимо назначить так,
чтобы их изменения (переназначения) приводили к значитель¬
ным изменениям переменных, на которые эти коэффициенты
влияют.
Воспроизводимая функция сферы:
xl- + x- + x3 = R2 (1.25)
Количество неопределенных коэффициентов будет равно 3,
и система дифференциальных уравнений будет иметь вид:
dxy
dt
dx.
dt
dx3
, dt
2
- = -Ui x1
= UiX-
= -u-Xi
+ U-X3
+ U3X3
U3X2
(1.26)
с начальными условиями x2(0) = x10 , x2(0) = x20, x3(0) = x30 , удов¬
летворяющими уравнению (1.25).
Можем назначить u1 = x2, u2 = x3, u3= 1,
тогда x max .
Через некоторое время назначаем uy = -xy> u3 = x3, u2= 1,
тогда x2 max .
Через некоторое время назначаем u2 = -x2, u3 = -x2, u = 1,
тогда x3 max .
Далее цикл повторяется, можно организовать попеременное
устремление к максимуму каждой из переменных, переключая
коэффициенты в случайный момент времени (когда время перехо¬
да от одного состояния к другому неизвестно). В качестве среды
моделирования выберем Simulink — часть среды моделирования
MatLab. Каждый читатель может установить на своем компьюте¬
ре MatLab, повторить эти эксперименты и поставить новые.
34
1.3. Управление хаосом и структурированная неопределенность
Рис.1.10. Модель воспроизведения аттрактора на сфере.
Результаты моделирования представлены на следующих рисунках.
Рис.1.11. Графики зависимости переменных x, x2,x3 от времени t
35
Глава 1. Основные положения кибернетики
Рис. 1.12. Траектория на поверхности сферы
с координатами x, x,x3
1.4. СТРУКТУРА ЦИФРОВОЙ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Во время Второй мировой войны возникла мощная индустрия
для производства электронных ламп — триодов, пентодов и др.,
которые использовались в системах связи. После войны эти лампы
применялись при создании электронных вычислительных машин
сразу в ряде стран — в США, СССР, Германии, Англии и др.
Ввод/вывод
информации
для человека
Процессор
Память
Управление
Рис.1.13. Структура компьютера первого поколения
36
1.4. Структура цифровой вычислительной системы
На рис. 1.13 изображена структура компьютера первого по¬
коления, которая состоит из процессора, памяти, системы управ¬
ления и устройства ввода-вывода для общения с человеком.
Структура цифрового компьютера позволяет реализовать
неопределенность, память компьютера может быть и пустой,
и заполненной различными программами.
Люди всегда думали о том, как облегчить свой труд, и созда¬
вали различные механизмы и машины, которые прошли длин¬
ный путь развития — от простейших рычагов до нанотехники. В
своих мифах и мечтах люди создали образ помощника, который
в ХХ веке принял образ робота. В настоящее время миллионы
роботов трудятся на различных рабочих местах — от сборки ав¬
томобилей до исследований космоса.
Основные составные части робота - это, во-первых, дви¬
жители, с помощью которых осуществляется его перемещение,
во-вторых, сенсоры, с помощью которых робот получает инфор¬
мацию из окружающей среды, в-третьих, решающие устройства,
которые обрабатывают сенсорную информацию, сопоставляют
ее с целевой установкой и вырабатывают управляющие сигналы
на движители, чтобы достичь тех или иных целей. Все эти систе¬
мы имеют аналоги в живых системах.
Применительно к человеку движители — это мышцы и кости
скелета, сенсоры — кожа, зрение, слух, обоняние и вкус, решающая
система — это нервная система и мозг. В настоящее время люди
только начинают разбираться в устройстве биологических систем,
еще очень велик разрыв между возможностями биологических
систем и техникой, созданной руками человека. Сформировалось
научное направление — бионика, — в рамках которого изучаются
биологические структуры и выявленные принципы реализуются
технически. Развитие нанотехники позволит сократить этот разрыв.
В процессе развития движители прошли путь от простых
рычагов, полипастов, через использование мышечной силы жи¬
вотных, через создание различных гидравлических и пневма¬
тических систем, через создание различных электроприводов
до нанодвижителей, и эта эволюция заняла тысячи лет.
Сенсорные системы прошли путь от химических структур,
чувствительных ко вкусу и запаху, через развитие тактильных
датчиков, различных слуховых и зрительных анализаторов
до наносенсоров.
37
Глава 1. Основные положения кибернетики
Наибольшее внимание далее уделяется развитию инфор¬
мационно-вычислительных систем, потому что этот путь у нас
перед глазами, он был пройден за каких-то 50 лет благодаря уси¬
лиям ученых и инженеров различных специальностей.
Вычислительные машины — это системы со структури¬
рованной неопределенностью, которая может иметь разное
физическое воплощение. Имеются примеры реализации вы¬
числительных устройств на пневматических и гидравлических
элементах, на аналоговых и цифровых структурах. Недосягае¬
мым для современной техники является устройство и функци¬
онирование нервной системы живых существ, слишком плохо
мировая наука изучила физико-химические и информационные
процессы в биологических структурах, слишком велик техно¬
логический разрыв между электроникой и биологическими
процессами. Так называемый нейрокомпьютинг — не более
чем внешняя имитация сложных процессов в нейронных струк¬
турах.
Наибольшее распространение в настоящее время получи¬
ли микроэлектронные системы — от мобильных телефонов до
суперкомпьютеров, сложилось представление о поколениях
вычислительной и телекоммуникационной техники. Эволю¬
ция вычислительной техники весьма поучительна для пони¬
мания логики развития информационных систем. В настоя¬
щей работе восстанавливаются некоторые аспекты истории
развития ВТ.
1.4.1. Эволюция элементной базы
В пятидесятые годы прошлого века появились полупрово¬
дниковые элементы, которые позже были объединены в инте¬
гральные схемы. Первый коммерчески доступный микропро¬
цессор появился в 1971 г. Это был 4-разрядный микропроцессор
14004 фирмы Intel, содержащий на кристалле 2300 транзисторов
и работающий с тактовой частотой 0,4 Мгц с производитель¬
ностью 60 тыс. операций в секунду. В то время использовалась
10-микронная технология изготовления микросхем.
В 1984 году появились 32-разрядные микропроцессо¬
ры, такие как 18 386 фирмы Intel, который содержал 275 тыс.
38
1.4. Структура цифровой вычислительной системы
транзисторов, работал на частоте 16 Мгц с быстродействием до
5,5 млн операций в секунду. В таких микропроцессорах исполь¬
зовалась технология, позволяющая доводить расстояние меж¬
ду элементами на микросхеме до 1 микрона. К концу 1998 года
наиболее производительные микропроцессоры PentiumII фир¬
мы Intel работали с частотой 450 Мгц, содержали около 7,5 млн
транзисторов на микросхеме, они изготовлялись по технологии
0,25 микрона.
Успехи в физико-химической очистке кристаллов кремния
позволили освоить еще более высокие параметры. За послед¬
ние годы удвоение тактовой частоты и числа транзисторов
на кристалле происходило примерно за 2-3 года. Этот пока¬
затель называют законом Мура (Гордон Мур — основатель
компании Intel). Дальнейшее увеличение количества элементов
на кристалле выявило технологические ограничения — меха¬
нические и прочностные ограничения на количество выводов
из кристалла, встала задача сокращения потока информации
из кристалла и в кристалл, что оказалось возможным осуще¬
ствить только на основе построения самоорганизующихся
БИС, когда многие функции реализовывались в рамках толь¬
ко самого кристалла. Этими функциями стали контроль, ди¬
агностика и коррекция вычислительных процессов внутри
кристалла за счет разумно введенной избыточности и возмож¬
ности диагностировать неисправные элементы, исключить их
из вычислительного процесса без критического уменьшения
быстродействия.
Разрабатываются объемные интегральные схемы, в кото¬
рых транзисторы размещаются на параллельных слоях, что
облегчает коммуникацию между слоями. В пределе размеры
решающих элементов приблизятся к размерам молекул и ато¬
мов, но там уже действуют другие законы, законы квантовой
механики, которые учитываются в нанотехнологиях. В послед¬
ние годы ведется интенсивная разработка квантовых вычисли¬
тельных машин, самым интересным в этих разработках являет¬
ся возможность реализации особых квантовых явлений, таких
как телепортация.
В следующей таблице показана эволюция элементной базы.
Первые четыре поколения — это уже свершившийся факт,
5 и 6 поколения — прогноз.
39
Глава 1. Основные положения кибернетики
Эволюция элементной базы
определяющие
свойства
ФАКТ
прогноз
1
2
3
4
5
6
Наноструктуры
на основе углерода
+
Сверхбольшие
интегральные схемы
+
Большие интегральные
схемы
+
Интегральные
схемы
+
Полупроводниковые
элементы
+
Электронные
лампы
+
1.4.2. Эволюция уровня знаний
За последние 50 лет мы могли наблюдать непрерывное по¬
вышение уровня интеллекта ЭВМ, которое проявляется в том,
что все более сложные процедуры, постановки и решения ин¬
теллектуальных задач передаются от человека машине. Этапы
качественного изменения в разделении труда между человеком
и ЭВМ совпадают по времени с объявлением новых поколений
ЭВМ. В таблице отражена эволюция уровня знаний ЭВМ.
В качестве второго принципа эволюции рассматривается по¬
стоянное возрастание уровня знаний в ЭВМ. Машины 1-го по¬
коления обладали процедурными знаниями, располагали стан¬
дартными программами, например для решения большого числа
линейных алгебраических уравнений. Машины 2-го поколения
обладали интерфейсными знаниями, располагали транслятора¬
ми. Машины 3-го поколения обладали уже и системными зна¬
ниями, различными управляющими программами, из которых
выросли операционные системы.
В качестве третьего принципа рассматривается эволю¬
ционное развитие архитектуры ЭВМ, интегрирование до¬
стижений предыдущих этапов развития — переемственность
40
1.4. Структура цифровой вычислительной системы
и совместимость, что и обеспечило быстрый прогресс компью¬
терных технологий.
В качестве четвертого принципа рассматривается повышение
уровня операционной среды в ЭВМ, что проявляется в развитии
механизмов виртуализации программных и аппаратных средств,
введении средств автоматизации контроля и восстановления про¬
цессов, автоматизации планирования и распределения ресурсов.
В качестве пятого принципа рассматривается реализация
знаний детерминированной аппаратной логикой. На первых
этапах развития вычислительной техники аппаратное обеспе¬
чение было дороже программного, сейчас — наоборот, По
дороже, поэтому представляется целесообразным реализация
максимального числа функций аппаратным образом.
В качестве шестого принципа рассматривается специализация
средств обработки информации и управления. В принципе
цифровые машины универсальны, но затраты памяти и времени
для решения разных задач неодинаковы. При специализации
вычислительной техники на решение конкретных задач
стоимость и качество решения отличаются в десятки раз, поэтому
предпочитают проблемно ориентировать вычислительную
технику для использования в конкретных областях—в финансовой
сфере, в сфере управления самолетами и т. д. Высший уровень —
это метазнания. Всеобщие знания реализуются в виде поисковых
систем типа GOOGLE.
Эволюция уровня знаний ЭВМ
определяющие
ФАКТ
прогноз
свойства
1
2
3
4
5
6
Метазнания
+
Всеобщие знания
+
+
Проблемные знания
+
+
+
Системные знания
+
+
+
+
Интерфейсные знания
+
+
+
+
+
Процедурные знания
+
+
+
+
+
+
41
Глава 1. Основные положения кибернетики
1.4.3. Эволюция операционной среды
Под интеллектуальной понимается естественная, искусственная
или формальная система, обладающая способностью целесообраз¬
ного поведения в изменяющейся среде — выбора и принятия
решений, обучения и адаптации. Под знаниями интеллектуальной
системы понимается ее атрибутивная информация. Моделью
интеллектуальной системы является операционная среда.
Эволюция операционной среды
определяющие
свойства
ФАКТ
прогноз
1
2
3
4
5
6
Искусственный
«разум»
+
Интеллектуальная
машина
+
+
объектная машина
+
+
Виртуальная машина
+
+
Реальная машина
+
+
Физическая машина
+
+
Эволюция интерфейса общения
определяющие
свойства
ФАКТ
прогноз
1
2
3
4
5
6
Естественные языки
+
Прикладные языки
+
+
Логические языки
+
+
+
Функциональные языки
+
+
+
Процедурные языки
+
+
+
Машинные языки
+
+
+
42
1.4. Структура цифровой вычислительной системы
Под архитектурой ЭВМ понимается спецификация опера¬
ционной среды через определение в терминах пользователя ее
состава, свойств, функций и правил взаимодействия.
1.4.4. Эволюция устройств ввода-вывода
информации
Удельный вес устройств ввода-вывода информации в стоимо¬
сти вычислительных систем непрерывно повышается, прогресс
в этой области значительно сложнее, так как непосредственно
связан с характеристиками человека как конечного пользователя.
Эволюция устройств ввода-вывода
определяющие
свойства
ФАКТ
прогноз
1
2
3
4
5
6
Виртуальные костюмы
+
Динамические объекты
+
+
Запах и вкус
+
+
+
Речевой ввод
+
+
+
+
Дисплеи цифровые
+
+
+
+
+
Кнопочные панели
+
+
+
+
+
+
1.4.5. Эволюция средств связи
Параллельно с развитием средств обработки информации
развивались системы передачи информации. В рамках эволюции
живых систем самым главным была передача наследственной ин¬
формации от родителей к потомкам. В процессе эволюции живые
системы оснащались различными сенсорными системами — так¬
тильными, вкусовыми; анализаторами запахов, зрительных и слу¬
ховых образов. Потом возникли системы устной и письменной
речи, получила распространение система почты. В середине
43
Глава 1. Основные положения кибернетики
XIX века возник телеграф, потом радио, телефон, телевидение.
Вычислительные машины в начальный период своего развития
не были объединены в сети. Системы передачи информации
(в пространстве), хранения информации (передачи во време¬
ни) и вычислительные машины развивались как бы отдельно.
Но с семидесятых годов ХХ столетия произошло их объединение,
возникли вычислительные сети, первой из которых была ARPA¬
NET, и сетевые технологии получили большое развитие; сложи¬
лась Всемирная паутина, и в настоящее время осуществляется
интеграция всех средств передачи информации по формуле
Networking = data + voice + image
Происходит сращивание всех средств связи и передачи инфор¬
мации, складывается гибридный человеко-машинный интеллект,
в итоге каждый человек получит в свое распоряжение мощный
коммуникатор и быстрый доступ ко всем накопленным знаниям.
Социально-экономическое развитие государства во многом
определяется информатизацией на основе новых технологий.
В соответствии с правительственными решениями, каждый на¬
селенный пункт с населением свыше 500 человек должен иметь
выход в Интернет. Чтобы решить эту большую задачу, необхо¬
димо решить следующие проблемы.
Во-первых, необходимо определить поэтапно спектр предо¬
ставляемых услуг с перспективой их развития. Единая сеть должна
объединять все органы управления, почты, организации здраво¬
охранения, образования и культуры и предоставлять населению
широкий спектр услуг. В перспективе каждый житель России,
от ребенка до пенсионера, должен иметь своего помощника —
аватара — для получения различных услуг в виртуальных мирах.
Во-вторых, нужно создать такую инфраструктуру, которая
поначалу могла бы объединить все районные центры России,
с использованием всех проводных и беспроводных средств свя¬
зи, оптоволоконных линий и систем с привязными аэростатами.
В-третьих, необходима разработка трехслойного Интернета,
где первый слой — это системы проводной связи, наземные систе¬
мы, второй — системы на основе привязных аэростатов и свободно
летающих дирижаблей, третий слой — это системы на основе ис¬
пользования спутников. Трехслойный Интернет имеет повышенную
надежность, мобильность и высокую пропускную способность.
44
1.4. Структура цифровой вычислительной системы
В-четвертых, возникает проблема концентрации финан¬
совых ресурсов для решения этой задачи, с привлечением как
местных и федеральных ресурсов, так и ресурсов частных фирм.
В-пятых, решение проблемы информатизации регионов Рос¬
сии — это задача комплексного системного анализа территорий
и ресурсов.
1.4.6. Эволюция защиты информации
Системы отделяются друг от друга и от окружающей среды
с помощью границ. В биологических структурах клетки отделя¬
ются с помощью мембран, а кожа отделяет один организм от дру¬
гого. Системы обработки и передачи информации отделяются
с помощью структур защиты информации, которые непрерывно
развиваются. При этом развитие современных открытых сетей
передачи информации (сетей общего пользования) привело к по¬
явлению разнообразных задач, ранее в криптографии не рассма¬
тривавшихся.
1.5. ПРИНЦИП ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
обратная связь — одно из основных понятий, характеризу¬
ющих функционирование и развитие систем. Если прямая связь
есть передача управляющих сигналов от центрального блока
(в частности, мозга) к исполнительным органам системы, то об¬
ратная — это передача в центральный блок информации о резуль¬
татах управления. Прямая и обратная связь образуют замкнутый
контур циркуляции информации в системе, представляя собой
механизм устранения рассогласования между целью (или анало¬
гом цели) и результатом управления. обратная связь обеспечивает
как стабилизацию параметров управляемого объекта (например,
поддержание постоянства температуры, давления и состава крови
в живом организме), так и генерацию различных сигналов в слу¬
чае положительной обратной связи. Механизмы обратной связи
подробно изучаются в курсах по автоматическому регулированию
и управлению и получили новое развитие в трудах С. В. емельяно¬
ва. Рекурсивные вычислительные структуры реализуют принцип
45
Глава 1. Основные положения кибернетики
обратной связи на новом уровне, формируются метациклические
виртуальные машины.
В наши дни видеокамера — обычное устройство, она воспро¬
изводит на телевизионном экране образ той сцены, на которую
обращена. Но что происходит, если видеокамера смотрит на свой
собственный экран? Эта ситуация похожа на парадокс Эпименида
(«Это утверждение — ложь») и другие знаменитые парадоксы,
ссылающиеся на самих себя. Когда видеокамера смотрит на себя,
система «сходит с ума», в чем легко убедиться экспериментально.
Чаще всего картинки стремятся к спонтанной упорядоченности и
структурированности и превращаются в колеса на оси, спирали,
лабиринты, волны и полоски. Иногда эти формы приобретают
устойчивость и сохраняются, иногда они ритмично вибрируют
и т. д. Видеосистема, наблюдающая самую себя, — пример само¬
организации. Возможны различные усложнения этого опыта, на¬
пример видеокамерой можно управлять с помощью музыки, тогда
генерируемые изображения будут по-разному отражать структу¬
ру каждого музыкального произведения.
Дальнейшее развитие этой системы — кибернетический вело¬
сипед, который представляет собой человеко-машинную систему.
обычный велосипед закрепляется в стойке, на велосипеде сидит че¬
ловек, который крутит педали и руль. Перед человеком установлен
экран, на котором изображена дорога, по которой он едет. Снима¬
ются сигналы с поворота руля и педалей, эти сигналы передаются
в компьютер, который управляет мультимедийным проектором.
В этой системе роль видеокамеры выполняют глаза человека и, в за¬
висимости от ситуации на дороге, человек крутит руль и педали,
таким образом реализуется обратная связь. У человека возникает
иллюзия, будто он едет по реальной дороге, объезжая препятствия.
1.5.1. Кибернетический велосипед
В настоящее время для решения различных задач в обра¬
зовании, здравоохранении, науке, культуре, спорте наметилась
тенденция применения технологии виртуальных миров (ВМ),
обеспечивающей погружение человека в определенную среду
и взаимодействие с объектами этой среды с использованием
различных его характеристик — физических, сенсомоторных
46
1.5. Принцип обратной связи
и др. При этом одной из проблем эксплуатации подобных сред
является противоречие между требованием высокой степени
погружения и уровня интерактивности человека с ВМ и стан¬
дартными устройствами ввода-вывода вычислительных систем,
которые не могут это обеспечить.
В качестве одного из решений указанной проблемы для до¬
ступа к ВМ предлагается устройство «Кибернетический вело¬
сипед», которое представляет собой программно-аппаратный
комплекс, позволяющий велосипедисту перемещаться в вирту¬
альном мире и взаимодействовать с его объектами, в т.ч. на ос¬
нове биологической обратной связи.
Велосипед как интерфейс функционально интуитивен и дает
возможность простого управления перемещением в терминах
скорости и маневренности, полную физическую и визуальную
экспозицию ВМ, а также требует реальных телесных и когни¬
тивных усилий, порождающих различные ощущения как соеди¬
нение его физического и виртуального опыта.
В этом направлении ведутся фундаментальные и экспери¬
ментальные работы в ГУАП, первые результаты которых вошли
в комплекс инновационных разработок «образовательные вир¬
туальные миры Петербурга», удостоенные премии Президента
Российской Федерации в области образования.
К настоящему времени разработаны экспериментальные
образцы кибервело, апробация которых выявила наиболее ак¬
туальные областям применения:
- образование (дошкольное, дополнительное, школьное,
среднее и высшее) — активное освоение различных дис¬
циплин (география, биология, физика, физкультура, ин¬
форматика и др.), правил дорожного движения, сочетание
обучения с оздоровлением;
- научные исследования человеко-машинных интерфей¬
сов — сенсомоторных и нейро;
- здравоохранение — реабилитация, лечение зависимостей;
- спорт, фитнес, велнес — индивидуальный и групповой
тренаж, релаксация, виртуальные соревнования;
- культура и искусство — электронный туризм, различные
инсталляции;
- развлечения — индивидуальные и коллективные игры
и соревнования.
47
Глава 1. Основные положения кибернетики
Для улучшения функциональных и потребительских ха¬
рактеристик кибервело необходима научно-исследовательская
и опытно-конструкторская работа, в результате которой будут
разработаны и апробированы в различных областях 10 экспе¬
риментальных образцов с продвинутой функциональностью,
превосходящей зарубежные аналоги, что позволит в дальнейшем
коммерциализировать эти результаты.
опытные образцы
№
Состав
текущие
планируемые
1
Аппаратные средства
2 образца
10 образцов
1.1
Велосипед
дорожный
любой
• Конструкция станины —
+/+ *)
подвесная/роликовая
+/+
• датчик поворота руля
+
+ *)
1.2
• датчик оборотов колеса
+
+ *)
• имитатор нагрузок
+
+ *)
• мотор-колесо
-
+
• накопитель электроэнергии
-
+
1.3
Модуль сбора, передачи
данных и управления
USB
Bluetooth,
нагрузкой по стандартным
WiFi
протоколам
Управляющий компьютер
1.4
настольный/ноутбук/
планшет/смартфон
+/-/-/-
+/+/+/+
Устройства ввода-вывода —
экраны устройств/
проекционные/ТВ
+/+/+
+/+/+
• шлемы виртуальной
и дополненной реальности,
1.5
в т. ч. на базе смартфона
-
+
• аудиосистема
• управление касаниями,
+
+
жестами и голосом
-
+
• управление с учетом био-
логической обратной связи
(пульс, давление, нейро)
-
+
48
1.5. Принцип обратной связи
1.6
Сервер Multiuser
-
+
1.7
Стереовизуализация
-
+
2
Программные средства
2.1
Платформы — Windows/
Android/iOS
+/-/-
+/+/+
2.2
Велобраузер
+
+ *)
2.3
Библиотеки интерактивных
3D-моделей, включая
• велосипеды с персонажами
• трассы с окружающей
средой (город,
пересеченная местность)
• интеллектуальные
автономные
велосипедисты
1
1
не менее 5
не менее 2
не менее 1
2.4
Модуль для организации
многопользовательского
режима с поддержкой
текстовой, голосовой
и невербальной
коммуникации
-
+
2.5
Редактор моделей трасс
(пользовательский)
-
+
2.6
Модуль работы
с on- и off-line
приложениями,
соответствующими
принятым форматам
(например, SecondLife,
WebGL и др.)
-
+
2.7
Модуль сбора
и отображения данных
заездов
-
+
*) — на современной аппаратной и программной базе
49
Глава 1. Основные положения кибернетики
Рис. 1.14. Подвесная конструкция
Рис. 1.15. Роликовая конструкция Рис. 1.16. Вид с пользователем
Рис. 1.17. На велодроме Рис. 1.18. На улице
Рис.1.19. Многопользовательский режим (персонажи)
50
1.5. Принцип обратной связи
Рис.1.20. Кибервело как система
с биологической обратной связью
Как показывают маркетинговые исследования, каждая школа
скоро будет иметь класс кибернетических велосипедов
1.6. САМООРГАНИЗАЦИЯ
И ВНЕШНЕЕ УПРАВЛЕНИЕ
Когда говорят о кибернетике как предтече современной
теории самоорганизации сложных систем, обычно упомина¬
ют имена Норберта Винера и Уильяма Эшби. Большой вклад
в развитие кибернетики и ее эпистемологических следствий
внес немецкий ученый Хайнц фон Ферстер. Под его влияни¬
ем чилийский ученый Франсиско Варела разработал теорию
автопоэзиса.
Фундаментальной идеей кибернетического мышления яв¬
ляется идея цикличности, самоотнесенности, обратной связи.
Ключевым словом в трудах фон Ферстера является немецкое
слово Eigen, соответствующее английскому self или русскому
«собственный», «само», «я» (eigenbehavior, eigenelement, ei¬
genfunction, eigenprocess, eigenvalue). Ни одна система не могла
бы выжить без способности поддерживать и воспроизводить
свое собственное поведение и свою собственную организа¬
цию. В самоорганизации всегда есть элемент цикличности, это,
по сути, организация организации. Сознание сознания есть
51
Глава 1. Основные положения кибернетики
самосознание, а понимание понимания есть самопонимание.
Кстати, Ф.М. Достоевский внес большой вклад в развитие этих
понятий.
окружающий мир в том виде, в котором мы его восприни¬
маем, — наше изобретение. Мозг является конструктором карт
и моделей, и все наши теории и объяснения являются конструк¬
циями. Нам надлежит принять ответственность за те миры, кото¬
рые мы конструируем. Кибернетика первого порядка отличается
от кибернетики второго порядка тем, что, когда первая изучает
наблюдаемые миры, вторая исследует наблюдающие системы.
Кибернетика первого порядка разделяет объект и субъ¬
ект, она указывает на предполагаемый независимый мир «там,
вне нас». Кибернетика второго порядка сама является цикли¬
ческой — человек научается понимать себя частью того мира,
который он намеревается наблюдать. Вся ситуация описания
сдвигается в другую область, в которой человек вынужден при¬
нять на себя ответственность за свои собственные наблюдения.
Согласно фон Ферстеру, мы не отражаем, а изобретаем, кон¬
струируем, строим виртуальный мир. Поскольку мир — наше
изобретение, каждый из нас когнитивно одинок. Каждый осва¬
ивает, инактивирует для себя собственный мир, конструирует
свою реальность. Цель познания — это сам процесс познания.
Правы буддисты, которые говорят, что ты прокладываешь свой
путь при движении по нему, ибо путь не есть нечто вечное и за¬
ранее заданное, путь возникает в момент движения.
облик когнитивной науки сегодня — это так называемая
телесная когнитивная наука (embodiedcognitivescience), значи¬
тельный вклад в разработку концептуальных основ которой внес
Ф. Варела. В когнитивной науке сейчас происходит концепту¬
альный поворот от вычислительной к динамической стратегии,
основы которой были заложены еще в 60-е годы XX века.
Динамическая стратегия базируется на семи принципах:
1. Познание инкарнировано (соgnitionisembodied), познание
телесно, воплощено, детерминировано телесной облечен-
ностью человека, мезокосмически обусловлено способно¬
стями человеческого тела видеть, слышать, ощущать. То, что
познается и как познается, зависит от строения тела и его
52
1.6. Самоорганизация и внешнее управление
конкретных функциональных особенностей, способно¬
стей восприятия и движения в пространстве и во времени.
Устроено по-разному — значит, мир познается по-разному.
Ум живет в теле, а тело живет в мире, а телесное существо
действует, охотится за чем-либо, воспроизводит себя, меч¬
тает, воображает. «Тело живет в мире, как сердце в организ¬
ме», «тело — это наш способ обладания миром» (М. Мер-
ло-Понти), тело и мир образуют единую систему.
2. Познание ситуационно. Когнитивная система встроена,
укоренена как внутренне — в обеспечивающем ее дея¬
тельность материальном нейронном субстрате, — так и
внешне — включена во внешнее ситуативное физическое
и социокультурное окружение. Каждый живой организм
раскраивает «мир» по-своему. он выбирает, черпает
из огромного резервуара возможностей мира то, что отве¬
чает его способностям познания. В процессе формирования
собственной идентичности живой организм как существо
когнитивное вырезает из окружающей реальности контур
своей среды. По словам Мерло-Понти, воспринимаемый
мир — это совокупность дорог, по которым движется тело.
Плоть мира — это кладезь возможностей, а познающее те¬
ло-разум пробуждает из забытья, выводит на поверхность
из бездны кишащих возможностей в данном конкретном
акте познания лишь одну из них, лишь что-либо из того, что
присуще миру и одновременно отвечает его познавательным
устремлениям, его исследовательским намерениям, его жиз¬
ненным потребностям.
3. Познание инактивировано (cognitionisenacted) — познание
осуществляется в действии и через действие. Через действия,
двигательную активность формируются и когнитивные
способности. Познавательная активность в мире создает
и саму окружающую среду по отношению к когнитивному
агенту среду — в смысле отбора из мира именно и только
того, что соответствует когнитивным способностям
и установкам. Мир живого организма возникает вместе
с его действием. Это — инактивированный мир. Не только
познающий разум познает мир, но и процесс познания
53
Глава 1. Основные положения кибернетики
формирует разум. «Познание есть активное участие,
глубинная кодетерминация того, что кажется внешним, и
того, что кажется внутренним»(Ф. Варела). Познающий
не столько отражает мир, сколько творит его.
4. Когнитивные структуры являются эмерджентными (cog-
nitionisemergent), они проявляются спонтанно, непредска¬
зуемо и относительно недерминированно в ходе процессов
самоорганизации, которые охватывают и увязывают воеди¬
но мозг человека, его тело и его окружение. Простой при¬
мер — кибервело.
5. Процесс познания индивида протекает во взаимной связи.
Границы между Я и Другим даже в процессах восприятия
не очерчены точно, с полной определенностью: быть собой,
проявлять свое Я и создавать Другого — это события, сопут¬
ствующие друг другу. Наличие другого позволяет говорить
о параллельных мирах, каждый из которых имеет свою ди¬
намику развития и свои способы взаимодействия с другими.
6. Познание динамично и строится в процессе самооргани¬
зации. Когнитивные системы являются динамическими
и самоорганизующимися системами. Функционирование
познавательных систем принципиально сходно, единосущ¬
но функционированию познаваемых природных систем,
т.е. объектов окружающего мира. Именно поэтому в рам¬
ках телесного подхода находят плодотворное использова¬
ние новейшие достижения в области нелинейной динамики,
теории сложных адаптивных систем, теории самоорганизо¬
ванной критичности, синергетики.
7. В процессе познания имеет место циклическая детерминация
субъекта и объекта познания. Сложность и нелинейность со¬
провождающих всякий акт познания обратных связей означа¬
ет то, что субъект и объект познания взаимно детерминируют
друг друга, то есть находятся в отношении ко-детерминации,
они используют взаимно предоставленные возможности, про¬
буждают друг друга, сорождаются, сотворятся, изменяются
в когнитивном действии и благодаря ему.
54
1.6. Самоорганизация и внешнее управление
Наглядный образ такого рода дает нам известная литогра¬
фия М. Эшера «Рисующие руки» (рис. 1.21). Правая рука ри¬
сует манжету с запонкой. Ее работа не закончена, а справа уже
детально прорисована левая рука, которая рисует манжету с за¬
понкой, из которой выступает правая рисующая рука. Эти две
руки взаимно рисуют друг друга, они взаимно полагают условия
своего возникновения и составляют некое единство, некое взаи¬
модействие, которое можно назвать креативным кругом.
Рис. 1.21. Мауриц Эшер. Рисующие руки, 1948
В качестве основного математического аппарата в книге
используется лингво-комбинаторное моделирование, которое
на основе анализа текстов позволяет выявить возможности
управления в самых различных системах. При этом управление
может быть как внутренним и осуществляться блоком управле¬
ния, действующим внутри системы, так и внешним, когда управ¬
ление осуществляется извне по отношению к системе. В реаль¬
ности эти оба вида управления сочетаются. Применительно
к различным системам предстоит исследовать возможности как
внутреннего, так и внешнего управления. Вполне вероятно, что
человечество управляется через нервную систему Вселенной.
Экономика со времен Адама Смита существенно измени¬
лась и представляет собой сложную самоорганизованную си¬
стему. После великих географических открытий XV-XVI веков
55
Глава 1. Основные положения кибернетики
в мире сложился глобальный социокультурный цикл. В наше
время этот цикл охватывает все страны и регионы. Каждый че¬
ловек может быть творцом в отдельный момент времени, твор¬
цы производят множество инноваций — проектов, патентов,
песен и т.д.
Эти инновации после апробации в микросредах, после про¬
хождения цензуры попадают в средства массовой информации
и обрушиваются на людей через телевидение, прессу, Интернет
и вызывают по ассоциации у некоторых людей рождение новых
идей, новых инноваций, таким образом, цикл повторяется мно¬
гократно. Часть инноваций, проходя через конструкторские
бюро и различные производства, превращаются в вещи — оде¬
жду, машины и т. п. и опять-таки обрушиваются потоком на лю¬
дей (рис. 1.22). Этот социокультурный цикл является основой
процессов глобализации, в который погружено все человече¬
ство. Непрерывный поток инноваций в самых разных областях
человеческой деятельности — неотъемлемый элемент современ¬
ной картины мира и основа существования потребительского
общества. Вместе с тем безудержное развитие потребительского
общества ведет к исчерпанию природных ресурсов и росту со¬
циальных противоречий в обществе. Растет разница в доходах
самых богатых и самых бедных слоев общества, самых богатых
и самых бедных стран мира, что ведет к росту напряженности
и терроризму. Необходимость международного регулирования
этих проблем становится все очевиднее, что привело к рожде¬
нию концепции устойчивого развития.
Manufacturii
Рис. 1.22. Глобальный социокультурный цикл
56
1.6. Самоорганизация и внешнее управление
Устойчивое развитие в русской транскрипции — это не¬
точный перевод с английского словосочетания sustainable
development («поддерживающее развитие»). Этому термину
много веков, в средневековой религиозной литературе он озна¬
чал, как пройти по тонкой грани между раем и адом.
В современном обществе большую роль играют деньги. Фи¬
нансовый цикл оказывает большое влияние на экономику. Имен¬
но в финансовом цикле имело место массированное применение
вычислительных систем и сетей. Если в 1950 году в торгах на бир¬
жах мира участвовали тысячи людей, то в 2000 году в них прини¬
мало участие свыше 100 млн человек через компьютерные сети.
Изобретение кредитной карточки и развитие компьютерных
сетей, которые связали магазины и банки, позволили ускорить
оборот наличности в 10 раз.
В настоящее время в виртуальном финансовом мире обо¬
рачивается гигантское количество денег, во много раз превос¬
ходящее валовой национальный продукт, что послужило источ¬
ником многочисленных афер и спекуляций и вызвало в конце
2008 года мировой финансовый кризис. Создана международ¬
ная информационно-вычислительная система расчетов SWIFT,
с помощью которой США контролируют все расчеты во многих
странах мира. Существует множество моделей социально-эко¬
номических процессов, ниже рассматривается возможность их
лингво-комбинаторного моделирования.
Нас окружают человекоразмерные системы — то есть си¬
стемы и объекты, которые мы воспринимаем своими органами
чувств, с которыми можем манипулировать нашими руками и но¬
гами, разговаривать на обычном естественном языке. Помимо
этого человекоразмерного мира существует микромир — мир
молекул, атомов, элементарных частиц и других сущностей, с ко¬
торым мы непосредственно не можем взаимодействовать и из¬
учаем с помощью микроскопов. Кроме микромира существует
макромир, мир очень больших систем, объектов и расстояний, мир
астрономии и астрофизики, который мы изучаем с помощью те¬
лескопов. Современная наука много сделала для изучения микро-
и макромира, но самый доступный для взаимодействия — это
человекоразмерный, доступный для изучения. Человекоразмер¬
ный мир нами непосредственно наблюдается и изучается, люди
в нем живут и развивают его своей деятельностью. Возникает
57
Глава 1. Основные положения кибернетики
вопрос — насколько выявленные в человекоразмерном мире за¬
кономерности будут действовать в микро- и в макромире — или
эти закономерности будут другими?
Самая древняя книга — китайская «Книга перемен», ко¬
торая утверждает, что мир непрерывно меняется. В наше время
это видно отчетливо для каждого человека за время его жизни —
с осознаваемого детства до зрелости и пенсионного возраста
перемены отражаются в памяти. В обобщенном виде факт не¬
прерывного изменения нашего человекоразмерного мира отра¬
жается в понятии глобального социокультурного цикла. Глобаль¬
ный социокультурный цикл складывается из отдельных, частных.
Во-первых, это большие циклы отдельных стран, потому что
главный обмен информацией происходит с использованием на¬
ционального языка каждой из стран, и каждая стремится развить
свою промышленность и сельское хозяйство таким образом,
чтобы максимально удовлетворить потребности своих граждан.
При этом необходимо учитывать и внешнюю торговлю, и обмен
информацией с другими странами.
Во-вторых, глобальный цикл и большие циклы распадаются
на другие части, например, цикл печатных сообщений, цикл му¬
зыкальных сообщений, цикл изобразительных сообщений и т.д.,
которые имеют свою специфику.
Ill I
Генетическая
информация
Детство
Юность
Взрослая жизнь
Пенсионная жизнь
III I
Рис.1.23. Человек под воздействием системы образования
и средств массовой информации на протяжении всего
жизненного цикла
58
1.6. Самоорганизация и внешнее управление
Роль культуры состоит в том, что она дает человеку «экран
понятий», на который он проектирует и с которым сопостав¬
ляет свое восприятие внешнего мира. Современный человек
открывает для себя окружающий мир как с помощью системы
образования, так и по законам случая, в процессе проб и ошибок,
в силу случайностей своей биографии. Совокупность его зна¬
ний определяется статистически, он черпает их из жизни, из га¬
зет, из телевидения, из сведений, добытых по мере надобности
(рис. 1.23). Лишь накопив определенный объем информации, он
начинает обнаруживать скрытые в ней структуры.
Экран знаний формировался по-разному. Классический ши¬
роко пользовался логической дедукцией и приемами формаль¬
ных рассуждений и напоминал хорошо организованную решет¬
ку. В наше время фактура экрана знаний иная — он все больше
похож на волокнистое образование, знания складываются из раз¬
розненных обрывков, связанных простыми, чисто случайными
отношениями близости по времени усвоения, по созвучию или
ассоциации идей. Эти обрывки не образуют регулярной струк¬
туры, но она обладает силой сцепления, которая не хуже старых
логических связей придает экрану культуры плотность, не мень¬
шую, чем у традиционной структуры. Такую культуру называют
мозаичной.
В настоящее время основой социокультурного цикла явля¬
ются вычислительные системы и сети, которые пронизывают все
частные циклы и оплели «паутиной» весь земной шар, благода¬
ря чему сформировался глобальный сетевой человеко-машин¬
ный гибридный интеллект (рис. 1.24).
Computer ■<
Computer
Computer
Рис.1.24. Вычислительная сеть и пользователи, сетевой
человеко-машинный интеллект
59
Глава 1. Основные положения кибернетики
Анализ процессов глобального социокультурного цикла
выявил большую степень неравенства между различными соци¬
альными группами. По методике ооН вычисляют, какой доход
приходится на каждые 20% населения.
На рис. 1.25 представлено сложившееся распределение дохо¬
да, откуда следует, что 20% самых богатых получают свыше 80%
дохода, а 20% самых бедных получают 1,4% доходов, что ведет
к росту напряженности во взаимоотношениях между различ¬
ными социальными группами людей. Эта диаграмма является
результатом действия закона Парето во всемирном масштабе.
очевидная неустойчивость «рюмки доходов» ведет к росту
катаклизмов в мировом сообществе. Концепция устойчивого
развития призвана смягчить это противоречие.
82,7%
2,3%
Мировой доход - 82,7
Мировая торговля - 81,2
Коммерческие займы - 94,6
Коммерческие накопления - 30,6
Внутренние капиталовложения - 30,5
2,3%
СП
1,9%
Мировой доход - 1,4
Мировая торговля - 1,0
Коммерческие займы - 0,2
1 4% I Коммерческие накопления - 1,0
Внутренние капиталовложения - 1,3
UNDP 1992
Рис.1.25. Распределение доходов и экономическое неравенство
в мире, 1992 г, по данным ООН
60
1.6. Самоорганизация и внешнее управление
В настоящее время слова «система» и «системный подход»
широко используются во всех сферах деятельности и именно по -
этому нуждаются в уточнении. Существует несколько десятков
определений понятия «система», со временем оно изменялось
не только по форме, но и по содержанию. Мы будем пользоваться
таким определением: системой называется целостная совокуп¬
ность элементов, в которой все элементы настолько тесно свя¬
заны между собой, что она выступает по отношению к другим
системам и окружающей среде как нечто единое.
С системой часто связывают понятие «цель». Использова¬
ние слова «цель» в случае нефинальных инструкций не совсем
корректно, в этом случае правильнее говорить не о конечных це¬
лях, а о принципах поведения, выраженных в императивах, как
показал Иммануил Кант. Для живой системы таким категориче¬
ским императивом будет сохранение жизни во что бы то ни стало
и при любых обстоятельствах. Выигрыш при этом невозможен,
проигрыш недопустим, а вся деятельность направлена на то, что¬
бы «игра в жизнь» продолжалась как можно дольше.
Императив в лингвистике — повелительное наклонение
глагола, например — «посмотрите», «отойдите» и т. д. Меж¬
дометный императив — разряд глагольных слов с повелитель¬
но-восклицательным значением, например в русском языке —
«вон!», «прочь!», «долой!». Императивная норма, норма
права — установленное государством общеобязательное пра¬
вило общественного поведения.
Гораздо лучше эта картина описывается так называемым
странным аттрактором, в случае которого и процесс, и поло¬
жительная обратная связь удерживаются не в пространстве
одного параметра, а в некоторой зоне многомерного фазового
пространства. Происходит как бы притяжение параметров про¬
цесса к центру, или центрам аттрактора, но в силу инерционных
эффектов возникают сложные движения вокруг него (в одномер¬
ном случае — знакомые инженерам автоколебания).
В процессе непрерывной погони за выживанием изменяют¬
ся свойства живой системы и среды ее существования, поэтому
система оказывается в каждый данный момент времени в новой
ситуации, в новом месте многомерного фазового пространства
внешних и внутренних параметров. Там требуются, соответ¬
ственно, и новые специфические действия, обеспечивающие
61
Глава 1. Основные положения кибернетики
поддержание процесса жизни. С такими действиями могут быть
связаны временные цели, которые часто перестают быть акту¬
альными еще до того, как оказываются достигнутыми (импера¬
тив сохранения жизни важнее частных целей).
Во второй половине XIX века началось проникновение по¬
нятия системы в различные области конкретно-научного знания,
важное значение имело создание эволюционной теории, теории
относительности, квантовой физики, структурной лингвистики
и др. Предложенная в конце 40-х годов XX века Людвигом Берта-
ланфи программа построения «общей теории систем» явилась
одной из первых попыток обобщенного анализа системной про¬
блематики. При определении понятия «система» необходимо
учитывать теснейшую взаимосвязь его с понятиями целостно¬
сти, структуры, связи, элемента, отношения, подсистемы, иерар¬
хии, границы, мебраны и др.
В конце 80-х годов прошлого века Пер Бак и его коллеги
предложили теорию самоорганизованной критичности, где
в качестве иллюстрации выступает куча песка. По мере того как
добавляется песок наверх кучи, она приближается к тому, что
Бак называет критическим состоянием, при котором даже одна
дополнительная песчинка, опущенная сверху, может вызвать
лавину по бокам. Если исследовать размер и частоту лавин, про¬
исходящих в этом критическом состоянии, то результаты будут
соответствовать степенному закону — частота лавин обратно
пропорциональна некоторой степени размера кучи. Эта теория
произвела большое впечатление на вице-президента США Гора,
который утверждал, что самоорганизованная критичность по¬
могла ему понять не только чувствительность окружения к по¬
тенциальным подрывам, но также изменения в его собственной
жизни. Но некоторые исследователи из Чикагского универси¬
тета считают, что модель Бака не дает даже хорошего описания
его парадигматической системы — кучи песка. Их эксперимен¬
ты показали, что кучи песка ведут себя совершенно по-разному
в зависимости от размера и формы песчинок. Поведение лишь
очень немногих куч соответствует степенному закону, предска¬
занному Баком.
По этому поводу следует заметить, что куча песка — это куча
жестких песчинок, и сколько бы мы ни добавляли песчинок в эту
кучу, она так и останется кучей песка, качественного перехода
62
1.6. Самоорганизация и внешнее управление
не произойдет. Другое дело, если бы мы взяли муравьев, к одному
муравью добавили второго, третьего и так далее — мы бы полу¬
чили качественное изменение: муравейник, живую организацию.
1.7. ИЗБЫТОЧНОСТЬ КАК ФАКТОР ЭВОЛЮЦИИ
Кибернетические системы различного назначения содержат
в сигналах и структурах избыточность, которая используется
для улучшения качества функционирования систем. В одних си¬
стемах эту избыточность искусственно вводят для обеспечения
заданного качества функционирования, в других она присут¬
ствует естественным образом, и управление такими системами
представляет серьезные трудности. К системам первого класса
относятся различные вычислительные устройства и процессы,
к системам второго класса — роботы-манипуляторы, оснащен¬
ные многозвенными механическими «руками» с автоматизиро¬
ванным приводом.
Избыточность присутствует в различных биологических
структурах и является важным фактором эволюции. Для есте¬
ственного отбора необходимо наличие избыточных подсистем.
Сегодня доказано и фактически принято, что геном живых ор¬
ганизмов избыточен, и то, какие его участки вскрываются при
осуществлении деятельности клеток или при передаче наслед¬
ственной информации, зависит от состояния белковой, в част¬
ности ферментной, внутренней среды. Избыточность является
изначальным и универсальным свойством всех биосистем, обе¬
спечивающим их существование, приспособляемость и эволю¬
цию. Избыточность проявляется во всей иерархии биосистем,
она обеспечивает асимметрию живой материи.
Избыточность в естественном языке обеспечивает его по¬
мехоустойчивость. С точки зрения теории информации Клода
Шеннона, если бы все буквы алфавита были равновероятными,
то информация на букву равнялась бы I0 = log2n, для русского
алфавита, 32 буквы, I0 = log2 32 = 5. Но на деле буквы встречают¬
ся с разной частотой, например, относительная частота пробела
равна 0,175, буквы «о» равна 0,009 и т.д. Учитывая различную
частоту встречаемости букв в текстах, информация, содержаща¬
яся в каждой букве русского текста, будет равна = 4,35. Если
63
Глава 1. Основные положения кибернетики
учитывать влияние предшествующих букв, то результаты меня¬
ются. Для пар букв I2 = 3,52. Если учитывать влияние на резуль¬
тат двух предшествующих букв, то I3 = 3,01. Аналогичным обра¬
зом можно подсчитать условную информацию любого порядка,
содержащуюся в букве русского текста. При этом оказывается
убывающей последовательность
lo > > l2 > l3 > •••>
У этой последовательности существует предел. Реальная
информация, приходящаяся на букву русского текста, оценива¬
ется величиной, заключенной между 1,0 и 1,2. Таким образом,
в каждой букве текста содержится примерно пятикратная из¬
быточность, что позволяет языку нормально функционировать
в условиях помех.
Вычислительная техника в настоящее время является основ¬
ным средством для решения важных научно-технических, ме¬
дицинских, экологических, экономических и военных проблем.
Качество решения задач зависит в общем случае от вида реша¬
емой задачи (З), от используемой вычислительной аппаратуры
(А) , от применяемого вычислительного метода и программного
обеспечения (М) и от вида помех (П).
Y= Г(З, А, М, П),
где у — качество решения задачи (надежность, точность, поме¬
хоустойчивость, быстродействие, удобство программирования
и интерпретации полученных результатов и др.).
Помехи различного рода — сбои и отказы вычислительной
аппаратуры, наводки и дрейфы в аналоговых машинах, ошиб¬
ки округления и ошибки от неточных цифровых алгоритмов
интегрирования, логические ошибки снижают качество реше¬
ния задач и заставляют искать средства для борьбы с помехами
на различных уровнях вычислительного процесса.
Для решения каждой конкретной задачи имеется свое наи¬
лучшее сочетание используемой аппаратуры и вычислительных
методов. Одно из основных средств достижения заданных пока¬
зателей качества вычислительного процесса — введение избы¬
точности на различных этапах его осуществления.
64
1.7. Избыточность как фактор эволюции
С точки зрения обобщенного программирования вычисли¬
тельный процесс может быть представлен как цепочка следую¬
щих преобразований:
Я -^Я -^Я -^Я -^Я
ч ос пр м р
где Яч — язык человека, на котором формулируется задача; Яос —
язык основных соотношений (математических зависимостей и
формул); Япр — язык процессов, программ и блок-схем; Ям — ма¬
шинный язык напряжений и кодов вычислительного устройства;
Яр — язык результатов вычислений (тексты, таблицы, рисунки,
анимации и др.), понятный человеку-оператору и пользователю.
Представленный таким образом вычислительный процесс
состоит из преобразований на каждом из языков и из переводов
с одних языков на другие. На каждом из этих этапов действуют
помехи — ошибки, которые возникают из-за несовершенства
аппаратуры; ошибки численных методов, ошибки программиро¬
вания. Например, при преобразовании Яос^Япрвозникают ошиб¬
ки аппроксимации точных математических формул машинными
алгоритмами, а на уровне Яммогут действовать сбои и отказы
элементов вычислительного устройства.
Ненадежность аппаратуры А проявляется главным образом
на уровне Ям Большинство работ по повышению надежности
вычислительных машин сконцентрировано на решении пробле¬
мы повышения надежности именно на этом уровне или вблизи
него. Развиваются методы верификации программ, среди этих
методов важное место занимает М^е1СЬесН^, но он не по¬
зволяет осуществлять контроль непосредственно в процессе
функционирования.
В настоящей работе анализируются возможности повыше¬
ния качества вычислительного процесса в целом за счет введе¬
ния избыточности на других уровнях, и прежде всего на уровне
основных соотношений Я .
ос
Все методы улучшения качественных показателей, и в част¬
ности надежности, связаны с эквивалентными преобразова¬
ниями алгоритмов, формульных зависимостей или схем. Так
как в настоящее время еще не разработана алгебра алгоритмов,
которая позволяла бы производить эквивалентные преобразо¬
вания, то естественно обратиться к обычной алгебре и анализу,
65
Глава 1. Основные положения кибернетики
где такие преобразования выполняются простым и естествен¬
ным образом, и в результате разработан метод избыточных пе¬
ременных.
1.8. МНОЖЕСТВЕННОСТЬ МИРОВ
Каждый, кто работает на компьютере, знает, что в нем ис¬
пользуются отдельные программы, иногда очень сложные, ино¬
гда очень защищенные, каждая из которых может представлять
целый мир. Компьютер — это машина, в которой практически
реализуется идея множественности миров.
Эта идея зародилась в античные времена в связи с критикой
геоцентрических воззрений на природу (Демокрит). В эпоху
Возрождения она получила развитие в работах Джордано Бруно,
которого за эти идеи сожгли на костре инквизиции. Концепция
негеоцентризма сыграла важную эвристическую роль в астро¬
номии, позволив преодолеть гелиоцентризм Коперника перехо¬
дом от мира Коперника к миру Геншеля, в котором Солнце ока¬
зывается одной из звезд в нашей Галактике. Под влиянием этой
концепции был осуществлен, уже в XX веке, переход от мира
Гершеля к миру Хаббла, наша Галактика оказалась не центром
Вселенной, а лишь небольшим островком в гигантском множе¬
стве галактик.
Еще более общая формулировка концепции множественно¬
сти миров была дана Лейбницем в его учении о множественности
логически возможных миров. Согласно Лейбницу, объективное
существование может обрести любой мысленно воображаемый
мир, если его структура не противоречит законам формальной
логики. Наблюдаемый нами мир потому стал действительным
(существующим актуально), что он оказался (с христианской
точки зрения) наилучшим из логически возможных миров, так
как в нем имеется оптимальное сочетание добра и зла.
В XX веке идея множественности миров получила дальней¬
шее развитие не только в мега-, но и в микронаправлении, воз¬
никло представление о качественном многообразии материи,
о ее структурных уровнях. Между тем неевклидова геометрия,
теория множеств, теория относительности и квантовая механи¬
ка показали ограниченность концепции естественнонаучного
66
1.8. Множественность миров
негеоцентризма и поставили проблему развития идеи множе¬
ственности миров в новом направлении.
В рамках философской интерпретации квантовомеханиче¬
ской концепции Хью Эверетта (1930-1982) сформулирован
ряд аксиом о реальности — реально все возможно; наш мир —
не единственная реальность; реальности не только ветвятся,
но и склеиваются и др. В познавательном отношении эверет-
тика выражает принцип, противоположный принципу Оккама,
а именно: сущности умножаются. Создание компьютеров при¬
несло новые возможности в развитие идеи множественности
миров, возникли идеи миров виртуальных.
Нас окружают различные самоорганизующиеся системы —
это и живые организмы, которые рождаются, живут и умирают,
это и социально-экономические системы, человеко-машинные
сложно организованные коллективы, которые тоже рождаются,
живут и распадаются. К сожалению, технические системы, ис¬
кусственно созданные человеком, чаще всего не являются само¬
организующимися, и людям приходится тратить много времени и
ресурсов на их создание и программирование. В связи с развитием
нанотехнологий встает вопрос о создании самоорганизующихся
наноструктур, ведь складывать из отдельных атомов и молекул
нужные людям объекты оказывается очень трудоемким делом.
Автор еще в 50-е годы ХХ века принимал участие в созда¬
нии цифровых систем управления металлорежущими станками,
и тогда тоже вставала задача уменьшения потока информации
от человека к машине при программировании обработки дета¬
лей на станках. Самая первая ступень программного управления
станками — это точечное управление, когда задаются координа¬
ты отдельной точки. Но если таких точек очень много, то встает
вопрос об уменьшении их числа. Эту проблему удалось решить
путем перехода к контурному управлению, когда задавались па¬
раметры линии, которую надо было воспроизвести на станке.
Но если таких линий было много, то следующий шаг по со¬
кращению потока информации от человека к машине заключался
в переходе к поверхностному управлению, когда задавались па¬
раметры поверхности, которую надо было обработать на станке.
При обработке сложных штампов нужно было выбрать металл
из объемов, и сложилось объемное управление станками, управ¬
ление на трехмерных многообразиях.
67
Глава 1. Основные положения кибернетики
В настоящее время станки с программным управлением со¬
ставляют технологическую основу промышленности, создано
много совершенных систем программирования, в которых реа¬
лизованы и точечное, и контурное, и поверхностное, и объемное
управление. Дальнейшее сокращение потока информации от че¬
ловека к машине было достигнуто за счет внедрения адаптив¬
ного управления станками, когда в процессе работы параметры
системы «станок — инструмент — деталь» непрерывно изме¬
рялись, и в процессе обработки вносились коррективы в про¬
грамму, что позволило существенно повысить качество обработ¬
ки и производительность как тех, кто заранее программировал
работу станков, так и работающих на них.
Этот опыт может быть использован и при разработке нано¬
технологий, но самое главное — перейти к созданию самоор¬
ганизующихся систем, в этом случае удастся существенно со¬
кратить трудозатраты на создание наноструктур. Создаваемые
наноструктуры должны выполнять задачи, поставленные людь¬
ми. Люди должны иметь возможность осуществлять внешнее
управление как в процессе создания наноструктур, так и в про¬
цессе их использования. Если при внешнем управлении от людей
требуется очень много информации, как в случае точечного про¬
граммного управления, то необходимо искать другие пути созда¬
ния наноструктур, с более высоким уровнем самоорганизации.
Предшественница нанотехнологий — микроэлектроника,
опираясь на нее возникла современная вычислительная техника.
Чтобы понять феномен возникновения и развития информатики
и вычислительной техники и определить их перспективы разви¬
тия в направлении нанотехнологий, необходимо разобраться
в том, что такое сложные системы и как они развиваются во вре¬
мени и пространстве. Ключевым понятием теории и практики
сложных систем является самоорганизация. Дух нашего времени
пронизан идеей самоорганизации в самых разных аспектах.
Прежде всего самоорганизация проявляется в биологии:
эволюция живых организмов — ее яркий пример. Второй при¬
мер — жизнь человеческого общества: семья, предприятие —
ячейки самоорганизации; сложился глобальный социокультур¬
ный цикл с петлями обратной связи как в области генерации
идей, так и в области генерации продуктов промышленности и их
потребления. В качестве третьего примера необходимо указать
68
1.8. Множественность миров
на естественный язык как сложную самоорганизующуюся систе¬
му, которой все мы пользуемся и которая лежит в основе культу¬
ры. По сути дела это три основные источника теории самоорга¬
низующихся систем, которая еще только начинает складываться.
Все системы можно разбить на три класса по своим раз¬
мерам. Во-первых, это человекоразмерные системы, наиболее
изученные, которые проще всего наблюдать в развитии, в этих
системах вопросы управления и информации занимают важное
место.
Во-вторых, это системы, которые много больше человеко¬
размерных систем — планетарные системы, звезды и галакти¬
ки, эти системы наблюдались людьми издревле, но они гораздо
меньше изучены, в существующих моделях этих больших систем
нет элементов управления и информатики.
В-третьих, это системы, которые гораздо меньше человеко¬
размерных систем, это микромир, мир атомов и молекул, изуче¬
ние которого ведется методами атомной физики и нанотехно¬
логий, в моделях этих малых миров опять-таки не используются
понятия об управлении и информации.
Таким образом, перед учеными стоит задача распространить
идеи управления и информации, идеи самоорганизации и внеш¬
него управления на системы, которые гораздо больше человеко¬
размерных систем, и на системы, которые гораздо меньше чело¬
векоразмерных систем, с учетом их специфики. Необходимые
и достаточные условия синтеза нанороботов будут сформули¬
рованы в главе 2.
Технология виртуальных миров позволяет сделать реально
зримыми самые различные наноструктуры, что важно для их
анализа и синтеза. Будущее индустрии представляется в виде
небольших фабрик, которые по заказу смогут синтезировать са¬
мые различные наноструктуры, из которых можно будет строить
человекоразмерные системы.
При этом должны быть решены вопросы утилизации уже
использованных систем. В настоящее время мы имеем множе¬
ство свалок, где хранятся отходы, фрагменты использованных
вещей — от упаковок до старых автомобилей, наносящих боль¬
шой вред экологии. Утилизация этих отходов в настоящее вре¬
мя требует больших трудовых затрат. Новые технологии просто
обязаны обеспечить малозатратную ликвидацию старых вещей.
69
Глава 1. Основные положения кибернетики
Наряду с понятием самоорганизации стоит понятие о внеш¬
нем управлении той или иной системой. Ведь системы существу¬
ют не изолированно друг от друга, они оказывают взаимное вли¬
яние. В зависимости от идеологии, экономической и военной
мощи отдельные страны навязывают другим линию поведения,
которая выгодна именно им. Биологические системы развива¬
ются на основе генетической информации, которая передается
им от родителей.
1.9. АВТОМАТИЗАЦИЯ И СЛОЖНОСТЬ
Автоматизация — это уменьшение потока информации
от человека к машине при выполнении тех или иных заданий.
Если рассмотреть программное управление станками, то это пе¬
реход от точечного управления к контурному, когда мы задаем
лишь коэффициенты уравнения кривой — contour control. Да¬
лее — поскольку кривые расположены на поверхности, дальней¬
шее сжатие информации произойдет при задании поверхности,
на которой расположены кривые траекторий, такое управление
называется «поверхностным» — surface control.
Далее, так как поверхности образуют объем, следующее со¬
кращение количества информации — переход к заданию объема:
volume control.
Если точка — это многоообразие нулевой размерности, то
кривая — это одномерное многообразие, поверхность — дву¬
мерное многоообразие, объем — трехмерное многообразие
и так далее, то есть автоматизацию мы можем определить как
переход к формулировке заданий для машины в виде многооб¬
разий со все большим числом измерений. При этом происходит
уменьшение потока информации от человека к машине.
Для автоматизации нужен анализ структуры деятельности
в самых различных сферах, он необходим для автоматизации
производства, проектирования и исследований.
Задача рационализации труда рабочего всегда стояла пе¬
ред организаторами производства. В 20-е годы прошлого века
на заводах Форда в США инженер Гилбрет предложил систему
микроэлементов для описания движений рабочего, который
выполнял различные операции на производстве. Система этих
70
1.9. Автоматизация и сложность
микроэлементов — терблигов — явилась примером структур¬
ного подхода к анализу деятельности рабочего и послужила ос¬
новой для целого ряда других систем описания и нормирования
труда.
Все микроэлементы делятся на приноровительные и реши¬
тельные, что определяется состоянием технологической среды.
С помощью приноровительных движений как бы ощупывается,
изучается рабочая среда, собирается информация для движе¬
ний решительных. В результате сложилась следующая система
микроэлементов:
1. ИСКАТЬ
2. НАЙТИ
3. ВЫБРАТЬ
4. протянуть РУКУ
5. ПЕРЕМЕСТИТЬ РУКУ С ГРУЗоМ
6. нажать
7. РАЗЪЕДИНИТЬ
8. ПРИВЕСТИ В НУЖНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ (ПОВЕРНУТЬ)
9. ПОВЕРНУТЬ РУКОЯТКУ
10. ВЗЯТЬ
11. СОЕДИНИТЬ
12. УСТАНОВИТЬ
13. ДЕРЖАТЬ
14. ОТПУСТИТЬ (ГРУЗ)
15. ОБРАБОТАТЬ
16. ПРОВЕРИТЬ.
Итак, была создана система из 16 микроэлементов, рабочие
на конвейере были обучены четко выполнять их, производитель¬
ность труда повысилась в несколько раз, родилась потогонная
система, которая послужила основой для кинофильма Чарли
Чаплина «Огни большого города».
В настоящее время система микроэлементов является ос¬
новой программирования роботов для автоматизации произ¬
водства, разработаны языки LAROT — язык для программиро¬
вания роботизированного производства, LADET — язык для
программирования проектирования, LASCIT — язык для ав¬
томатизации научных исследований, что позволяет осуществить
71
Глава 1. Основные положения кибернетики
компьютеризации всего цикла — от научных исследований через
проектирование до производства.
В 1928 году профессор В.Я.Пропп опубликовал книгу «Мор¬
фология сказки», в которой были открыты неизвестные дотоле
науке структурные закономерности волшебной сказки, важные
не только для исследования фольклора, но и для программирова¬
ния. Автор исходил из понимания волшебной сказки как прояв¬
ления творчества коллективного, обладающего специфическими
особенностями. Специфику он усматривал в повторяемости, ти¬
повой устойчивости сказочного повествования, сказочной сю¬
жетной структуры. Результаты исследований Проппа в настоя¬
щее время формулируются в виде трех постулатов:
1. Постоянными, устойчивыми элементами сказки служат
функции действующих лиц независимо от того, как и кем они вы¬
полняются. они образуют основные составные части сказки.
2. Число функций в волшебных сказках ограничено
(В. Я. Пропп выявил 31 функцию).
3. Последовательность функций всегда одинакова.
Эти постулаты основываются на идее выделения конституи¬
рующих элементов определенной знаковой системы, непосред¬
ственно надстраивающейся над естественным языком. Теория
Проппа может рассматриваться как один из способов порожде¬
ния с помощью формальных средств литературного произве¬
дения, которой предшествовали принципы искусственного
формирования связных текстов, исходящие из работ Раймунда
Луллия (1235-1315) и четко сформулированные в сатирическом
описании Свифтом, где на основе перебора порождаются ос¬
мысленные предложения. Рассматриваются способы сокраще¬
ния перебора.
Традиционная волшебная сказка состоит из трех частей —
экспозиции, начальной части сказки, тела сказки и завершающей
части — постпозиции.
Для сказок характерна почти неизменная типология дей¬
ствующих лиц — герой, антигерой, прорицатель, даритель, по¬
мощник, антипомощник, награда, глупец, антидаритель.
Действующие лица делятся на две партии — партия героя
(герой, даритель, помощник), партия антигероя (антигерой, ан¬
типомощник, антидаритель). Вне партий остаются прорицате¬
ли, роль которых сводится к сообщению герою или антигерою
72
1.9. Автоматизация и сложность
некоторой информации, необходимой для развития сюжета, на¬
града — обычно царевна или принцесса, которой добиваются
герой и антигерой, и глупцы, как правило, мешающие герою или
оттеняющие своими неудачами его успехи.
Например, список антигероев может содержать такие их во¬
площения, как злой колдун, Баба-Яга, Кощей Бессмертный и др.,
а список помощников может содержать такие их воплощения,
как сивка-бурка, волк, орел, заяц, щука и др.
ограниченность и традиционность сказки позволяет стро¬
ить компьютерный генератор сказочных сюжетов и в виде тек¬
стов, и в виде изображений с музыкальным сопровождением.
Гораздо сложнее обстоит дело с созданием генераторов других
текстов.
В начале 70-х годов XXвека в СССР были широко развер¬
нуты работы по робототехнике, возникли задачи по описанию
действия коллективов роботов, по программированию их кол¬
лективных действий. К этой работе были привлечены и Тарту¬
ский университет, и Педагогический институт им. Герцена, и
непосредственно занимающаяся созданием роботов кафедра
автора этой книги в Ленинградском институте авиационного
приборостроения. Был осуществлен структурный анализ так
называемых служебных романов, были выявлены 25 функций
действующих лиц:
- препятствие — существование объективного препят¬
ствия дя действующего исполнителя — администратора, агента;
- запрет — запрещение каким-либо администратором ка¬
ких-либо мероприятий;
- нарушение запрета, которое может быть целенаправлен¬
ным или нецеленаправленным;
- преодоление препятствия;
- вредительство, целенаправленное нанесение вреда;
- устранение противника;
- выведывание, сбор информации без разрешения соответ¬
ствующего администратора;
- обман, сознательная передача каким-либо администрато¬
ром ложной информации;
- совершение ошибки;
- выбор, когда администратор выбирает между двумя или не¬
сколькими возможностями;
73
Глава 1. Основные положения кибернетики
- подчинение, когда один администратор подчиняется дру¬
гому администратору (условиям или обстоятельствам);
- обещание, когда один администратор дает обещание сде¬
лать что-либо;
- требование, настояние — функция, противоположная за¬
прету;
- соблазн или устрашение;
- обмен услугами — вид помощи, в котором заинтересованы
обе стороны;
- арбитраж, когда какой-либо третий администратор по от¬
ношению к конфликтующим сторонам призывается к установ¬
лению истины;
- поиск, разыскание соответствующего администратора или
информации;
- перемена — изменение места деятельности или служеб¬
ного положения администратора;
- уход — выбывание администратора из информацион¬
но-вычислительной системы;
- премия или штраф;
- помощь, когда какому-либо администратору оказывается
помощь;
- единомыслие, коллективная функция, когда проявляется
единство позиции двух или нескольких администраторов в ре¬
шении определенных вопросов;
- единство действий, когда два или несколько администра¬
торов осуществляют какое-либо дело совместно;
- соперничество;
- достижение искомого.
Понятие исполнителя-администратора было введено при рас¬
смотрении многопроцессорных систем еще в 70-е годы XX века,
задолго до появления теории агентов и многоагентных систем.
В настоящее время вычислительные системы — это мощные чело¬
векомашинные системы, которые объединяют людей-пользовате-
лей разного уровня через компьютеры и сети; сложилась мощная
система гибридного интеллекта, где вышеупомянутые функции
осуществляются. В результате появились различные структуры
в масштабе всего земного шара, это конфликтующие структуры
в сфере финансов, торговли, транспорта, массовой информации и
др., объединенные глобальным социокультурным циклом.
74
1.9. Автоматизация и сложность
В искусстве сложилось своеобразное представление о вре¬
мени и пространстве, о других фундаментальных понятиях. Ка¬
ковы базовые понятия искусства? Чем они отличаются от таких
же базовых понятий в науке? в технике? в физике? в биологии?
в истории?
Главное в искусстве — это создание виртуальных миров
и погружение в эти миры человека. Как эти виртуальные миры
строились у древних греков? у Шекспира? в японском искусстве?
в русской классической и современной литературе?
Понятие эксперимента предполагает наличие теории. Без
теории нет эксперимента, есть только наблюдение. С киберне¬
тической (системной) точки зрения экшеримент — это управ¬
ляемое наблюдение. Управляющей системой является научный
метод, который, опираясь на теорию, диктует постановку экс¬
перимента. Переход от простого наблюдения к эксперименту
есть метасистемный переход в сфере опыта. Человек, решая раз¬
личные задачи, очень целенаправленно использует информацию,
которая ему доставляется, с помощью различных органов чувств,
имея перед собой какой-то план действий и модель среды из сво¬
его прошлого опыта. Структура виртуального мира задает как
бы теорию для различных экспериментов. Человек не просто
созерцает и наблюдает, он ставит эксперименты, которые без
целостного представления о мире невозможны.
Возможны различные структуры виртуальных миров.
Во-первых, их можно разделить на две группы — в первой мо¬
жет работать представление о времени, о прошлом, настоящем
и будущем, в этой группе в принципе невозможно предсказы¬
вать будущее. Во второй группе миров представление о времени
не работает, это как бы склад различных событий, из которых
как из конструктора можно собирать различные картины мира,
здесь возможно предсказание будущих событий — их нужно
просто отыскать в банке данных. Компьютерные устройства
памяти хорошо моделируют эту структуру виртуальных миров.
Но существуют виртуальные миры третьего типа с совер¬
шенно другой физикой, чем в нашем реальном мире. Эти миры
взаимодействуют между собой, обмениваясь информацией,
энергией и веществом. Существуют ли они реально?Это боль¬
шой фундаментальный вопрос. Случается много аномальных
событий, объяснение происхождения которых невозможно
75
Глава 1. Основные положения кибернетики
в рамках существующих физических представлений, но возмож¬
но их объяснение в рамках гипотезы.
Важным положением является утверждение, что естествен¬
ный язык — это мощная моделирующая система, при этом нуж¬
но рассматривать весь корпус текстов, накопленных человече¬
ством. он непрерывно пополняется данными экспериментов
и наблюдений, новыми открытиями и изобретениями, новыми
литературными произведениями и т.д. В естественном языке
появляются новые слова, другие уходят из обихода. Система
основных концептуальных положений, характеризующих опре¬
деленный этап миропонимания, изменяется.
Мировоззрение обычно считается уделом философов. Счи¬
тается, что наука о природе — это физика. Если полагать, что
ничего, кроме природы, не существует, то, казалось бы, физики
и должны сформулировать миропонимание исходя из добытых
эмпирических данных. однако современный уровень развития
физики не позволяет понять множество загадок природы. Это
было ярко продемонстрировано в процессе дискуссии в 1996 году
на представительном симпозиуме в Бостонском университете, по¬
священном концептуальным основаниям квантовой теории поля.
Науки подразделяются на естественные и гуманитарные,
и все попытки сформулировать единое миропонимание, опира¬
ясь только на естественные науки, обречены на провал. Bсе —
и представители естественных, и представители гуманитарных
наук — пользуются естественным языком для выражения сво¬
их мыслей. Поэтому в основу построения картины мира мож¬
но положить лингво-комбинаторное моделирование, разра¬
ботка которого является самым ярким результатом артоники.
Лингво-комбинаторные модели, по Канту, являются структура¬
ми «чистого разума».
опираясь на понятие алгоритмической теории информа¬
ции и колмогоровской сложности, сформулировано понятие
«теории» — теория, взятая в качестве объяснения, является
удачной только до такой степени, до которой она сжимает коли¬
чество двоичных цифр, содержащихся в представлении фактов,
в намного меньшее количество двоичных цифр, содержащихся
в представлении теории. В некотором смысле понимание являет¬
ся сжатием, постижение есть сжатие! Грегори Чейтин дал опре¬
деление: бесконечная последовательность символов является
76
1.9. Автоматизация и сложность
случайной, если сложность, связанная с объемом программы
для продуцирования некоторого начального отрезка последова¬
тельности, имеющего длину n, не может быть сделана как угодно
меньше n.
Кибернетика, информатика и системика — в единой связке
и влияют на развитие всех других наук: на развитие физики, хи¬
мии, биологии, социологии, экономики, лингвистики. Призрак
бродит по миру, призрак самоорганизации. Все говорят о само¬
организации — от самоорганизации отдельного человека, семьи,
предприятия, города, региона, страны вплоть до всего мира.
Сразу после возникновения электронных вычислительных
машин начались многочисленные дискуссии на тему «может ли
машина мыслить?». Эти споры не закончены до сих пор, но они
были полезными, так как позволили лучше понять возможности
как компьютера, так и человека. В итоге родилось конструк¬
тивное понятие гибридного интеллекта, когда объединяются
возможности человека и машины, при этом имеются в виду
вычислительные сети, объединяющие множество машин, через
терминалы которых осуществляется взаимодействие со мно¬
жеством людей. Гибридный интеллект чаще называют сетевым
человеко-машинным интеллектом, его исследование только на¬
чинается.
Предпринимаются попытки объяснить сознание с точки
зрения физической теории. Но, как показал Роджер Пенроуз,
явление сознания не может быть описано в рамках современной
физической теории. В конце сороковых годов ХХ века Норберт-
Винер, возродив кибернетику, рассматривал проблемы управле¬
ния в биологических системах, машинах и обществе и не затраги¬
вал кибернетические подходы к физике. Это привело к тому, что
до сих пор существует большой теоретический разрыв между
объяснением сознания и физической теорией, хотя, несомненно,
достижения физики явились основой создания новой элемент¬
ной базы для вычислительной и информационной техники.
В настоящее время сформировалась теория сложных си¬
стем — Complex Systems Theory. Согласно Аристотелю, сложная
система — это система, в которой целое значительно больше
суммы составляющих ее частей.
Сложные системы индивидуальны и отличаются друг от дру¬
га. Пример сложной системы — человек. Каждый человек имеет
77
Глава 1. Основные положения кибернетики
уникальный генетический паспорт, уникальные отпечатки паль¬
цев, уникальную психику и т.д. В связи с этим возникает важный
вопрос о воспроизводимости опытов со сложными системами.
В настоящее время в науке рассматриваются лишь те результаты,
которые могут быть повторены, но тем самым за бортом научно¬
го рассмотрения оказывается громадная масса данных о плохо
воспроизводимых событиях. одна из причин невозможности
получить повторяющийся результат в опыте — уникальность
сложных систем.
1.10. ЛИНГВИСТИЧЕСКИЙ поворот
Просвещение, благородная цель прекрасных передовых лич¬
ностей начиная с Сократа, сегодня в общем реализована. Никогда
еще в истории не было такого количества грамотных людей, людей
с университетским образованием, такого числа профессиональ¬
ных ученых. Вместе с тем образование, как линза, увеличивало и
дало возможность увидеть все — и талантливое, и средней руки
даровитое, и бездарное. Никогда до нашего столетия не было
у творцов научных и художественных произведений такой квали¬
фицированной и подготовленной публики, не существовало та¬
кого количества как творцов, так и публики. Никогда обыденный
повседневный язык не подходил так близко к научному и литера¬
турному, в силу чего и стал возможен так называемый лингвисти¬
ческий поворот. Никогда у культуры не было стольких каналов, а
у потребителей — такого выбора. Никогда не писали так много
и здорово, и до появления компьютера с его гипертекстом выра¬
жение «океан идей и образов» оставалось лишь тропом. Сегодня
произошла смена не только научности и литературности, изме¬
нился сам человек, его изменили обстоятельства, изменился образ
автора и образ реципиента.
Мы знаем, что автор идеализма — Платон, автор диалекти¬
ки — Гераклит, физики, логики и социологии — Аристотель,
механики — Ньютон, трансцедентальной дедукции — Кант,
феноменологии — Гуссерль, марксизма — Маркс, фрейдизма —
Фрейд. Автор и реципиент современной экранной культуры —
постнеклассический субъект с тысячами имен и лиц, мистиче¬
ское существо карнавального шествия с масками, петардами,
78
1.10. Лингвистический поворот
символическими фигурами, ожившими иррациональными фан¬
тазиями, смешение времен и нравов.
Тут обширные сведения, риторические приемы, цитиро¬
вание и плагиат, многослойный комментарий и самоуточне¬
ние, порождение, конструкция, деконструкция и уничтожение
смыслов, гирлянды аллюзий и аллегорий без конца и начала.
оформилось, словами И. Ильина, «сознание изначальной
фрагментарности, принципиальной несинтезируемой разд¬
робленности человеческого опыта последней трети ХХ века,
соединенное с почти интуитивным стремлением к художе¬
ственному постижению жизни, освобождению от логоцен¬
тризма, рационализма, догматизма и обязанности различать
реальность и фантазию». Именно такое мироощущение имеет
общее название — постмодернизм, который был лидирующим
в последних десятилетиях ХХ века. Знаково-символическим со¬
бытием постмодернизма стал так называемый лингвистический
поворот, linguistic turn.
Множество гуманитарных наук вовлеклись в этот пово¬
рот — социология, политическая теория, история, собственно
филология и литературоведение, культурология, философская
антропология, тория коммуникации и др. Для экзистенциалист¬
ско-феноменологическо-герменевтической линии этот поворот
стал новым импульсом исследования существования человека
в дискурсе культуры, точнее говоря, в языке. Границы языка
окончательно предстали перед философами как границы мира,
обычный человеческий язык предстал как естественная универ¬
сальная система знаков, способная быть метаязыком для любой
другой системы. Это вызвало смену идеала научности. Появи¬
лась посмодернистская критика классической теории познания,
замена ее кантианской теорией понимания. Конструкт «языко¬
вая картина мира» вошел в универсальное употребление наряду
с «научной картиной мира» и стилем мышления.
Примерно через десять лет после выхода «Логико-философ¬
ского трактата» Людвига Витгенштейна в 1921 году произошел
лингвистический поворот. Язык теперь — уже не функциональ¬
ный язык науки, а естественный разговорный язык, для исследо¬
вания которого в новом ключе потребовались новые термины:
языковая игра, анатомия чтения, семейное подобие и др. Что они
означают?
79
Глава 1. Основные положения кибернетики
Языковая игра — это и строго определенная модель комму¬
никации, и конституция текста, где слова употреблялись в стро¬
го определенном смысле. отсюда следовала непротиворечи¬
вость контекста и важные возможности: произвольно, но строго
описать факт или явление, построить модель поведения, задать
способ прочтения текста.
Анатомия чтения — это ситуация, когда одна языковая игра
прочитывается принципиально разными способами.
Семейное подобие — реальное многообразие способов
описания.
Условный мир культуры сейчас действительно организован
по-новому, не так, как в эпоху Возрождения, не так, как в эпо¬
ху Просвещения. Но как? В чем состоит новость этой новиз¬
ны? Прежде всего словарь постмодернизма необычайно богат
и красочен, он изобличает напряженную творческую работу
мысли, чудесную силу фантазии. Ключевое слово — это слово
«дискурс». В известном «объяснительном словаре теории язы¬
ка» Грема иКуртэ его объяснению посвящено 11 статей и мно¬
жество ссылок. однако в первом приближении дискурс — это
письмо, то есть текст, хотя этимологически дискурс — диалог,
разговор. Текст да не текст. Не просто текст. Это сам мир, место,
полное смыслов. Концептом №1 для постмодернизма является
утверждение, что весь мир есть сконструированный, сделанный
мир, и этот мир есть семиотический код. Человек — не более,
но и не менее чем продукт гутенберговской цивилизации, его
ментальность — тоже текст внутри обширного множества тек¬
стов, то есть культуры.
1.10.1 Бионика
живые организмы всегда были примером для построения
кибернетических систем, чаще всего недосягаемым примером
из-за несовершенства наших технологий. Идея применения зна¬
ний о живой природе для решения инженерных задач принадле¬
жит Леонардо да Винчи, который построил летательный аппарат
с машущими крыльями — орнитоптер и другие интересные ма¬
шины. Развитие кибернетики, рассматривающей общие прин¬
ципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало
80
1.10. Лингвистический поворот
стимулом для еще более широкого изучения строения и функ¬
ций живых систем с целью выявления их общности с техниче¬
скими и использования полученных знаний для создания новых
приборов, механизмов и материалов. Пока еще существует боль¬
шой разрыв между технологиями живых систем и современными
промышленными технологиями, что затрудняет использование
результатов бионики.
1.10.2. Артоника
Артоника — научное направление, связанное с использова¬
нием методов и структур искусства в программировании и ин¬
формационных технологиях на различных уровнях. В искусстве
сложился многовековый опыт эффективного воздействия на че¬
ловека через литературу, музыку, живопись, скульптуру, архитек¬
туру, театр и кино, представляется целесообразным использовать
этот опыт в информационных технологиях. С другой стороны,
все эти виды искусства пытаются эффективно использовать ин¬
формационные технологии. Термин «артоника» был введен
Б.Ф.Егоровым, Ю.М.Лотманом и автором этой книге в начале
семидесятых годов в рамках тартуских семинаров по семиотике.
С тех пор артоника энергично развивается через компьютерные
игры, архитектуру виртуальных миров, лингво-комбинаторное
моделирование и кибернетическую герменевтику и др.
50 лет назад свыше 90% задач, которые решались на компью¬
терах, были вычислительными, а в настоящее время свыше 90%
решаемых на компьютерах задач связаны с искусством, машин¬
ной графикой, трехмерными изображениями, анимацией и му¬
зыкой, это означает триумфальное шествие артоники в сфере
информационных технологий.
В связи с массовой оцифровкой текстов представляется важ¬
ным разработка методов извлечения смыслов из оцифрованных
текстов, библиотеки должны превратиться в фабрики по извле¬
чению смыслов. Проблемы сохранения и использования куль¬
турного наследия уже эффективно решаются в реально-вирту¬
альном континууме, а кибернетический велосипед становится
эффективным средством для виртуальных путешествий в раз¬
личных средах и средством оздоровления.
81
Глава 1. Основные положения кибернетики
(см. Лотман Ю. М. «Непредсказуемые механизмы культуры»
Таллинн, 2010; «Компьютерные игры» под ред. М. Б. Игнать¬
ева, Ленинград, 1988; Игнатьев М. Б., Никитин А. В., Решет¬
никова Н. Н. «Архитектура виртуальных миров» СПб., 2005,
второе изд., 2009).
Культура — это традиции и письмена, это ряд посланий.
Письменный текст (gramme) предпочтительнее, чем устная речь
(phone), потому что последняя претендует на интимную связь
с мышлением, если не на то, чтобы быть реинкарнацией мысли.
Графическая нотация не столь претенциозна, свободна от этой
роли, также как и от героической роли картезианского «cogito».
Человек свободен в выборе знаковой графической системы (хотя
и не свободен от самого выбора, от жизни в тексте). Текст и пись¬
мо — это социальные институты, они нормативны, и в таком
качестве организуют коммуникацию. Постоянное трепетание
между инвариантом письма и вариантами индивидуальной речи
характеризуют аппроксимацию, приближение к пониманию дру¬
гого. Таково кредо постмодернизма. Лингво-комбинаторное мо¬
делирование — это развитие лингвистического поворота.
1.11. ФОРСАйТ-АНАЛИЗ —
ВЗГЛЯД НА ПЕРСПЕКТИВУ РАЗВИТИЯ
науки и техники
Выше были рассмотрены законы, принципы и положения ки¬
бернетики как метанауки, что позволяет перейти к форсайт-анали-
зу, к прогнозированию развития науки и техники. Для прогнозиро¬
вания используют мнения экспертов из различных областей знания
и им прежде всего предлагают заполнить приведенную схему:
Мэйнс
грим
Про
1
рыв
L
'
Периф
>
ерия
Фанг
азии
82
1.11. Форсайт-анализ — взгляд на перспективу развития науки и техники
В разделе «Фантазии» можно говорить о самых различных,
даже, на первый взгляд, нелепых предложениях, далее часть
из этих фантазий превращается в прорывные технологии, ко¬
торые на третьем этапе превращаются в мейнстрим, в широко
разрабатываемые технологии, куда вкладывается наибольшее
количество финансов, а устоявшиеся технологии прекочевыва-
ют на периферию.
Как показал последний экспертный анализ, Прорыв — это
нанороботы, Мейнстрим — беспилотные летательные аппара¬
ты, автомобили без водителей и другие технологии, о которых
мы будем говорить в следующих главах.
ГЛАВА 2.
СОВРЕМЕННЫЕ
КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
2.1. ЭВОЛЮЦИЯ СРЕДСТВ СВЯЗИ —
ВСЕМИРНАЯ пАУтинА
В настоящее время осуществляется интеграция всех средств
передачи информации по формуле
Networking = data + voice + image
Происходит сращивание всех средств связи и передачи
информации, в итоге каждый человек получит в свое распо¬
ряжение мощный коммуникатор и быстрый доступ ко всем
накопленным знаниям, складывается гибридный человеко-ма¬
шинный интеллект.
К концу 60-х годов ХХ века в различных городах мира были
созданы мощные вычислительные центры. Эти центры рабо¬
тали в режиме разделения времени, но не были связаны между
собой, хотя существовала разветвленная система связи — те¬
лефонная, телеграфная и др. С целью предоставления ресурсов
как можно большему числу пользователей было осуществлено
84
2.1. Эволюция средств связи — всемирная паутина
объединение в единую сеть несовместимых по языковым и
техническим средствам систем с разделением времени (СРВ)
по инициативе Агентства по перспективным исследованиям
(DARPA). Эта объединенная система получила название AR¬
PANET.
Перед разработчиками встала сложная задача объединения
разнородных вычислительных центров с помощью существую¬
щей разнородной системы связи. Во-первых, было предложено
создать распределенную в пространстве систему специализи¬
рованных связных машин — интерфейсных процессоров со¬
общений (ИПС). Во-вторых, была разработана специальная
система протоколов взаимодействия СРВ и ИПСов (рис. 2.1).
В третьих, пакетная обработка сообщений, то есть каждое пе¬
редаваемое сообщение, — независимо от его содержания —
разбивалось на пакеты по тысяче бит в каждом с адресом-заго¬
ловком, эти пакеты проводились через разнородную систему
связи, а потом собирались в приемной СРВ, о чем посылался
сигнал обратной связи на передающую СРВ. В-четвертых,
была разработана система диагностики всех используемых ли¬
ний связи и узлов, и каждые 0,5 секунды все ИПСы получали
информацию о состоянии линий и узлов. В-пятых, были раз¬
работаны алгоритмы проводки сообщений от СРВ-источника
через линии связи, и ИПСы к СРВ-получатели, и каждый раз
складывались новые маршруты проводки сообщений в зависи¬
мости от ситуации в сети. На рис 2.2. представлена пакетная
передача сообщений.
Эта система начала эффективно работать в начале семиде¬
сятых годов и связала вычислительные центры Японии, США
и Европы, что было важно для разработки совместных проек¬
тов и эффективного использования вычислительных ресурсов,
но из-за плохо разработанной ценовой политики она быстро
обанкротилась, но разработанные технические и программные
решения легли в основы других глобальных сетей и Всемирной
паутины, созданной уже на основе системы протоколов взаимо¬
действия открытых систем (рис 2.3).
Технические решения этой системы закреплены стандарта¬
ми ISO и являются колоссальным достижением человечества.
Теперь каждый человек в любой точке земного шара в любое вре¬
мя может получить доступ к информации и осуществить связь.
85
п> В
Глава 2. Современные кибернетические системы
Рис. 2.1. Глобальная вычислительная сеть, связывающая
удаленные системы разделения времени (СРВ) через
интерфейсные процессоры сообщений (ИПС),
рамещенные в сети передачи сообщений
с
о
о
б
н
и
е
СРВ-источник
Сеть
СРВ-источник
1
1
1
Заголовок
Лидер
1
Пакет 1
Лидер
Заголовок
1
1
1
1 ►
►
1
1
\:
Пакет 2
!/
\
Заголовок
/:
Пакет 3
с
о
о
б
н
и
е
Рис. 2.2. Пакетная передача сообщений
86
п> В
2.1. Эволюция средств связи — всемирная паутина
у
р
о
в
н
и
в
з
а
и
м
о
д
е
й
с
т
в
и
я
Система А
Данные
пользователя
Система B
Система
передачи
данных
Система C
Данные
пользователя
Прикладной
Представле¬
ния данных
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Звена данных
Физический
Физическая среда
Рис. 2.3. Семиуровневая архитектура взаимодействия
открытых систем
2.2. ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ
Дальнейшим развитием вычислительных сетей является кон¬
цепция Интернета вещей (англ. Internet of Things) — вычисли¬
тельной сети физических предметов («вещей»), оснащенных
встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом
или с внешней средой.
Концепция сформулирована в 1999 году как осмысление
перспектив широкого применения средств радиочастотной
идентификации для взаимодействия физических предметов
между собой и с внешним окружением. Наполнение концепции
«Интернета вещей» многообразным технологическим содержа¬
нием и внедрение практических решений для ее реализации на¬
чиная с 2010-х годов считается устойчивой тенденцией в инфор¬
мационных технологиях, прежде всего благодаря повсеместному
распространению беспроводных сетей, появлению облачных
вычислений, развитию технологий межмашинного взаимодей¬
ствия, началу активного перехода на IPv6 и освоению програм-
мно-конфигурируемых сетей.
87
Глава 2. Современные кибернетические системы
Концепция и термин для нее сформулированы основателем
исследовательской группы Auto-ID (англ.) при Массачусетском
технологическом институте Кевином Эштоном в 1999 году
на презентации для руководства Procter & Gamble. В презента¬
ции рассказывалось о том, как всеобъемлющее внедрение ради¬
очастотных меток сможет видоизменить систему управления
логистическими цепями в корпорации.
В 2004 году в Scientific American была опубликована об¬
ширная статья, посвященная «Интернету вещей», наглядно
показывающая возможности концепции в бытовом применении:
в статье приведена иллюстрация, показывающая, как бытовые
приборы (будильник, кондиционер), домашние системы (систе¬
ма садового полива, охранная система, система освещения), дат¬
чики (тепловые, датчики освещенности и движения) и «вещи»
(например, лекарственные препараты, снабженные идентифика¬
ционной меткой) взаимодействуют друг с другом посредством
коммуникационных сетей (инфракрасных, беспроводных, си¬
ловых и слаботочных сетей) и обеспечивают полностью автома¬
тическое выполнение процессов. Сами по себе представленные
варианты домашней автоматизации не были новыми, но упор
в публикации на объединении устройств и «вещей» в единую
вычислительную сеть, обслуживаемую интернет-протоколами,
и рассмотрение «интернета вещей» как особого явления спо¬
собствовали обретению концепцией широкой популярности
и разработкее концепции Умного дома.
В отчете Национального разведывательного совета
США (англ. National Intelligence Council) 2008 года «Интернет
вещей» фигурирует как одна из шести потенциально разруши¬
тельных технологий, указывается, что повсеместное и незамет¬
ное для потребителей превращение в интернет-узлы таких рас¬
пространенных вещей, как товарная упаковка, мебель, бумажные
документы, может нанести урон национальной информацион¬
ной безопасности.
Период с 2008 по 2009 годы аналитики корпора¬
ции Cisco считают «настоящим рождением „Интернета ве¬
щей"», так как, по их оценкам, именно в этом промежутке
количество устройств, подключенных к глобальной сети, пре¬
высило численность населения Земли, тем самым «Интернет
людей» стал «Интернетом вещей».
88
2.2. Интернет вещей
С 2009 года при поддержке Еврокомиссии в Брюсселе еже¬
годно проводится конференция «Internet of Things», на которой
представляют доклады еврокомиссары и депутаты Европарла¬
мента, правительственные чиновники из европейских стран, ру¬
ководители таких компаний, как SAP, SAS Institute, Telefonica,
ведущие ученые крупных университетов и исследовательских
лабораторий.
С начала 2010-х годов «Интернет вещей» становит¬
ся движущей силой парадигмы «туманных вычислений»
(англ.fogcomputing), распространяющей принципы облачных вы¬
числений от центров обработки данных к огромному количеству
взаимодействующих географически распределенных устройств,
которая рассматривается как платформа «Интернета вещей».
Начиная с 2011 года Gartner, исследовательская и кон¬
салтинговая компания, специализирующаяся на рынках ин¬
формационных технологий, поместила «Интернет вещей»
в общий цикл зрелости новых технологий на этап «технологи¬
ческого триггера» с указанием срока становления более 10 лет,
а в 2012 году был выпущен специальный цикл зрелости для тех¬
нологий «Интернета вещей».
Задействование в «Интернете вещей» предметов физиче¬
ского мира, не обязательно оснащенных средствами подключе¬
ния к сетям передачи данных, требует применения технологий
идентификации этих предметов («вещей»). Хотя толчком для
появления концепции стала технология RFID, но в качестве таких
технологий могут использоваться все средства, применяемые
для автоматической идентификации: оптически распознаваемые
идентификаторы (штрихкоды, Data Matrix, QR-коды), средства
определения местонахождения в режиме реального времени.
При всеобъемлющем распространении «Интернета вещей»
принципиально обеспечить уникальность идентификаторов
объектов, что, в свою очередь, требует стандартизации.
Для объектов, непосредственно подключенных к интер¬
нет-сетям, традиционный идентификатор — MAC-адрес се¬
тевого адаптера, позволяющий идентифицировать устройство
на канальном уровне, при этом диапазон доступных адресов
практически исчерпаем (248 адресов в пространстве MAC-48),
а использование идентификатора канального уровня не слиш¬
ком удобно для приложений. Более широкие возможности
89
Глава 2. Современные кибернетические системы
по идентификации для таких устройств дает протокол IPv6, обе¬
спечивающий уникальными адресами сетевого уровня не менее
300 млн устройств на одного жителя Земли.
особую роль в «Интернете вещей» играют средства изме¬
рения, обеспечивающие преобразование сведений о внешней
среде в машиночитаемые данные и тем самым наполняющие
вычислительную среду значимой информацией. Используется
широкий класс средств измерения, от элементарных датчи¬
ков (например, температуры, давления, освещенности), прибо¬
ров учета потребления (таких, как интеллектуальные счетчики)
до сложных интегрированных измерительных систем. В рамках
концепции «Интернета вещей» принципиально объединение
средств измерения в сети (такие как беспроводные датчиковые
сети, измерительные комплексы), за счет чего возможно постро¬
ение систем межмашинного взаимодействия.
Как особая практическая проблема внедрения «Интернета
вещей» отмечается необходимость обеспечения максимальной
автономности средств измерения, прежде всего проблема энер¬
госнабжения датчиков. Нахождение эффективных решений, обе¬
спечивающих автономное питание сенсоров (использование фо¬
тоэлементов, преобразование энергии вибрации, воздушных
потоков, использование беспроводной передачи электричества),
позволяет масштабировать сенсорные сети без повышения за¬
трат на обслуживание (в виде смены батареек или подзарядки
аккумуляторов датчиков).
Спектр возможных технологий передачи данных охватывает
все возможные средства беспроводных и проводных сетей.
Для беспроводной передачи данных особо важную роль
в построении «Интернета вещей» играют такие качества, как
эффективность в условиях низких скоростей, отказоустойчи¬
вость, адаптивность, возможность самоорганизации. основной
интерес в этом качестве представляет стандарт IEEE 802.15.4,
определяющий физический слой и управление доступом для
организации энергоэффективных персональных сетей и являю¬
щийся основой для таких протоколов как ZigBee, WirelessHart,
MiWi,6LoWPAN, LPWAN.
Среди проводных технологий важную роль в проникнове¬
нии «Интернета вещей» играют решения PLC — технологии
построения сетей передачи данных по линиям электропередач,
90
2.2. Интернет вещей
так как во многих приложениях присутствует доступ к электро¬
сетям (например, торговые автоматы, банкоматы, интеллекту¬
альные счетчики, контроллеры освещения изначально подклю¬
чены к сети электроснабжения). 6LoWPAN, реализующий слой
IPv6 как над IEEE 802.15.4, так и над PLC, будучи открытым про¬
токолом, стандартизуемым IETF, отмечается как особо важный
для развития «Интернета вещей».
Новую фазу в развитии «Интернета вещей» открывает
лингво-комбинаторный подход.
2.3. ФИНАНСОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННО¬
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Наибольшее влияние появление информационно-вычисли¬
тельных сетей оказало на финансовую систему мира. Возмож¬
ность удаленного доступа для финансовых операций различно¬
го рода позволила подключить в качестве активных участников
многие миллионы пользователей. Если 50 лет назад в биржевых
играх принимали участие тысячи богатых людей, то теперь в них
участвуют десятки миллионы людей с разным достатком. Ситу¬
ация на биржах меняется так быстро, что обычному человеку
крайне непросто принять правильное решение. В помощь ему
созданы многоагентные системы.
Рис. 2.4. Виртуальный мир банка,
принципалы (П) и агенты (значки в круге)
91
Глава 2. Современные кибернетические системы
На рис. 2.4. изображена структура биржевых торгов, где
П — это люди-принципалы, имеющие юридическую и финан¬
совую возможность участвовать в торгах, в кружке значками
обозначены агенты этих принципалов (принципалы их програм¬
мируют так, чтобы они отстаивали интересы конкретных прин¬
ципалов). Например, принципал может приказать своему агенту
продавать акции, если их цена станет выше определенной вели¬
чины, и покупать их, если их цена опустится ниже определенной
величины. Другое, более сложное, поведение агентов можно за¬
программировать, опираясь на функции агентов, выявленных
при анализе служебных романов (см. пункт 1.9).
Появление кредитных карт позволило ускорить оборот на¬
личных денег в десятки раз. В настоящее время главными кре¬
диторами развития информационно-вычислительной техники
выступают именно мощные финансовые структуры.
Внедрение сетей в финансовую сферу вызвало появление
многих новых финансовых инструментов, что привело к росту
различных спекуляций и криминальных операций. В настоя¬
щее время объем виртуальных финансовых средств во много
раз превышает мировой валовой продукт. На защиту информа¬
ции тратятся колоссальные деньги, и все равно из банков через
сети похищаются миллиарды долларов. Продолжается активная
виртуализация банков, все больше транзакций осуществляется
через интернет-банкинг без посещения помещений, где разме¬
щаются банки.
2.4. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ
РОБОТИЗИРОВАННОГО АВТОМОБИЛЯ
для повышения безопасности
движения
жизнь и трудовая деятельность людей неразрывно связаны
с транспортом, без которого был бы невозможен технический
и социальный прогресс.
Автомобиль — одна из самых распространенных машин
в мире, число автомобилей растет, и автомобили непрерывно
совершенствуются, постепенно превращаясь в роботов. Эта
92
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля...
тенденция обусловлена, с одной стороны, усложнением обста¬
новки на дорогах и требованием повысить безопасность, ком¬
фортность и экологичность, с другой, — новыми возможностя¬
ми информационно-вычислительной техники.
В настоящее время в Санкт-Петербурге находятся филиа¬
лы семи крупнейших автомобильных компаний, которые зани¬
маются созданием роботизированных автомобилей совместно
с вузами города.
Разработка робота-автомобиля с возможностью ориента¬
ции в сложной городской среде без помощи человека — это
новый шаг в совершенствовании и автомобиля, и информа¬
ционно-вычислительных систем для восприятия и обработки
зрительной информации о ситуации впереди, позади, справа
и слева от автомобиля, для распознавания образов объектов,
которые могут появиться с разных сторон, для оценки состо¬
яния дороги, для восприятия информации о дорожных знаках
и т. д. Накоплен большой научно-технический задел по этим
направлениям кибернетики, который может быть с успехом ре¬
ализован в проекте экспериментального робота-автомобиля.
Реализация этого проекта позволяет дополнительно развить
эти важные научно-технические направления, к чему проявля¬
ют интерес иностранные автомобильной фирмы, размещенные
в Санкт-Петербурге.
Цель проекта — разработка экспериментального петербург¬
ского робота-автомобиля.
Проект состоит из следующих частей:
1. Выбор базовой модели автомобиля.
2. Разработка автоматизированных приводов на руль, тор¬
мозной системы и других устройства автомобиля.
3. Разработка сенсорной системы автомобиля. оснаще¬
ние автомобиля лазерными системами, видеокамерами,
тактильными и ультразвуковыми устройствами для по¬
лучения информации об окружающей обстановке и со¬
стоянии дороги. оснащение автомобиля сенсорами для
получения информации о двигателе и других устройствах
автомобиля.
4. Разработка системы ориентации автомобиля. Эта си¬
стема должна работать на основе комплексирования
93
Глава 2. Современные кибернетические системы
информации с гироскопов, системы ГЛОНАСС, элек¬
тронной карты, систем распознавания наиболее заметных
объектов по трассе движения и элементов искусственного
интеллекта.
5. Разработка вычислительной системы автомобиля. Ин¬
формация с многочисленных датчиков должна обрабаты¬
ваться с помощью многопроцессорного вычислительного
комплекса повышенной надежности. Может быть исполь¬
зована авиационная вычислительная система последнего
поколения.
6. Моделирование робота-автомобиля при перемещении
в городской среде методами технологии виртуальных
миров.
7. Создание полигона для испытания робота-автомобиля.
Эта разработка вдохновляется впечатляющими результата¬
ми испытания роботов-автомобилей в калифорнийском городе
Викторвиль в 2007 г.
В России, как ни в одной другой стране мира, за последнее
время резко увеличился поток автомобилей, ежегодный рост
автомобильного парка составляет около 10%. Быстрое увеличе¬
ние численности автомобильного парка сопровождается ростом
числа пострадавших от ДТП.
Если к началу XX в. во всем мире было около 6 тыс. авто¬
мобилей, то в настоящее время мировой автомобильный парк
насчитывает свыше 520 млн единиц (из них примерно 75% —
легковые). По данным статистики ООН, ежегодно от автомо¬
бильных аварий во всех странах погибает около 300 тыс. человек
и около 10 млн получают телесные повреждения.
относительная опасность автомобиля превышает относи¬
тельную опасность воздушного транспорта более чем в 3 раза,
а железнодорожного — в 10 раз. На 1 млрд пассажиро/киломе-
тров на автомобильном транспорте приходится 20 погибших,
на воздушном — 6, на железнодорожном — 2. По сравнению
со странами с развитой рыночной экономикой в России коли¬
чество ДТП на 1000 ТС в 7-10 раз выше, чем в США, Японии,
Германии, Франции, Финляндии и других странах. Реализация
в США с 1968 г. и Японии с 1970 г. законов «О безопасности
дорожного движения» и принятых на их основе национальных
94
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля...
программ сокращения аварийности позволила значительно со¬
кратить число раненых и погибших при продолжающемся уве¬
личении автопарка.
Проблема обеспечения безопасности движения на улицах
и дорогах должна рассматриваться в рамках сложной системы
дорожного движения. Термин «дорожное движение»
охватывает всю сложную динамическую систему, которая
образуется на дороге взаимодействием и совокупностью
участников движения: пешеходами, велосипедистами,
мотоциклистами, водителями автомобилей — профессионалами
и любителями. Естественно, безопасность дорожного
движения зависит от обученности, дисциплинированности и
правильности поведения всех участников движения, а не только
представляющих автомобильный транспорт. В этом заключается
одна из основных причин сложности обеспечения безопасности
движения как на самом автомобильном транспорте, так и в
дорожном движении в целом. Это обстоятельство можно
характеризовать как недостаточную изоляцию автомобильного
движения от окружающей среды. Если бы движение автомобилей
повсеместно происходило по путям, где не было бы движения
пешеходов, велосипедистов, тихоходных ТС, задача обеспечения
безопасности намного бы упростилась.
Другим фактором, обусловливающим сложность решения
проблемы обеспечения безопасности движения, является все
увеличивающийся разрыв между ростом численности парка
автомобилей и протяженностью дорожной сети; первая опе¬
режает вторую на целый порядок, что характерно практически
для всех стран. Если парк автомобилей увеличивается примерно
на 10% в год, то прирост протяженности дорог не превышает
1%. Следствием этого является постоянное увеличение стеснен¬
ности дорожного движения, а следовательно, резкое учащение
непосредственных контактов, взаимодействия участников дви¬
жения, которое во многих случаях носит характер конфликтных
ситуаций, часто перерастающих в ДТП.
Если выделить из системы дорожного движения только ее
транспортную часть, т. е. комплекс «водитель — автомобиль
— дорога — среда», то можно отметить, что совершенство¬
вание этого комплекса в плане повышения безопасности дви¬
жения также зависит не только от деятельности транспортных
95
Глава 2. Современные кибернетические системы
организаций. Так, совершенствование конструкций ТС осу¬
ществляется заводами-изготовителями и их смежниками, на¬
пример, предприятиями шинной промышленности. Полно¬
стью самостоятельной областью является строительство и
реконструкция дорог, улиц, дорожно-транспортных сооруже¬
ний. однако при более глубоком рассмотрении и здесь можно
проследить связь с деятельностью автомобильного транспорта,
например, почти всякое усовершенствование конструкции ТС
дает конечный эффект не только в зависимости от уровня кон¬
структорской и технолоческой их разработки, но также и от того,
насколько грамотно эти усовершенствования использованы в
эксплуатации.
Поскольку полностью избежать ДТП пока не представля¬
ется возможным, автомобиль совершенствуется в направлении
снижения вероятности аварии и минимизации ее последстий.
Этому способствуют ужесточения требований к безопасности
автомобиля со стороны организаций, занимающихся анализом
и практическими опытами. Такие мероприятия дают свои поло¬
жительные «плоды». С каждым годом автомобиль становится
безопасней — как для тех, кто находится внутри, так и для пе¬
шеходов.
Понятие «безопасность автомобиля» делится на две ча¬
сти — активную и пассивную. Активная безопасность авто¬
мобиля — это совокупность конструктивных и эксплуатаци¬
онных свойств автомобиля, направленных на предотвращение
ДТП и исключение предпосылок их возникновения, связанных
с конструктивными особенностями автомобиля. А если гово¬
рить проще, то это те системы автомобиля, которые помогают
в предотвращении аварии. Пассивная безопасность автомобиля
должна обеспечивать выживание и сведение к минимуму количе¬
ство травм у пассажиров автомобиля, попавшего в ДТП. На рис.
2.5. приведен перечень параметров и систем автомобиля, влия¬
ющих на его безопасность.
Для обеспечения безопасности автомобиля необходимо со¬
здать такую ситуацию, когда автомобили не попадают в аварии.
В настоящее время для достижения такой ситуации активно
развивается направление — «интеллектуальный» автомобиль
(Intelligent Car). К реализации этого проекта привлекаются
огромные ресурсы.
96
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля...
2.4.1. Интеллектуальный автомобиль
Идея «интеллектуального автомобиля» состоит в созда¬
нии такой ситуации, когда автомобили не попадают в аварии,
где пробки резко сокращены, автомобили энергоэффективны
и меньше загрязняют окружающую среду.
- безотказность
- компоновка автомобиля
- тормозные свойства
- тяговые свойства
- устойчивость автомобиля
- управляемость автомобиля
- информативность
- комфортабельность
- конструкция кузова
- ремни безопасности
- надувные подушки безопасности
- сиденья с подголовниками
- безопасность детей
Рис. 2.5. Структура безопасности автомобиля
Сегодня информационно-коммуникационные технологии
(ICT — Information and Communications Technologies) являют¬
ся отправной точкой для реализации этого проекта. Автомобиль
становится умнее, помогая уменьшить проблемы дорожного
движения.
Интеллектуальные системы способны помочь решить мно¬
гие проблемы. они смогут помочь водителям избежать ДТП
и даже вызвать спасательные службы автоматически в случае
аварии. Также они могут быть использованы в электронных си¬
стемах управления движением и оптимизации работы двигателя,
тем самым повышая энергоэффективность и сокращая загрязне¬
ние окружающей среды.
Примером широко и хорошо известного «интеллектуаль¬
ного» устройства можно привести антиблокировочную тор¬
мозную систему, которая предотвращает блокировку колес при
торможении и, следовательно, помогает водителю в удержании
машины под контролем. Примером для усовершенствования
системы является электронный помощник торможения. Эта
97
Глава 2. Современные кибернетические системы
система будет помогать водителю более эффективно произво¬
дить торможение и даже сможет остановить автомобиль, если
столкновение окажется неизбежным.
В данном направлении ведутся огромные работы. Европей¬
ской комиссией была создана политическая инициатива под од¬
ноименным названием в рамках объединения всех мероприятий,
связанных с интеллектуальным автомобилем.
Инициатива «Интеллектуальный автомобиль» была осно¬
вана Комиссией коммуникаций 15 февраля 2006 г. и представле¬
на общественности в Брюсселе. ее цель — повысить безопасность
дорожного движения в Евро союзе и, в частности, сократить число
смертных случаев на дорогах и дорожных аварий, сократить коли¬
чество пробок и снизить потребление топлива и выбросов CO2.
«Интеллектуальный автомобиль» относится к широ¬
кому спектру основанных на информационных технологиях
автономных или кооперативных систем. Некоторые уже на¬
ходятся в эксплуатации (ABS, ESC), другие — в стадии раз¬
работки или внедрения. Ниже представлен список основных
технологий:
1. Anti-lock Braking System (ABS);
2. Adaptive Cruise Control (ACC);
3. Adaptive Headlights;
4. Lane Change Assistant / Blind Spot Detection;
5. Driver Drowsiness Monitoring and Warning;
6. Dynamic Traffic Management;
7. eCall;
8. Electronic Brake Assist System;
9. Electronic Stability Control (ESC);
10. Extended Environment Information;
11. Gear Shift Indicator;
12. Intersection Assistant (not yet commercially available);
13. Lane Departure Warning;
14. Local Danger Warning;
15. Night Vision;
16. Obstacle and Collision Warning;
17. Pedestrian/ Vulnerable Road User Protection;
18. Speed Alert;
19. Tyre Pressure Monitoring System (TPMS);
20. Wireless Local Danger Warning.
98
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля...
Современная ESP взаимосвязана с ABS, антипробуксовоч-
ной системой и блоком управления двигателем, она активно
использует их компоненты. По сути это единая система, ра¬
ботающая комплексно и обеспечивающая целый набор вспо¬
могательных контраварийных мероприятий. Структурно ESP
состоит из электронного блока-контроллера, который посто¬
янно обрабатывает сигналы, поступающие с многочисленных
датчиков: скорости вращения колес (используются стандартные
датчики АБС), датчика положения рулевого колеса, датчика дав¬
ления в тормозной системе.
Но основная информация поступает с двух специальных
датчиков: угловой скорости относительно вертикальной оси
и поперечного ускорения (иногда это устройство называют
G-сенсор). Именно они фиксируют возникновение бокового
скольжения на вертикальной оси, определяют его величину
и дают дальнейшие распоряжения. В каждый момент ESP знает,
с какой скоростью едет автомобиль, на какой угол повернут руль,
какие обороты у двигателя, есть ли занос и т. д. обрабатывая сиг¬
налы с датчиков, контроллер постоянно сравнивает фактическое
поведение автомобиля с тем, что заложено в программе. Если
поведение автомобиля отличается от расчетного, контроллер
понимает это как возникновение опасной ситуации и стремит¬
ся исправить ее. Вернуть автомобиль на нужный курс система
может, давая команду на выборочное подтормаживание одного
или нескольких колес. Какое из них надо замедлить (переднее
колесо или заднее, внешнее по отношению к повороту или вну¬
треннее), система определяет сама в зависимости от ситуации.
Притормаживание колес система осуществляет через ги¬
дромодулятор АБС, создающий давление в тормозной системе.
одновременно (или до этого) на блок управления двигателем
поступает команда на сокращение подачи топлива и уменьше¬
ние, соответственно, крутящего момента на колесах.
Система работает всегда, в любых режимах движения: при
разгоне, торможении, движении накатом. А алгоритм срабаты¬
вания системы зависит от каждой конкретной ситуации и типа
привода автомобиля. Например, в повороте датчик углового
ускорения фиксирует начало заноса задней оси. В этом случае
на блок управления двигателем подается команда на умень¬
шение подачи топлива. Если этого оказалось недостаточно,
101
Глава 2. Современные кибернетические системы
квалификацию, может сохранять управление в процессе самых
разнообразных экстремальных маневров, используя принцип «об¬
ратного поворота рулевого колеса» (т. е. поворот рулевого колеса
на мгновение в направлении, обратном направлению движения,
задаваемому водителем) или с помощью других методов. однако
водители средней квалификации в состоянии паники, когда ТС
начинает заносить, вряд ли смогут повернуть рулевое колесо в об¬
ратную сторону, чтобы заставить ТС слушаться руля.
Для предотвращения таких ситуаций, в которых можно
сразу же потерять управление автомобилем, в системах ЭКУ
используется принцип автоматического торможения отдель¬
ных колес в целях корректировки направления движения ТС,
если оно отклоняется от того направления, которое ему задает
водитель. Таким образом, эта система не дает ТС возможности
изменить направление движения слишком быстро (занос) или
недостаточно быстро (снос). Хотя она и не может увеличить
фактическое сцепление с дорогой, ЭКУ обеспечивает водите¬
лю максимальную возможность контролировать движение ТС,
а на дороге, в процессе экстренного маневра, использовать лишь
естественную реакцию рулевого управления для движения в за¬
данном направлении.
Удержание ТС на дороге предотвращает аварии одиночных
автомобилей, обусловливающие в большинстве случаев опроки¬
дывание. однако способность системы ЭКУ эффективно воздей¬
ствовать на движение транспортного средства в таких ситуациях
небеспредельна. Например, если скорость просто слишком ве¬
лика, то с учетом фактического сцепления с дорогой ТС даже
оснащенное ЭКУ неизбежно съедет с дороги (но без заноса).
Кроме того, ЭКУ не может предотвратить съезд с дороги по при¬
чине ослабления внимания или из-за сонливости, а не потери
управления. Тем не менее проведенные в разных странах мира
исследования показывают, что в силу своих высоких показате¬
лей эффективности системы ЭКУ могут оказать существенное
воздействие в плане спасения жизни людей, особенно в случае
их широкого применения в имеющемся парке ТС. Хотя система
ЭКУ не в состоянии изменить условия сцепления между шиной
и дорогой, когда водитель оказывается в критической ситуации,
есть все же явные причины предполагать, что она позволит со¬
кратить число ДТП, вызванных потерей управления.
100
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля...
Ниже описаны некоторые системы, которые в большей сте¬
пени способны уменьшить вероятность аварии и смертельные
исходы.
Электронный контроль устойчивости (ЭКУ, ESC — англ.
Electronic Stability Control) — вспомогательная система авто¬
мобиля, изобретенная в 1995 г., позволяющая предотвратить
начинающийся занос или снос посредством управляемого
компьютером торможения одного (или нескольких) из колес.
Эксперты называют ЭКУ самым важным изобретением в сфере
автомобильной безопасности после ремней безопасности. она
обеспечивает водителю лучший контроль за поведением авто¬
мобиля, следя за тем, чтобы он перемещался в том направлении,
куда указывает поворот руля.
По данным американского Страхового института дорож¬
ной безопасности примерно одна треть смертельных аварий
могла бы быть предотвращена системой ЭКУ, если бы ею были
оснащены все автомобили. В США требование оснащать все
новые автомобили системой ЭКУ введено в 2012 г., в Евросою¬
зе — с ноября 2011 г. для новых моделей автомобилей и с ноября
2014 г. — для всех новых автомобилей. Аналогичные законода¬
тельные меры предпринимаются также в Канаде и Австралии.
Хотя системы ЭКУ в настоящее время известны под много¬
численными торговыми наименованиями, принцип их действия
и технические характеристики в целом похожи. В этих системах
используется принцип компьютерного контроля за работой тор¬
мозов отдельных колес, каждый помогает водителю сохранять
управление ТС во время экстремальных маневров путем под¬
держания движения ТС в том направлении, которое задает ему
водитель, даже если ТС приближается или достигает предельных
показателей сцепления с дорогой.
Когда водитель пытается сделать какой-либо «экстремальный
маневр» (например, во избежание столкновения или из-за непра¬
вильной оценки крутизны поворота), он может потерять управ¬
ление, если ТС по мере приближения к предельным значениям
сцепления с дорогой начинает реагировать иначе, чем в случае
обычного вождения. Потеря управления водителем может выра¬
жаться в том, что начинает либо «заносить» заднюю часть ТС,
либо «сносить» переднюю. Пока сохраняется достаточное сцепле¬
ние с дорогой, водитель, имеющий высокую профессиональную
99
Глава 2. Современные кибернетические системы
посредством АБС притормаживается внешнее переднее колесо.
И так далее в соответствии с программой.
Кроме того, в автомобилях, оборудованных автоматической
КПП с электронным управлением, ESP способна даже корректи¬
ровать работу трансмиссии, т. е. переключаться на более низкую
передачу или на «зимний» режим, если он предусмотрен.
ESP является одной из важнейших частей комплекса актив¬
ной безопасности автомобиля. она исправляет ошибки в управ¬
лении и часто помогает выйти из ситуаций, в которых средне¬
статистический водитель на обычном автомобиле потерпел бы
полное фиаско. Главное достоинство ESP — с ней автомобиль
перестает требовать от водителя навыков экстремального во¬
ждения. он просто поворачивает руль, а машина сама будет ду¬
мать, как вписаться в поворот.
одно из исследований, проведенных в 2004 г. в США, по¬
казало, что ЭКУ могут оказать позитивное воздействие на спо¬
собность обычных водителей справляться с управлением
в критических ситуациях. В ходе этого исследования выборка
из 120 водителей, включающая равное число мужчин и женщин,
а также равное число представителей трех возрастных групп
(18-25, 30-40 и 55-65 лет), подвергалась проверке в условиях
нижеизложенных критических дорожных сценариев. «Сцена¬
рий вторжения» заключался в том, что водитель должен был
попытаться произвести маневр с двойным переходом с одной
полосы движения на другую на высокой скорости (дорожный
знак ограничения скорости — 65 миль/ч) сначала в результате
неожиданного появления на полосе ТС, выехавшего с боковой
дороги, а затем другого ТС, которое находилось перед ними в ле¬
вой полосе движения. «Сценарий съезда на обочину» предусма¬
тривал, что водители должны были ехать по кривой на обычном
повороте с постоянным радиусом со скоростью 105 км/ч, ука¬
занной на дорожном знаке, с последующим выездом на другой
поворот, который казался таким же, но радиус которого в дей¬
ствительности уменьшался, что при въезде было незаметно.
Система экстренного вызова. Когда происходит ДТП,
быстрота, с которой будут мобилизованы спасательные служ¬
бы, имеет исключительно важное значение для спасения жиз¬
ней и уменьшения последствий травм. В случае возникновения
чрезвычайной ситуации или даже аварии «Система экстренного
102
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля...
вызова» может значительно сократить время реагирования экс¬
тренных служб. Такая система уже создана в Европейском союзе,
она известна под названием eCall (рис. 2.6).
После аварии водитель и пассажиры в ТС могут быть в шоке,
не знать своего местоположения, не иметь возможности общать¬
ся между собой и использовать мобильный телефон.
Во всех этих случаях, где бы они ни произошли на террито¬
рии Европы, eCall может значительно сократить время реаги¬
рования на чрезвычайные ситуации, сохранить жизнь и снизить
тяжесть травм. После полного внедрения в европе социально¬
экономические выгоды от eCall будут огромны. eCall является
панъевропейским сервисом, который будет работать во всех
государствах — членах и государствах, связанных с этой ини¬
циативой. она будет доступна на всех ТС независимо от мар¬
ки, страны и фактического местонахождения ТС. eCall — это
единственный сервис, обеспечивающий общеевропейский ох¬
ват. eCall будет работать в отпуске и во время деловой поездки,
а также дома.
Рис. 2.6. Система eCALL — простая архитектура
Когда происходит серьезная авария, датчики в автомоби¬
ле автоматически инициируют eCall. При ее включении в ав¬
томобиле система устанавливает 112-голосовой аппарат свя¬
зи для передачи аварийных сообщений, минимальный набор
данных (MSD), включая ключевую информацию об аварии,
такие как время, местоположение, направление движения (в ре¬
зультате точных спутниковых данных, таких как EGNOS11,
103
Глава 2. Современные кибернетические системы
а с 2013 г. — Galileo12), и описание автомобиля отправляется
с голосовым вызовом. eCall также можно активировать вручную.
оператор мобильной связи (MNO) определяет, что 112-й
вызов eCall поступил от установленного в ТС коммуникацион¬
ного модуля. оператор мобильной связи вызывает наиболее под¬
ходящий центр реагирования на чрезвычайные ситуации. Центр
будет получать как голосовые звонки, так и MSD.
Информация, предоставленная MSD, будет расшифровы¬
ваться и отображаться на экране оператора PSAP. Местополо¬
жение и направление движения ТС может быть показан в гео¬
графической информационной системе. В то же время оператор
сможет слышать, что происходит в автомобиле, и поговорить
с пассажирами ТС, если это возможно. Это поможет выяснить,
какая аварийно-спасательная служба необходима на месте ДТП
(скорая помощь, пожарные, полицейские), а также оперативно
направить предупреждения и всю соответствующую инфор¬
мацию нужным службам. Кроме того, операторы PSAP смогут
немедленно сообщить центрам управления движением, что ин¬
цидент произошел в определенном месте, способствуя быстро¬
му информированию других участников дорожного движения,
и тем самым поможет предотвратить средние аварии, очистить
проезжую часть и, следовательно, снизить перегруженность до¬
роги.
Сеть между автомобилями. Идея создания сети между ав¬
томобилями возникла давно, многие автопроизводители и орга¬
низации занимались этими вопросами в одиночку. В настоящее
время крупнейшие производители автомобильной промышлен¬
ности и организации, связанные с дорожным движением, объе¬
динились и прилагают совместные усилия для разработки новых
автомобильных систем, в первую очередь систем, обеспечива¬
ющих безопасность, управление движением и уменьшение вы¬
бросов CO2. В связи с развитием коммутационных технологий
одним из перспективных направлений в исследованиях является
создание сети между автомобилями и дорожной инфраструк¬
турой. В рамках этой идеи был создан консорциум Car 2 Car
Consortium.
Цель консорциума состоит в создании и стандартизации
интерфейсов и протоколов беспроводной связи между ТС и их
окружением, с тем чтобы ТС различных производителей имели
104
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля...
совместимость, а также общаться между собой и дорожной ин¬
фраструктурой.
Car 2 Car-система основана на беспроводных сетевых техно¬
логиях малого радиуса действия.
Специальная сar-связь позволяет транспортным средствам
обмениваться информацией. Так формируется автотранспорт¬
ная сеть VANE (Vehicular Adhoc Network). Car 2 Car-система
расширяет горизонты возможностей водителя и дает совершен¬
но новые нормы обеспечения безопасности. Связь Car 2 Car
хорошо подходит в качестве основы для приложений децентра¬
лизованных систем активной безопасности и, следовательно,
способствует снижению происшествий и их тяжести. Помимо
активных функций безопасности система включает в себя ак¬
тивные приложения для управления движением и способствует
улучшению дорожного движения.
C2X-коммуникации позволяют предоставлять большое
количество информации о безопасности или эффективности
движения водителям. C2C-CC C2X-система была и будет про¬
должать развиваться на основе требований использования.
В коммуникациях участвуют:
— водители, которые пользуются системой, получая преду¬
преждения и рекомендации маршрута;
— дорожные службы, которые получают данные о движении
и, следовательно, могут осуществлять контроль движения более
эффективным способом;
— провайдеры и точки доступа к интернет-услугам, напри¬
мер на АЗС.
Использовать систему Car 2 Car для обеспечения безопас¬
ности можно в различных сценариях.
Рассмотри три случая использования системы для обеспе¬
чения безопасности.
Первое — это система предупреждения об опасности
столкновения. Типичными причинами наезда сзади является
отвлечение водителя или резкое торможение впереди следу¬
ющего ТС. Во всем мире процент среди всех аварий, связан¬
ных с наездом сзади, очень велик. Система, предупреждающая
об опасности такой аварии, смогла бы избежать их. С помощью
системы Car 2 Car возможно создать такую систему. Во вре¬
мя нормального вождения она анонимно будет обмениваться
105
Глава 2. Современные кибернетические системы
соответствующей информацией с оборудованными ТС, та¬
кой как местоположение, скорость и направление движения.
Чтобы предсказать неминуемый наезд сзади, каждое ТС сле¬
дит за действиями своих водителей, положением автомобиля
и поведением всех других автомобилей поблизости. Когда
система обнаруживает в критической близости ТС, проис¬
ходит предупреждение водителя. Таким образом, водитель
будет иметь достаточное количество времени для избежания
аварии. В дополнение к беспроводной связи для обнаруже¬
ния ТС, не оборудованных системой Car 2 Car, могут быть
использованы различные датчики.
Система обнаружения и предупреждения аварии требует
от всех ТС периодического обмена информацией, чтобы пред¬
сказать столкновение. Когда уже не избежать аварии, вовлечен¬
ные ТС должны быстро и надежно обмениваться информацией,
что накладывает требования к связи. Происходит передача наи¬
более полных и подробных сведений об автомобилях, например
таких, как положение и размер. Эта дополнительная информа¬
ция, предоставленная обоими ТС, позволяет оптимизировать
такие системы обеспечения безопасности, как подушки безопас¬
ности, системы предварительного натяжения ремня безопасно¬
сти, расширения бамперов и т. д.
Система обмена уведомлениями об опасных областях
использует связь между автомобилями для информирования об
опасных местах на дороге, как, например, скользкая дорога или
выбоина. Таким образом, основным вопросом является генера¬
ция информации о состоянии дорожной обстановки на конкрет¬
ном месте. Например, на ТС сработала ESP, информация об этом
и месте, где это произошло, сохраняется и передается другим
ТС в окрестности. Транспортные средства, которые получают
эту информацию, предоставляют информацию на рассмотрение
водителя или используют ее для оптимизации шасси и систем
безопасности. Соответствующая информация может быть до¬
ведена до любого количества ТС на площади, ограниченной
только плотностью потока ТС, оборудованных системой Car
2 Car. В дополнение к описанному случаю, когда информация
создается в автомобиле, она может поступать от внешних по¬
ставщиков дорожной инфраструктуры, доступных через сеть,
в том же порядке.
106
2.4. Проблемы создания роботизированного автомобиля...
2.5. УМНАЯ ДОРОГА
Умная — это дорога, которая дополнительно оснащена ра¬
диосредствами, дублирующими визуальные дорожные знаки. В
России на ее гигантской территории строительство дорог всегда
было большой проблемой и поэтому так важно было иметь аль¬
тернативный транспорт, прежде всего речной, а в настоящее вре¬
мя — воздушный: самолеты, вертолеты, дирижабли. Создание
альтернативного сухопутного транспорта для бездорожья —
стратегическая задача, которая решается путем создания везде¬
ходов и болотоходов, а также шестиногих роботов, оснащенных
искусственным интеллектом и способных перемещаться по кру¬
тому бездорожью.
В качестве примера рассмотрим кинематическую схему ше¬
стиногой машины для перемещения по пересеченной местно¬
сти. Машина состоит из шестиугольной платформы, по пери¬
метру которой равномерно распределены шесть ног (рис 2.7).
Каждая нога имеет два сустава. Коленный сустав имеет одну
степень подвижности — сгибается в вертикальном направ¬
лении. Бедренный сустав имеет две степени подвижности —
вертикальную и горизонтальную (рис. 2.8). Также каждая нога
имеет датчик опоры.
Рис. 2.7. Кинематическая схема машины
107
Глава 2. Современные кибернетические системы
Рис. 2.8. Кинематическая схема ноги
Машина предназначена для движения по сильно пересечен¬
ной местности, для переноски значительных грузов. На мест¬
ности могут располагаться препятствия в виде углублений
(ямы, канавы) и возвышений (большие камни, завалы), которые
машина может перешагивать. Местность может иметь крутые
склоны, которые машина преодолевает изменением положе¬
ния ног и без наклона корпуса. Машина способна двигаться
в любом направлении, в том числе менять направление дви¬
жения без поворота корпуса (рис. 2.9). Ниже представлены
фото экспериментального образца шестиногого робота, кото¬
рый проходит испытания (С. В. Владимиров, М. Б. Игнатьев,
В. И. Сапожников и др., доклад на Международной научно-тех¬
нической конференции «Экстремальная робототехника —
2015», Санкт-Петербург).
Рис.2.9. Шестиногий робот, вид сверху
108
2.5. Умная дорога
2.6. РОБОТЫ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ
ТРУБОПРОВОДОВ
Самые различные трубы являются основой современной ци¬
вилизации — это водопроводы и канализация, нефтепроводы
и газопроводы, химические производства и энергетика. Трубы
изнашиваются, подвергаются коррозии и деформациям, поэто¬
му нуждаются в контроле и диагностике для предотвращения
аварий. Существует большой арсенал средств для решения этой
проблемы, однако они нуждаются в улучшении.
Предлагаемый нами (М. Б. Игнатьев и др., Патент на изо¬
бретение №2571242) запатентованный автономный адаптивный
шагающий робот создан в целях диагностики газопроводов без
отключения подачи газа. Робот перемещается на многие кило¬
метры внутри трубы в потоке газа (рис. 2.10), откуда и черпает
энергию; он не связан проводами с оператором — результаты
диагностики сообщаются оператору по беспроводной системе
связи. В разработке робота принимали участие студенты ГУАП
Г. М. Герасимов, Я. Липинский, А. Литовкин, П. Макин. При соз¬
дании робота были решены многие проблемы.
Во-первых, проблема энергообеспечения. Все известные
нам устройства для контроля и диагностики получают энергию
по проводам, что существенно ограничивает их возможности.
Мы предложили использовать поток газа для получения необхо¬
димой электроэнергии с помощью оригинальной ветротурбины,
а в качестве исполнительных устройств применять оригинальные
электромагниты на основе сильных постоянных магнитов, что
и позволило обеспечить необходимый энергетический баланс.
Большинство всякого рода трубопроводов заполнено различными
жидкостями. На период ремонта трубопроводы освобождаются
от жидкостей и в них в качестве энергоносителя может подаваться
сжатый воздух, из потока которого робот может черпать энергию.
Во-вторых, проблема адаптации робота к различным вы¬
ступам, изгибам и деформациям при его перемещении внутри
трубы. Эта задача решена нами путем использования принципа
адаптивного шагания.
У робота девять ног, башмачки которых поочередно втягива¬
ются или вытягиваются до момента соприкосновения со стенка¬
ми трубы. Активизированные электромагниты ног играют роль
109
Глава 2. Современные кибернетические системы
магнитных пружин, что и обеспечивает адаптацию к различным
выступам, деформациям и изгибам.
В-третьих, проблема диагностики состояния трубы. Суще¬
ствует возможность закреплять на теле робота различные диа¬
гностические устройства, web-камеры с полупроводниковыми
светодиодами для освещения внутренней поверхности трубы
(до шести камер для полного осмотра). Вместо камер можно
установить ультразвуковые генераторы и приемники для диаг¬
ностики тела трубы.
В-четвертых, проблема передачи информации оператору.
она решена с использованием беспроводной передачи, ведь
труба — хороший волновод.
Таким образом, был создан робот как оригинальный про¬
граммно-аппаратный комплекс, позволяющий перемещаться
внутри трубы газопровода и взаимодействовать с объектами. он
обеспечивает информационное погружение человека-оператора
во внутреннюю среду газопровода в целях диагностики.
Проведен анализ целей и задач использования робота
в индивидуальном и групповом режимах, на основе которого
должны быть разработаны сценарии использования робота для
диагностики газопроводов различных типов (рис. 2.11). опре¬
делен состав стандартных и специализированных программных
и аппаратных модулей типового класса роботов с возможностью
индивидуального и группового режимов работы.
Автономный адаптивный шагающий робот существенно
пополняет арсенал средств для диагностики газопроводов и по¬
вышает их безопасность. Появление киберфизических систем
как отдельного класса знаменует новый уровень взаимодействия
между физичскими структурами и системами управления.
Изготовлен экспериментальный образец автономного ша¬
гающего адаптивного робота для внутритрубной диагностики
газопроводов, который демонстрировался на Всемирной вы¬
ставке в Ганновере в 2013 году. Выступая на открытии выстав¬
ки, канцлер Германии А. Меркель заявила, что развитие авто¬
матизации позволяет провозгласить «Промышленность 4.0»
(см. рис. 2.13-2.18). Впервые этот термин прозвучал на выставке
в 2011 г. Ключевая часть концепции — информация, встраивае¬
мая в продукт по мере его продвижения по стадиям производства
и позволяющая реализовывать полностью гибкое производство.
110
2.6. Роботы для диагностики трубопроводов
В настоящее время формируется система глобальной автомати¬
зации (см. подробнее
http://ua.automation.com/content/
o-chem-govorili-na-hannover-messe-promyshlennost-4)
Рис. 2.10. Автономный шагающий адаптивный робот
для диагностики газопроводов (Санкт-Петербургский
государственный университет аэрокосмического
приборостроения)
Рис. 2.11. Примеры выявленных дефектов трубы
Труба
для незаконного
отбора газа
Рис. 2.12. Выявление незаконных врезок в газопровод
111
Глава 2. Современные кибернетические системы
Подвижная шайба
с постоянными магнитами
Moving washer with
permanent magnets
Тело робота
Body of robot
Рис.2.13. Принцип перемещения робота в трубе
1 - осветитель 3 - диагностируемая трубка
2 - видеокамера 4 - тело робота
Рис. 2.14. Визуальная диагностика в косых лучах
Видеокамеры
и осветители
на неподвижных
шайбах робота
1
—1
(—
Рис.2.15. Построение развертки внутренней поверхности трубы
112
2.6. Роботы для диагностики трубопроводов
0,5 м
0,5 м
Г
\ ^
Г“
у
D С
D С
D
L_
J
◄ ► ◄ ► ◄ ►
0,5 м 0,5 м 0,5 м
1 - ультразвуковой генератор 2 - ультразвуковой приемник
Рис. 2.16. Диагностика с помощью группы роботов
Рис. 2.17. Блок-схема системы управления роботом
Управление роботом
Рис. 2.18. Экспертная система для диагностики
113
Глава 2. Современные кибернетические системы
2.7. КИБЕРФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.
КАК ОБУСТРОИТЬ ОКОЛОЗЕМНОЕ
пространство для борьбы
с космическими угрозами
На данный момент сложились глобальные структуры в мас¬
штабах всей планеты — это мощные газопроводные системы,
системы по передаче электроэнергии, транспортные железнодо¬
рожные системы авиационного, морского транспорта и др.
Нарушения в работе таких систем ведут к катастрофам гло¬
бального масштаба, отсюда вытекают требования повышенной
надежности, непрерывного контроля и диагностики. Эти зада¬
чи уже не могут быть решены только путем применения новых
информационных технологий, необходимо более глубокое про¬
никновение в физику процессов.
описанные в этой книге новые модели атомов, организмов
и других структур на основе лингво-комбинаторного модели¬
рования являются основой для получения новых результатов
в области киберфизики.
Последнее прежде всего существенно для разработки новой
элементной базы с учетом структурированной неопределенности,
обнаружены необходимые и достаточные условия синтеза нано¬
роботов, которые могут быть основой элементной базы нового
поколения. Это важно, во-первых, с точки зрения экологии — су¬
ществующая элементная база в машиностроении и информаци¬
онных системах не предусматривает малозатратную утилизацию
отработанных и устаревших устройств, что привело к колоссаль¬
ному захламлению нашей планеты и ближнего космоса. Использо¬
вание нанороботов с внешним управлением в качестве элемент¬
ной базы для построения самых различных машин и устройств
в принципе открывает перспективы сборки и разборки в соответ¬
ствии с управляющими сигналами, позволяет осуществить мало¬
затратную утилизацию отработанных блоков и машин.
Несмотря на всю большую проделанную работу на планете
остались значительные белые пятна неразведанных полезных ис¬
копаемых в транспортно малодоступных местах. Это во многом
относится к России со слабой транспортной инфраструк¬
турой. Поэтому представляется перспективным использование
114
2.7. Киберфизические системы. Как обустроить околоземное пространство...
семейства шагающих машин, способных переносить тяжелые
грузы по пересеченной местности.
В связи с освоением космоса возникла угроза, созданная
людьми, — космический мусор. В настоящее время на орбите
Земли находится свыше 600 тысяч объектов размером от 1 см
и больше. Благодаря высокой скорости перемещения эти объ¬
екты представляют серьезную опасность для спутников и пило¬
тируемых аппаратов. Для борьбы с космическим мусором США
предлагают использовать мощный лазер, а Япония — специаль¬
ную сеть. Вклад России в решение этой проблемы может быть
весомым. Чтобы консолидировать научно-технические силы
вузов, академий и предприятий различных стран, как государ¬
ственных, так и частных, необходимо организовать специальный
международный проект по обустройству околоземного косми¬
ческого пространства для предупреждения и отражения косми¬
ческих угроз (М. Б. Игнатьев, Л. Д. Парфиненко, Г. И. Пинигин
«Проблемы обустройства околоземного пространства для
борьбы с космическими угрозами», Санкт-Петербург, 2016).
В последние годы активно рассматриваются различные
аспекты так называемой кометно-астероидной опасности. На¬
учный интерес в астрономии к этой проблеме был всегда, по¬
скольку в ее основе лежат фундаментальные задачи изучения
происхождения, строения и эволюции Солнечной системы и на¬
селяющих ее небесных объектов (больших и малых планет, их
спутников, комет, астероидов и пр.). С другой стороны, астро¬
номические наблюдения последних лет показывают, что заселен¬
ность межпланетного пространства, в том числе и околоземно¬
го, природными небесными телами типа астероидов, комет и их
фрагментов достаточно высока, чтобы представлять реальными
их столкновения с Землей.
В настоящее время известно около 400 астероидов диамет¬
рами от нескольких метров до 40 км, орбиты которых опасно
сближаются с орбитой Земли (АСЗ — астероид, сближающий¬
ся с Землей). общее же число неоткрытых АСЗ может достичь,
по некоторым оценкам, 100 тысяч и более. Встреча Земли с од¬
ним из таких АСЗ может иметь катастрофические последствия
различной степени. Наиболее тяжелые, глобальные и региональ¬
ные катастрофы ожидаются от столкновения с АСЗ крупных
и средних размеров — от 100 м до десятков километров и более.
115
Глава 2. Современные кибернетические системы
С большой достоверностью точечный процесс появления
потенциально опасных событий (потенциально опасных сбли¬
жений Земли с астероидами) является пуассоновским с постоян¬
ной интенсивностью. Пуассоновский процесс характеризуется
экспоненциальным распределением времени между последова¬
тельными скачками (точками экстремального процесса). от ка¬
тастрофы до катастрофы реализуется случайное число потенци¬
ально опасных событий (И. А. Соколов и др.).
обсуждаемая в печати стратегия астероидной защиты Зем¬
ли носит пока отвлеченный характер. основной акцент делается
на сбор информации о характеристиках наиболее опасных АСЗ
диметрами более 1 км путем организации мониторинга в целях
их обнаружения, отождествления и прогнозирования движения.
В рамках Международной программы астероидной опасности
(Spaceguard Foundation) более 40 астрономических телескопов
ведут регулярные наблюдения по обнаружению и отождествле¬
нию малых тел Солнечной системы, в том числе и АСЗ. Мало¬
размерные астероиды, составляющие главную реальную угрозу
при их падении на Землю, более многочисленны и менее изу¬
чены. Здесь, учитывая большую вероятность их столкновения с
Землей, наряду с мониторингом основное значение имеет пре¬
дотвращение столкновения путем отклонения или уничтожения
АСЗ. В ряде работ обсуждаются вопросы создания систем защи¬
ты от астероидной опасности различного назначения, структу¬
ры, местоположения.
Рис. 2.19. Гравитационный тягач
для борьбы с астероидной опасностью
116
2.7. Киберфизические системы. Как обустроить околоземное пространство...
Развитие цивилизации на нашей планете позволяет поста¬
вить вопрос о предотвращении космических угроз. Существу¬
ют различные проекты для достижения этой цели, в частности
по борьбе с астероидной опасностью. один из таких проек¬
тов — гравитационный тягач (рис. 2.20). Идея его заключается
в том, чтобы изменить траекторию движения астероида путем
длительного гравитационного воздействия космического кора¬
бля, который должен находиться рядом с астероидом и тем са¬
мым изменять характеристики движения астероида.
Для иллюстрации проекта создан макет гравитацион¬
ного тягача (М. Б. Игнатьев и др. Патент на полезную модель
№149014). Макет состоит из системы взаимодействующих тел,
лазерного дальномера, блока управления, двигателя и солнечной
батареи. В макете гравитационные воздействия моделируются
магнитными взаимодействиями стального шара (модель астеро¬
ида) и сильных постоянных магнитов на подвижном основании.
Шар перемещается по круговому желобу. Принцип действия ма¬
кета заключается в том, что с помощью лазерного дальномера
измеряется расстояние от подвижного основания, где установ¬
лены постоянные магниты, до шара. С помощью блока управле¬
ния и двигателя это расстояние удерживается с точностью 1 мм
в диапазоне 20-40 мм, тем самым имитируется перемещение
астероида под воздействием дополнительной гравитационной
силы космического аппарата.
Рис. 2.20. Макет гравитационного тягача
117
Глава 2. Современные кибернетические системы
Макет служит для лучшего понимания действия гравитаци¬
онного тягача и может быть использован в образовательных
целях.
Как показывают исследования, с большим астероидом диа¬
метром свыше 10 км человечество на данном уровне развития
цивилизации справиться не сможет, и тогда большой катастрофы
планетарного масштаба не избежать. Поэтому важны теоретиче¬
ские исследования по разработке новой картины мира.
В целом Луну можно считать идеальным местом для реали¬
зации многих современных и будущих научных программ. осу¬
ществление этих программ связано с созданием на Луне осна¬
щенной долговременной базы.
С общих позиций, Луна является закономерным, неизбеж¬
ным этапом освоения человечеством космического простран¬
ства. Динамика этого процесса определяется научным и техно¬
логическим уровнем развития земной цивилизации. Прогнозы
показывают, что начальная стадия освоения Луны автоматиче¬
скими устройствами-роботами может быть реализована в бли¬
жайшие 10-15 лет. Дальнейшее расширение работ на Луне и со¬
здание обитаемой лунной базы (или баз) по широкому диапазону
исследования Луны, с Луны и на Луне просматриваются в пер¬
спективе ближайших 10-20 лет.
Рис. 2.21. Расположение защитных станций
на орбите Луны
118
2.7. Киберфизические системы. Как обустроить околоземное пространство...
Луна сама по себе выполняет важные функции по защите
Земли от астероидов, притягивая часть астероидов и метео¬
ритов на себя. Но для выполнения этой функции одной Луны
мало. Представляется целесообразным отбуксировать несколь¬
ко астероидов на лунную орбиту, распределив их равномерно
по лунной орбите (рис. 2.21), тем самым создав как бы экран
для отражения космических угроз.
В настоящее время США, Китай, Европа и Россия развер¬
тывают работы по началу освоения Луны. Лунная база рассма¬
тривается как перспективное место для расположения службы
астероидной безопасности.
По данным NASA, предстоящие лунные экспедиции будут
гораздо продолжительней, чем миссии «Аполлонов». Для пре¬
бывания на Луне астронавтам будет нужен лунный дом. NASA
планирует создание первой лунной базы к 2020 году. Первые
четыре «селенита» проведут на Луне 7 дней, но по мере расши¬
рения лунной базы время пребывания на ней будет достигать
180 дней. Для жизни на Луне NASA сконструировало прототип
надувного жилого лунного модуля. Космический дом астронав¬
тов имеет высоту 3,65 м, а надувной каркас сделан из много¬
численных слоев ткани. В последующие несколько лет инжене¬
ры протестируют надувную оболочку на жесткость, прочность
и степень защиты от излучения, чтобы лунные жители могли
чувствовать себя как дома.
еще во времена СССР компания академика В. П. Бармина
построила макет лунной базы под Ташкентом на местности,
ландшафт которой напоминает лунный. В Ленинградском инсти¬
туте авиационного приборостроения с участием автора книги
для этой базы разработан спектр робототехнических систем. Су¬
ществуют различные проекты освоения Луны, об одном из них
рассказывал космонавт Н. Севастьянов. Доставлять на орбиту
космонавтов и грузы будет новый многоразовый корабль «Кли¬
пер». он вместе с буксиром, который придет на смену грузовым
«Прогрессам», сможет перевозить до 10 т грузов, что значи¬
тельно сократит транспортные расходы.
Пилотируемый «Клипер» и разработанный в РКК межор¬
битальный буксир «Паром» образуют единый многоразовый
транспортногрузовой космический комплекс, который будет
обслуживать промышленное освоение Луны.
119
Глава 2. Современные кибернетические системы
В данное время складывается согласованное мнение о струк¬
туре лунной базы. Она должна состоять из пяти блоков:
- системы взлета-посадки, космопорта;
- жилого комплекса, в котором долгое время (год в автоном¬
ном режиме) могут жить космонавты;
- блока производства строительных конструкций из лунных
материалов и ремонта техники;
- блока добычи и переработки полезных ископаемых;
- блока астрономических исследований.
Для разработки этих блоков должны быть привлечены
специалисты из разных областей науки и техники и осущест¬
влено комплексное моделирование.
освоение космоса — результат развития всего комплекса
наук и образовательных программ. Новые задачи по освоению
космоса ставят новые задачи перед образованием и позволяют
поднять престиж образования, прежде всего в области инфор¬
матики, которая может построить совершенные модели будущих
космических кораблей и лунных баз. Запуск первого спутника
Земли в СССР явился триумфом советской образовательной
системы, и в США были срочно приняты меры по совершен¬
ствованию образовательной системы.
Прежде чем реально осваивать Луну и астероиды, необхо¬
димо осуществить полномасштабное компьютерное моделиро¬
вание различных вариантов в целях выбора наилучших. Техно¬
логия виртуальных миров обеспечивает погружение человека
в определенную среду (например, искусственно созданный трех¬
мерный мир с шестью степенями свободы) и взаимодействие
(интерактивность) человека с объектами и персонажами этого
мира в реальном времени с использованием физических, фи¬
зиологических и других характеристик человека. Технология
виртуальных миров в настоящее время — это развитая отрасль
компьютерной науки.
Санкт-Петербургский государственный университет аэ¬
рокосмического приборостроения предлагает создать систему
интерактивного трехмерного моделирования лунной базы и дру¬
гих космических объектов на основе технологии виртуальных
миров для выработки проектных решений по различным объ¬
ектам и системе машин для освоения Луны и для обустройства
околоземного космического пространства. Эти предложения
120
2.7. Киберфизические системы. Как обустроить околоземное пространство...
были доложены спеациалистами ГУАП на латиноамериканском
форуме PeRuSat-2013 в Перу в сентябре 2013 г.
Проблемы обустройства околоземного космического про¬
странства для борьбы с космическими угрозами могут быть
решены в рамках широкого международного сотрудничества.
В настоящее время успешно функционирует Международная
космическая станция и реализуются многие международные
космические проекты, но налаживание широкого международ¬
ного сотрудничества по борьбе с космическими угрозами тре¬
бует нового уровня международного взаимодействия. Надлежит
создать всемирную виртуальную астрономическую обсерва¬
торию для полного мониторинга околоземного пространства
на основе сетевого объединения как специализированных на¬
учных учреждений, так и любителей астрономии. Если на Земле
около 100 обсерваторий, то любителей, вооруженных телеско¬
пами, свыше 100 тысяч, и их помощь в наблюдении за околозем¬
ным пространством очень важна. Необходимо основать единый
центр по предупреждению и отражению космических угроз
и мобилизации научно-технического потенциала Земли.
2.8. РОБОТЫ ДЛЯ ИГРЫ В ФУТБОЛ
еще в 1949 году Клод Шеннон впервые создал программу
для игры в шахматы. С тех пор компьютерные шахматные про¬
граммы многократно усовершенствовались. В 1974 году совет¬
ская шахматная программа Каисса завоевала мировое первен¬
ство. В 1999-м шахматная программа выиграла матч с мировым
чемпионом Каспаровым. Людям понадобилось 50 лет для соз¬
дания таких совершенных программ, и теперь уже они учатся
у компьютера играть в шахматы. Помимо шахмат появилась
другая амбициозная задача: создать команду роботов для игры
в футбол, и теперь каждый год проходят мировые чемпионаты
в двух лигах — в лиге моделирования игры в футбол и в лиге соз¬
дания реальных роботов для игры в футбол. Постепенно двига¬
ясь к достижению этой очень сложной цели, будет решено много
важных научно-технических задач. В 2007 году петербургская
команда заняла первое место на международных соревнованиях
в лиге моделирования.
121
Глава 2. Современные кибернетические системы
Лингво-комбинаторный подход можно использовать и при
моделировании игр, таких как шахматы и футбол. Рассмотрим
простую футбольную ситуацию — два игрока и мяч, что можно
описать как:
игрок 1 + игрок 2 + мяч
Моделью этого выражения будет уравнение (3), где А1 —
характеристика игрока 1, Е1 — изменение этой характеристики,
А2 — характеристика игрока 2, Е2 — изменение этой харак¬
теристики, А3 — характеристика мяча, Е3 — изменение этой
характеристики. Соответствующая эквивалентная система урав¬
нений будет иметь вид (4), где, манипулируя произвольными ко¬
эффициентами, можно управлять поведением игроков и мяча.
Если ввести новые переменные — А4 — характеристику рассто¬
яния между игроком 1 и мячом, А5 — характеристику расстоя¬
ния между игроком 2 и мячом и их изменения соответственно,
тогда вместо уравнения (4) получим уравнение
А1*Е1 + А2*Е2 + А3*Е3 + А4*Е4 + А5*Е5 = 0
разрешив которое относительно изменений Е, получим систему
уравнений:
Е1 = U1*A2 + U2*A3 + U3*A4 + U4*A5
E2 = -U1*A1 + U5*A3 + U6*A4 + U7*A5
E3 = -U2*A1 - U5*A2 + U8*A4 + U9*A5
E4 = -U3*A1 - U6*A2 - U8*A3 + U10*A5
E5 = -U4*A1 - U7*A2 - U9*A3 - U10*A4
где U1,..., U10 — произвольные коэффициенты, манипули¬
руя которыми можно обеспечить сближение игроков с мячом.
Аналогичным образом моделируется поведение двух команд
по 11 игроков в каждой. Этот подход был использован при мо¬
делировании поведения игроков-роботов. Мировое сообщество
в настоящее время поставило задачу создать таких роботов, ко¬
торые могли бы играть с людьми в футбол и победить команду
людей-чемпионов. Это трудная задача, но решая ее, ученые по¬
путно решают много других полезных задач.
Если исходить из известного нам, сначала возникли люди, ко¬
торые своим воображением породили аватаров в искусстве и др.,
122
2.8. Роботы для игры в футбол
потом возникли условия для появления роботов. Первый под¬
водный робот с управлением от ЭВМ был построен в 1968 году
усилиями Института океанологии, ЛПИ и ЛИАП. Сейчас уже
существуют семейства летающих роботов — аэробов, имита¬
ции домашних животных (японский робот АIBO), развиваются
бытовые роботы для дома, роботы для рекламы... Беспилотные
летающие аппараты превратились в важный вид вооруженных
сил. Автомобили, самолеты и корабли после внедрения внешнего
управления превратятся в роботов.
Итак, как было показано выше, роботы, аватары и люди —
это сущности одного порядка, отличающиеся лишь объемом
структурированной неопределенности. Эти сущности взаимо¬
действуют как между собой, так и с другими системами через
единую среду — апейрон. Эволюция сущностей определяется
прохождением через зону адаптационного максимума и умени¬
ем удержаться в этой зоне в потоке перемен.
2.9. ВНЕШНЕЕ УПРАВЛЕНИЕ САМОЛЕТАМИ
ДЛЯ БОРЬБЫ С ТЕРРОРИЗМОМ
Когда говорят о кибернетических системах, то прежде всего
имеют в виду системы управления, где относительно небольши¬
ми усилиями можно достичь очень большого эффекта. Норберт
Винер исследовал возможности перенесения принципов поведе¬
ния животных в систему «обучения» механизмов. В наше вре¬
мя приходится говорить об управлении людьми, манипуляцией
сознанием и воздействии на компьютерные системы, которые
стали неотъемлемой частью систем управления самых разных
объектов — энергетических, транспортных и других. События
последних лет показывают, что транспортные средства — само¬
леты, корабли, автомобили — все чаще становятся орудиями со¬
вершения террористических актов, поэтому ниже сделан акцент
на рассмотрение кибернетических атак именно на транспорт¬
ные системы. В связи с ростом противоречий в мире терроризм
стал печальным необъемлемым элементом картины мира.
Транспортные средства управляются людьми — пилотами,
капитанами, водителями, и действующая концепция безопас¬
ности базируется на том, что эти люди дорожат своей жизнью
123
Глава 2. Современные кибернетические системы
и так управляют транспортными средствами, чтобы прежде все¬
го самим не пострадать, не попадать в экстремальные опасные
ситуации. Но террористические акты совершают люди, готовые
жертвовать своей жизнью ради идей, таких людей по мере ро¬
ста социального неравенства и обострения ситуации становит¬
ся все больше, что заставляет пересматривать саму концепцию
безопасности транспортных средств. В этих условиях возникла
идея внешнего управления транспортными средствами, кото¬
рая заключается в том, чтобы при возникновении экстремальной
ситуации отключить из контура управления пилота, капитана
или водителя (которые могут находиться под контролем зло¬
умышленников) и ввести внешнее управление транспортным
средством из специального центра, тем самым не позволив ис¬
пользовать его в качестве опасного оружия.
Технической основой для введения внешнего управления
является наличие бортовых вычислительных систем, которые
уже сейчас выполняют большой объем работ по управлению
транспортными средствами. Авиационные вычислительные
системы решают сложные навигационные задачи, задачи кон¬
троля, диагностики и управления всего самолетного оборудо¬
вания, связи и т. д. Корабельные вычислительные системы тоже
решают множество задач и позволили значительно сократить
количество обслуживающего персонала на борту судна за счет
автоматизации.
Новые поколения автомобилей также снабжены вычисли¬
тельными системами, которые помогают экономить горючее
и повышают безопасность движения. Но внедрение внешнего
управления является сложной проблемой, для решения которой
нужно решить много задач — как технических, так и психологи¬
ческих, и юридических.
Развитие транспортных средств идет очень быстрыми
темпами, они наносят большой экологический ущерб планете,
в транспортных авариях гибнет много людей, так что стано¬
вится очевидным необходимость пересмотра всей концепции
развития транспортных средств и ее объединения с концепцией
безопасности. Все транспортные средства должны иметь воз¬
можность внешнего управления, что позволит не только повы¬
сить безопасность, но и облегчить решение проблемы заторов
на дорогах, проблем интермодальных перевозок.
124
2.9. Внешнее управление самолетами для борьбы с терроризмом
Для решения необходимо иметь компьютерную модель все¬
го транспортного пространства, населенную представителями
всех транспортных средств — агентами, которые бы полностью
отражали местоположение транспортных средств, их характе¬
ристики, цели и возможности — то есть должен быть построен
многопользовательский виртуальный мир. Задача эта непростая,
но в наше время достижимая, она может решаться поэтапно,
по отдельным регионам, с тем чтобы в будущем охватить всю
планету. С помощью многопользовательского виртуального
мира можно было бы проигрывать различные варианты решения
транспортных задач и выбирать наиболее оптимальные, исходя
из сложившейся ситуации.
На рис.2.22. представлена система поддержки управленче¬
ских решений, где сложные ситуации в реальном транспортном
мире могут моделироваться в ускоренном режиме в виртуаль¬
ном транспортном мире и выбираться наилучшие решения.
Рис.2.22. Система поддержки управленческих решений
при использовании многоагентной системы, где каждое
транспортное средство представлено своим агентом
Решение проблемы внешнего управления транспортными
средствами в экстремальных ситуациях складывается из следу¬
ющих блоков:
1. Блок выявления экстремальной ситуации на борту само¬
лета.
125
Глава 2. Современные кибернетические системы
2. Блок принятия решения по введению внешнего управле¬
ния.
3. Блок отключения кабины пилотов от управления и вклю¬
чения внешнего управления — проблема бортового обо¬
рудования.
4. Блок диспетчерского пункта, где вырабатываются управ¬
ляющие сигналы внешнего управления.
5. Блок включения самолета в режим многопользовательско¬
го виртуального мира для координации полетов.
6. Блок управления посадкой самолета в режиме внешнего
управления.
Планируется участие в разработке ведущих научно-иссле¬
довательских, опытно-конструкторских и летно-испытатель¬
ных организаций авиационной отрасли России, специализи¬
рующихся в проектировании, эксплуатации и испытаниях
тяжелых и легких, гражданских и боевых летательных аппара¬
тов; бортовых систем автоматического и штурвального управ¬
ления ЛА; наземных систем управления полетами, бортовых
и наземных радиосвязных систем и других, имеющих боль¬
шой творческий потенциал, опыт и научно-технический за¬
дел в областях проектирования, испытаний и эксплуатации
ЛА, проектирования и эксплуатации бортовой аппаратуры
и По для бортовых комплексов гражданских и военных ЛА,
системной реализации свойств отказоустойчивости и отказо¬
безопасности таких комплексов бортового оборудования, как
эргатических (человекомашинных) систем, разработки и экс¬
плуатации стендов имитационного и полунатурного моделиро¬
вания, аттестации летательных аппаратов, оборудования и По,
эксплуатации систем управления полетами.
В качестве примера успешного решения аналогичной задачи
можно указать на беспилотный полет советского космического
самолета «Буран».
Настоящая концепция является результатом предваритель¬
ной проработки решения задачи защиты от использования тер¬
рористами ЛА в качестве оружия массового поражения (разру¬
шения) в Санкт-Петербургском государственном университете
аэрокосмического приборостроения совместно с Санкт-Петер¬
бургским опытно-конструкторским бюро «Электроавтомати¬
ка» — одной из ведущих фирм авиационной отрасли в области
126
2.9. Внешнее управление самолетами для борьбы с терроризмом
интеграции бортового оборудования всех типов самолетов
и вертолетов. На основе предложенной концепции может быть
разработан ряд технических заданий для поэтапного выполне¬
ния работы, цель первого этапа — проведение эксперименталь¬
ного полета тяжелого пассажирского самолета в режиме внеш¬
него управления (М. Б. Игнатьев, М. Е. Тихомиров «Внешнее
управление самолетами и проблема измерения»/ Вестник Се¬
веро-Западного филиала Метрологической академии/ ВНИИМ,
СПб., 2004, вып.12).
Проблема должна решаться с привлечением ведущих за¬
рубежных компаний и организаций. Борьба с международным
терроризмом возможна лишь в масштабах всей планеты. При
этом кроме технических проблем возникают чисто юридические
проблемы, связанные с несовершенством как российского, так
и международного законодательства. Разработка правовых во¬
просов внешнего управления осуществляется по двум уровням.
В первую очередь производится разработка международного
соглашения, где оговариваются следующие вопросы:
- типы летательных аппаратов, оборудованных системами
внешнего управления;
- маршруты полетов, на которые не допускаются летатель¬
ные аппараты, не оборудованные системами внешнего
управления;
- порядок допуска к эксплуатации аппаратов с внешним
управлением;
- международная и национальная системы инспектирова¬
ния и проверки положений соглашения;
- ответственность эксплуатанта, допустившего нарушение
конкретного положения соглашения.
Второй уровень — уровень национального законодатель¬
ства. Необходимо проанализировать проекты нормативных
актов, в которых определяется правовое положение националь¬
ных наземных служб внешнего управления, их полномочия,
права, обязанности и ответственность, пределы вмешательства
в управление транспортным средством через многоагентную си¬
стему, правовые основы взаимодействия служб внешнего управ¬
ления, находящихся на прилегающих территориях как в пределах
одного государства, так и на территориях разных государств, ме¬
ханизмы реализации международных обязательств.
127
Глава 2. Современные кибернетические системы
2.9.1. Концепция бортового комплекса
внешнего управления воздушным судном
в экстремальных ситуациях
Обстоятельства, при которых стало возможным применение
воздушных судов в качестве орудия совершения крупных тер¬
рористических актов в США, указывают на целесообразность
безотлагательной разработки специальных технических средств
обеспечения безопасности воздушного судна и его пассажиров
и предотвращения террористических актов, при которых управ¬
ление судном переходит к злоумышленникам. одним из вари¬
антов технической реализации может стать бортовой комплекс
внешнего управления судном, летный экипаж которого:
• получил ранение или убит в результате атаки террористов;
• вынужденно подчиняется террористам при совершении
ими террористического акта;
• утратил работоспособность в силу других причин, напри¬
мер внезапной болезни или внезапной разгерметизации
герметических отсеков в полете на большой высоте и не¬
возможности воспользоваться индивидуальными кисло¬
родными приборами;
• преднамеренно направляет судно на наземные объекты
с террористическими целями.
Настоящая концепция комплекса внешнего управления
(КВУ) воздушным судном в экстремальных ситуациях преду¬
сматривает взаимодействие Бортового комплекса внешнего
управления (БКВУ) и наземного центра внешнего управления
(НЦВУ) в составе службы управления воздушным движением
и включает в себя следующие функциональные блоки:
1. Блок выявления экстремальной ситуации на борту.
2. Блок принятия решения по введению внешнего управле¬
ния судном в указанных выше случаях.
3. Блок отключения органов управления полетом и борто¬
вым оборудованием в кабине экипажа и перехода на ав¬
томатическое управление полетом.
4. Бортовой комплекс автоматического управления полетом
по запрограммированному маршруту или по маршруту,
переданному из центра внешнего управления (в составе
128
2.9. Внешнее управление самолетами для борьбы с терроризмом
диспетчерских пунктов управления воздушным движе¬
нием) в бортовую вычислительную систему самолетово¬
ждения (ВСС), для скорейшего выхода воздушного судна
к аэродрому посадки с учетом стандартных правил выпол¬
нения полетов.
5. Блок центра внешнего управления (в составе диспетчер¬
ского пункта управления воздушным движением), где
будут вырабатываться сигналы внешнего управления, пе¬
редаваемые на борт судна.
6. Блок включения данных о терпящем бедствие воздуш¬
ном судне в многопользовательский «виртуальный мир»
с целью обеспечения безопасного управления воздушным
движением.
7. Блок управления автоматической посадкой самолета в ре¬
жиме внешнего управления.
Перечисленные функциональные блоки в технической ре¬
ализации могут представлять собой как самостоятельные тех¬
нические средства, так и модифицированное программное обе¬
спечение штатных бортовых вычислительных систем. Внешнее
управление сводится:
• к участию человека-оператора наземного центра внеш¬
него управления в изменении запрограммированного
в бортовой ВСС маршрута, профиля и скорости полета;
• к управлению скоростью полета через вычислительную
систему управления тягой или через продольный канал
вычислительной системы управления полетом;
• к введению в действие систем вспомогательного управ¬
ления шасси и механизацией крыла в соответствии с ру¬
ководством по летной эксплуатации данного типа судна;
• к передаче (при необходимости) на борт судна параметров
работы наземных радиомаяков радионавигационных си¬
стем, если они отсутствуют в памяти бортового комплекса;
• к оперативному изменению траектории движения судна
и его угловой ориентации при выходе на критические ре¬
жимы полета;
• к оперативной нейтрализации террористов, проникших
в кабину экипажа воздушного судна, путем применения
бортового комплекса спецсредств.
129
Глава 2. Современные кибернетические системы
2.9.2. Блок выявления экстремальной
ситуации на борту Вс
В качестве признаков экстремальных ситуаций, относящих¬
ся к данной концепции, могут рассматриваться следующие:
а) Нажатие каким-либо членом летного экипажа «тревожной
кнопки» с автоматической передачей самолетным ответчиком
(Со) системы вторичной радиолокации в службе управления
воздушным движением кодированного сообщения о бедствии
и необходимости перехода на режим внешнего управления.
б) Автоматическое определение в вычислительной системе
самолетовождения чрезмерного, нелогичного текущего откло¬
нения от линии заданного пути и профиля полета и направления
судна в сторону крупных и важных наземных объектов — веро¬
ятных целей воздушных террористов. Координаты потенциаль¬
ных целей сведены в специальные реестры и введены в память
ВСС или специального дополнительного вычислителя.
в) Автоматическое определение неработоспособного состо¬
яния членов экипажа.
г) Нарушение логики работы экипажа (или террористов) с
бортовым оборудованием.
д) Автоматическое распознавание речевых сообщений эки¬
пажа и приказов террористов путем сравнения с библиотекой
паролей из лексикона летного экипажа и библиотекой речевых
угроз и словесных команд террористов.
Во всех указанных случаях распознавание признаков и фор¬
мулирование вывода о наличии критической ситуации на борту
ВС должно сопровождаться подключением к бортовому ком¬
плексу связи бортовых акустических, визуальных и параме¬
трических средств и информационных каналов объективного
контроля с целью передачи информации с борта ВС службе
управления воздушным движением. При этом к комплексу связи
подключаются акустические и телевизионные датчики объек¬
тивного контроля, размещенные в кабине экипажа, на подходах
к нему, в пассажирских и грузовых салонах и грузовых отсеках,
а также самолетное переговорное устройство.
Передача информации от перечисленных источников может
осуществляться не в реальном времени, а с временным разде¬
лением сеансов передачи уплотненных массивов данных, в том
130
2.9. Внешнее управление самолетами для борьбы с терроризмом
числе от бортовых устройств регистрации акустической, визу¬
альной и параметрической информации. В реальном масштабе
времени, возможно, по специальному каналу связи могут пере¬
даваться параметры движения ВС и работы силовой установ¬
ки, сигналы ограничительной сигнализации, необходимые для
внешнего управления кодовые слова обмена информацией.
В качестве бортовых средств связи могут быть использо¬
ваны командные радиостанции КВ и УКВ диапазонов, систе¬
ма автоматического обмена данными (САоД), самолетный
ответчик вторичной радиолокации, а также специальный до¬
полнительный радиотелеметрический канал и перспективная
низкоорбитальная спутниковая система связи, аппаратура за¬
висимого наблюдения.
2.9.3. Блок принятия решения по введению
внешнего управления воздушным судном
Блок принятия решения по введению внешнего управления
ВС в указанных выше случаях может располагаться как на бор¬
ту ВС, так и на рабочем месте диспетчера службы управления
воздушным движением и оператора наземного центра внешне¬
го управления. В первом случае решение о переходе на режим
внешнего управления принимает экипаж. Это решение авто¬
матически передается на рабочее место диспетчера внешнего
управления в наземном центре. Во втором случае на рабочих
местах авиадиспетсчера и оператора внешнего управления
анализируется принятая с борта ВС оперативная информация
от средств объективного контроля, и решение принимает служ¬
ба движения после установленных специальных процедур и по¬
пыток радиосвязи с экипажем терпящего бедствие ВС.
2.9.4. Бортовой комплекс автоматического
управления полетом
Бортовой комплекс автоматического управления полетом
должен обеспечивать полет ВС по запрограммированному
маршруту или по маршруту, переданному из центра внешнего
управления в бортовую вычислительную систему самолетово¬
ждения (ВСС) для скорейшего выхода ВС к аэродрому посадки
131
Глава 2. Современные кибернетические системы
с учетом стандартных правил выполнения полетов. При этом
ВСС выполняет стандартные программы вычислений в режимах
горизонтальной и вертикальной навигации, используя измери¬
тельную информацию от штатных информационно-измеритель¬
ных и радиотехнических систем и датчиков. В ВСС в соответ¬
ствии со штатным программно-математическим обеспечением
формируются команды управления траекторным движением —
для вычислительной системы управления полетом и управления
приборной скоростью.
ВСС принимает от бортового комплекса связи командную
информацию по оперативному изменению программы полета,
а при необходимости и по новым радионавигационным точкам
и другой аэронавигационной информации и по переключению
режимов работы ВСС и ВСУП.
Таким образом, комплекс связи в предлагаемом БКВУ будет
играть роль виртуальных пультов управления и индикации, ком¬
плексного пульта радиотехнических средств, пульта управления
ВСУП (ПУВСУП).
В процессе автоматического полета бортовые системы
предупреждения о критических режимах полета, система
предупреждения о приближении Земли, система предупреж¬
дения столкновений в воздухе, система сигнализации и лока¬
лизации отказов, комплексная информационная система сиг¬
нализации работают в штатных режимах. Их сигнализации
и команды управления передаются на наземный центр внеш¬
него управления.
В качестве дополнительного навигационного датчика посад¬
ки рассматривается бортовая навигационная система независи¬
мого и точного определения местоположения ВС и приземления
в автоматическом режиме.
Дополнительным радионавигационным средством может
стать также комплекс автоматических средств наблюдения
и предотвращения конфликтных ситуаций в воздушном про¬
странстве — отечественной бортовой системы автоматическо¬
го зависимого наблюдения — вещательного (АЗН-В). Система
АЗН-В должна осуществлять периодическую (до одного сооб¬
щения в секунду) передачу по линиям связи радиовещательного
типа без предварительного установления контакта таких пара¬
метров, как координаты, опознавательный индекс ВС и т. д. для
132
2.9. Внешнее управление самолетами для борьбы с терроризмом
использования любым заинтересованным в этой информации
бортовым и наземным пользователем.
Данная концепция отвечает идеям глобального аэронавига¬
ционного плана. Концепция «Free flight» требует использова¬
ния четырех базовых комплексов бортового радиоэлектронного
оборудования:
- комплекса средств обмена данными между участниками
воздушного движения и текущем местоположении и направле¬
нии движения каждого летательного аппарата;
- навигационной системы независимого и точного опреде¬
ления местоположения ВС и посадки в автоматическом режиме;
- комплекса автоматических средств наблюдения и предот¬
вращения конфликтных ситуаций в воздушном пространстве;
- системы электронной индикации и отображения инфор¬
мации в кабине, обеспечивающей экипаж информацией о пара¬
метрах полета и состоянии систем в ясной, логичной и недвус¬
мысленной форме.
Очевидно, предлагаемая концепция внешнего управления
воздушным судном в экстремальных ситуациях, как дополни¬
тельный комплекс, может взаимодействовать с перспективным
бортовым и наземным оборудованием по концепции «Free
flight ». Программные и аппаратные средства, которые могут
быть созданы согласно концепции внешнего управления, до¬
полнят Комплекс автоматических средств наблюдения и предот¬
вращения конфликтных ситуаций в воздушном пространстве,
обеспечат отображение дополнительной информации на рабо¬
чем месте диспетчера управления воздушным движением и опе¬
ратора с внешнего управления. Кроме того, будет обеспечено
изменение программ полета по радиотелеметрической линии
«земля — борт».
2.9.5. Блок центра внешнего управления
Блок наземного центра внешнего управления (в составе
диспетчерского пункта управления воздушным движением),
где должны вырабатываться сигналы внешнего управления, пе¬
редаваемые на борт ВС, оборудуется комплексом связи. Рабо¬
чее место оператора внешнего управления связано с рабочими
133
Глава 2. Современные кибернетические системы
местами всех диспетчеров управления воздушным движением,
в зонах ответственности которых может находиться терпящее
бедствие ВС при внешнем управлении.
Рабочее место оператора внешнего управления оборудуется
комплексом средств отображения параметрической и визуаль¬
ной информации, наземными дубликатами необходимых пультов
управления, имеющих физическую или виртуальную техниче¬
скую реализацию.
оператор внешнего управления в экстремальной ситуа¬
ции управляет воздушным судном в соответствии с реальной
воздушной обстановкой и метеорологическими условиями
на маршруте следования судна, координируя свои действия
с диспетчерами службы движения, обеспечивающими скорей¬
шее приземление судна на одном из ближайших аэродромов,
специально оборудованных дополнительными радионавигаци¬
онными системами посадки, обеспечивающими автоматиче¬
ское приземление.
Совместно с оператором внешнего управления может дежу¬
рить представитель службы безопасности на воздушном транс¬
порте, осуществляющий визуальный и акустический контроль
и электронное документирование действий террористов в целях
дальнейшего расследования, а также дистанционную нейтрали¬
зацию террористов путем применение спецсредств.
2.9.6. Блок управления
автоматической посадкой самолета
в режиме внешнего управления
Блок управления автоматической посадкой самолета в режи¬
ме внешнего управления включает в себя комплекс аппаратных
и программных средств обеспечения автоматической посадки
на аэродроме, оборудованном комплексом радиотехнических
средств. Разрабатываемое в России, США, Франции радиона¬
вигационное оборудование навигации и посадки использует три
стандарта: ILS, MLS и GNSS, рекомендованные для использова¬
ния в гражданской авиации. Указанные системы могут исполь¬
зоваться на равных правах в гражданской авиации. Система ILS
была принята в 1950-х годах и не обеспечивает автоматической
134
2.9. Внешнее управление самолетами для борьбы с терроризмом
посадки. Система MLS принята в 1985 году и обеспечит авто¬
матическую посадку ВС в перспективе, по мере оборудования
аэропортов и совершенствования комплексов бортового обо¬
рудования. Глобальная навигационная спутниковая система
GNSS в качестве базовой для обеспечения автоматического
захода на посадку была одобрена Советом ICAO как стандарт¬
ная в январе 2001 года (Поправка 76 к тому 1 Приложения 10
к Конвенции ICAO).
Как отмечалось выше, ряд фирм ведут разработку мно¬
горежимного бортового приемника (MMR). В России такой
приемник разрабатывается под индексом БМРП (бортовой
многорежимный приемник посадки), который обеспечивает
возможность посадки по маякам ILS, MLS и GNSS, формируя
в режиме полета по спутниковой навигационной системе сиг¬
налы отклонения от заданной траектории посадки ВС в ILS-
подобном формате. Точность определения координат судна су¬
щественно возрастает за счет применения дифференциального
режима, в котором используются дифференциальные данные
при одновременной работе аппаратуры на борту ВС с космиче¬
ской группировкой навигационных ИСЗ и с сигналами располо¬
женного на территории аэродрома стационарного радиомаяка,
формирующего дифференциальные данные.
Таким образом, российская промышленность разрабатыва¬
ет высокоточные и надежные технические средства обеспече¬
ния автоматической посадки воздушных судов, которые делают
возможным внешнее управление автоматическим самолетово¬
ждением, в том числе полетом по штатному или оперативно
измененному маршруту в верхнем и нижнем воздушном про¬
странстве, в зонах подхода, круга, посадки, и автоматический
заход воздушных судов на посадку в экстремальной ситуации
при отключенных бортовых средствах управления, размещен¬
ных в кабине экипажа воздушного судна или в его технических
отсеках.
В современном мире угрозы терроризма, к сожалению, воз¬
растают. Если до недавнего времени на первое место выходили
требования по экологии, уровню шума и т. д, то сейчас необ¬
ходимо защищаться от террористов. Далее, в связи с ростом
авиационного сообщения, внедрение внешнего управления по¬
зволит упорядочить обстановку на воздушных трассах и в зоне
135
Глава 3. Моделирование сложных систем
аэропортов и снизить число аварий из-за ошибок людей-пило-
тов. В настоящее время в автомобильном транспорте тоже рас¬
сматривается вопрос о введении внешнего управления с целью
уменьшить хаос на дорогах и пробки.
Таким образом, будущее всех транспортных систем связа¬
но с внедрением внешнего управления в самоорганизующиеся
системы.
умный город
Модель умного города
Умная дорога
Роботизирован¬
ные автомобили
Google
умный дом
Робот на кухне готовит суп из краба
Сенсорные панели умного дома
робототехнические системы
Квадрокоптер
Подводный беспилотник
Солнечная батарея для автономной подводной
лодки
Подводный шагающий робот
планы развития Петербурга в разные времена
1705 г.
1849 г.
планы развития Петербурга в разные времена
1925 г.
1941 г.
планы развития Петербурга в разные времена
1956-1965 гг.
ГЕНЕРАЛЬНЫЙ
1988 г.
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ
сложных СИСТЕМ
3.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРГАНИЗМА
ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВРАЧЕБНЫХ ОШИБОК
ДНК и человеческая речь обладают стратегически близкой
фрактальной структурой, существует родство фракталов ДНК
и человеческой речи.
Сознание, способность идеального воспроизведения действи¬
тельности и специфические механизмы и формы такого воспроиз¬
ведения на разных уровнях — одно из основных понятий физио¬
логии, социологии, психологии, а теперь и компьютерных наук.
Но с точки зрения компьютерных наук сознание — это и механиз¬
мы генерации новых структур, в частности виртуальных миров.
Мозг состоит из двух полушарий, каждое из которых выпол¬
няет свои функции. Эти функции довольно подробно изучены
путем наблюдения за людьми с повреждениями различных ча¬
стей мозга возможности изучать которые значительно повыси¬
лись с появлением электроэнцефалографии, магнитно-резонанс¬
ной томографии, позитронно-эмиссионной томографии и др.
Левое полушарие мозга отвечает за обучение, функциониру¬
ет на основе модели, которая является дискретной, осуществля¬
ет психологическую защиту на основе осознанных стереотипов.
137
Глава 3. Моделирование сложных систем
Именно в левом полушарии сосредоточено то, что мы называем
сознанием, которое оценивает социальную значимость наших
поступков.
Правое полушарие отвечает за воспитание, функционирует
на основе модели, которая является непрерывной, осуществляет
психологическую защиту на основе подсознательных барьеров.
Именно в правом полушарии сосредоточено то, что мы называ¬
ем подсознанием, которое оценивает личную значимость наших
поступков.
Высшие психические функции — восприятие, внимание, па¬
мять, эмоции, мышление — по разному функционируют в левом
и правом полушариях. Восприятием называется отражение в пси¬
хике человека предметов или явлений при их непосредственном
воздействии на его органы чувств. При этом формируются об¬
разы, с которыми оперируют внимание, память, мышление, эмо¬
ции. Восприятие левого полушария отвечает на вопрос «там»
и «тогда», работает со сжатием шкал во времени и пространстве.
Восприятие же правого полушария отвечает на вопрос «здесь»
и «теперь», оно оперирует в реальном времени и пространстве.
Память — это процесс запечатления, сохранения и воспроиз¬
ведения следов прошлого опыта, она дает возможность сохранить
целесообразное поведение на длительные интервалы времени
и прогнозировать будущее. Память левого полушария семантиче¬
ская, классифицированная, произвольная. Память правого полу¬
шария эпизодическая, контекстная, непроизвольная.
Эмоции — процессы, отражающие личную значимость и оцен¬
ку внешних и внутренних ситуаций в жизни человека в форме пе¬
реживаний. Наиболее существенные черты эмоций — субъектив¬
ность, ситуативность, обобщенность, направленность. Эмоции
бывают положительные и отрицательные и различаются степенью
напряженности. Эмоции левого полушария — это рефлексия, пра¬
вого — эмпатия, глобальная оценка значимости событий.
Язык — средство общения, делающее доступным познанию
не только те объекты, с которыми достижимо реальное взаимо¬
действие. Речь выступает как способ организации своего и чужого
поведения и как орудие анализа внешней среды, поскольку слово,
с одной стороны, выделяет предмет из среды, давая ему имя, а
с другой — включает его в категорию сходных. Собственно речь
и ее вербальные компоненты анализируются в основном в левом
138
3.1. Моделирование организма для уменьшения врачебных ошибок
полушарии, а невербальные компоненты — жесты, мимика, инто¬
нации — в правом. Только совместная работа полушарий позволя¬
ет всесторонне обработать поступающую информацию.
Побудителем разворачивания процесса мышления служит
проблемная ситуация — рассогласование между искомым ре¬
зультатом и имеющимися в памяти стратегиями достижения
чего-то подобного. Анализ проблемной ситуации порождает
вопросы, которые приводят к ответам, а ответы — это уже су¬
ждения, вскрывающие отношения, значимые в проблеме. Стано¬
вится необходимым перевод проблемы с языка слов и символов
на язык образов и обратно, что позволяет увидеть проблему как
бы с разных сторон, выделить в ней инварианты и тем самым
продвигает ее решение.
Левополушарное мышление — понятийное, здесь работает
формальная логика и вычисляются рекурсивные признаки объ¬
екта — локальные, обобщенные, позиционные; анализируются
фигуры. Правополушарное мышление — интуитивное, чув¬
ственное, образное, здесь работает динамическая логика и фор¬
мируются целостные представления об объекте — сложность,
скелет, симметрия, фон.
Всем своим опытом, всей своей жизнью человек формирует
у себя некую модель мира, виртуальный мир, в которой представ¬
лен и он сам. Эта модель является центральной частью психиче¬
ской жизни и состоит из высших психических функций, структу¬
ры ценностей, включая мотивы, цели, установки, идеалы, нормы,
блока цензуры и системы психологической защиты — барьеров.
В правом и левом полушариях формируются разные модели мира,
взаимодействие этих моделей — основа работы мозга. В норме
это взаимодействие носит циклический характер, когда домини¬
рование одного полушария сменяется доминированием другого.
Психическими процессами управляет личность — высшее
психическое образование. особенности личности проявляют¬
ся в мотивах, установках, целенаправленности поведения, цен¬
ностях...
В настоящее время создаются компьютеры, которые могли
бы моделировать и левое, и правое полушария — и взаимодей¬
ствия между ними.
Человеческий мозг — очень сложная система. Можно вы¬
сказать гипотезу, что, когда в мозге созревает мысль и возникает
139
Глава 3. Моделирование сложных систем
желание ее высказать, например произнести фразу (1.1), вклю¬
чается операция поляризации, формируется генератор нервных
сигналов, которые отрабатываются аппаратом артикуляции, про¬
изношения, и звучит устная речь. Это креативный процесс. Или
включается генератор для управления руками — и человек выража¬
ет свою речь письменно или отстукивая на клавиатуре компьютера.
Можно рассмотреть модель ментальных процессов более
высокого уровня. обычно ментальные процессы характеризуют¬
ся ключевыми словами «восприятие», «внимание», «память»,
«мышление», «язык», «эмоции», «управление движениями»,
и тогда структура эквивалентных уравнений будет иметь вид
(1.14), где А1 — характеристика восприятия; Е1 — изменение
этой характеристики; А2 — характеристика внимания; Е2 —
изменение этой характеристики; А3 — характеристика памяти;
Е3 — изменение этой характеристики; А4 — характеристика
мышления; Е4 — изменение этой характеристики; А5 — харак¬
теристика языка; Е5 — изменение этой характеристики; А6 —
характеристика эмоций; Е6 — изменение этой характеристики;
А7 — характеристика управления движениями; Е7 — изменение
этой характеристики.
Уравнения (1.14) определяют взаимодействие между раз¬
личными составляющими ментальных процессов в рамках нашей
модели. Из этой модели вытекает необходимость в блоке управ¬
ления для манипуляции произвольными коэффициентами. Этот
блок управления можно считать аналогом высшей психической
структуры — личности.
Для построения другой модели ментальных процессов мож¬
но исходить из структуры естественного языка, и если он содер¬
жит сто тысяч различных слов, то мозг человека в соответствии
с формулой (1.7) будет содержать такое количество произволь¬
ных коэффициентов, порядок которого совпадает с количеством
нейронов мозга. Можно высказать предположение, что нейроны
мозга — это и есть субстанция произвольных коэффициентов,
субстанция U, которая пронизывает все и вся. Развитие есте¬
ственного языка приводит к развитию субстанции U, к усиле¬
нию человеческих возможностей по управлению. Ментальные
процессы являются частью целостного организма.
В качестве следующего примера рассмотрим моделирова¬
ние организма. организм человека — очень сложная система,
140
3.1. Моделирование организма для уменьшения врачебных ошибок
которую можно рассматривать на уровне молекул, клеток, орга¬
нов. В 2012 году ученым Стенфордского университета удалось
создать полную модель живого организма, использовав данные
900 научных работ для того, чтобы учесть все молекулярные
взаимодействия, происходящие в жизненном цикле бактерии
Mycoplasma genitalium — одного из самых маленьких организ¬
мов, способных существовать самостоятельно. Был создан весь
живой организм in silico — на кремнии — с помощью компью¬
терной модели, что позволяет ставить различные эксперименты,
проведение которых технически неосуществимо в случае живой
клетки. Это может стать новым начинанием того же масштаба,
что и проект по расшифровке генома человека.
Для лечащего врача важно рассмотрение организма прежде
всего на уровне органов, и при построении лингво-комбинатор¬
ной модели мы будем исходить из общепринятого набора орга¬
нов: органы движения (кости, мышцы, связки), органы пище¬
варения, органы дыхания, мочеполовые органы, кроветворная
и лимфатическая системы, центральная нервная система, пери¬
ферийная нервная система, железы внутренней секреции, кожа
и сенсорные системы.
Уравнение организма будет содержать девять переменных
A1*E1 + A2*E2 + . . .+ A9*E9 = 0 (3.1)
а структура эквивалентных уравнений будет иметь вид (3.2)
Е1 = U1* A2 + U2* A3 + U3* A4 + U4* A5 + U5* A6 + U6* A7 + U7* A8 + U8* A9
E2=-U1* A1+U9* A3+U10* A4+U11* A5+U12* A6+U13* A7+ U14* A8+U15* A9
E3=-U2* A1-U9* A2+U16* A4+U17* A5+U18* A6 +U19* A7+ U20* A8+U21* A9
E4 =-U3* A1-U10* A2-U16* A3+U22* A5+U23* A6+U24* A7+U25* A8+U26* A9
E5 =-U4* A1-U11* A2-U17* A3-U22* A4 +U27* A6+U28* A7+U29* A8+U30* A9
E6 =-U5* A1-U12* A2-U18* A3-U23* A4-U27* A5+U31* A7+U32* A8+U33* A9
E7 =-U6* A1-U13* A2-U19* A3-U24* A4-U28* A5-U31* A6+U34* A8+U35* A9
E8 =-U7* A1-U14* A2-U20* A3-U25* A4-U29* A5-U32* A6-U34* A7+U36* A9
E9 =-U8* A1-U15* A2-U21 * A3-U26* A4-U30* A5-U33* A6-U35* A7-U36* A8
где U1, U2, ... ,U36 — произвольные коэффициенты, которые
могут быть использованы для настройки модели; А1 — харак¬
теристика органов движения, Е1 — изменение этой характери¬
стики, и т. д.
141
Глава 3. Моделирование сложных систем
В модели может использоваться большее количество орга¬
нов, но тогда она будет менее наглядна. Вопрос выбора главных
органов для моделирования решают медики. Следует заметить,
что характеристики каждого из органов меняются со временем,
от характеристик ребенка через характеристики взрослого че¬
ловека до характеристик пожилого, таким образом может моде¬
лироваться процесс старения. Эта модель используется в стра¬
ховой медицине.
Наличие аналитической модели организма открывает воз¬
можность отыскания аттрактора организма — если он функ¬
ционирует, то имеет место жизнь. Главная цель моделирования
организма — уменьшение количества врачебных ошибок.
Эту модель можно использовать при принятии решения по
пересадке органов. Успехи современной медицины позволяют
пересаживать почки и даже сердце, лишь бы был соответствую¬
щий донор. Но при пересадке органов имеется много проблем.
Как можно интерпретировать операцию по пересадке органов
в рамках нашей модели? Это означает, что скачком меняются
характеристики какого-либо органа, А . Что при этом происхо¬
дит с организмом в целом? организм начинает адаптироваться
к изменившимся условиям, появляются две альтернативы. Пер¬
вая — адаптационных возможностей организма оказывается до¬
статочно, чтобы ассимилировать новый орган, который прижи¬
вается. Вторая альтернатива — адаптационных возможностей
организма недостаточно, новый орган отторгается, организм
может погибнуть. Чтобы исследовать эту проблему до операции
пересадки, и нужна модель организма. Моделирование должно
снизить риск, вероятность врачебной ошибки.
Ниже на основе результатов многолетней интеллектуальной
деятельности по моделированию организма как целостной си¬
стемы приводится соответствующая структура электронного
паспорта здоровья, реализация которого позволит повысить
качество здравоохранения при уменьшении затрат.
В настоящее время наше здравоохранение базируется на руко¬
писной медицинской карте, которая не содержит даже фотографии
больного. Эта карта является уникальным документом, который
не может дешевым способом передаваться из одного медицин¬
ского учреждения в другое, что приводит к повторению много¬
численных анализов и дополнительным расходам. За рубежом
142
3.1. Моделирование организма для уменьшения врачебных ошибок
накоплен опыт применения электронных паспортов здоровья,
получен положительный экономический эффект от их внедрения.
Исследования, проведенные в США, показали, что их применение
уже позволило уменьшить заказ лабораторных и рентгеновских
исследований на 9-14%, снизить дополнительные расходы до 8%,
а количество госпитализаций — примерно на 2%. Избыточное
потребление лекарств при этом уменьшилось на 11%.
Разработки по созданию электронных паспортов здоровья
активно ведутся и в России, предложенные системы рассматри¬
ваются как коммерческие продукты. Основным носителем пред¬
лагается использовать usb — флэш-карты.
При анализе предложенных моделей паспортов выявляются
трудности:
— большая стоимость затрат, связанная с необходимостью
тотальной компьютеризации медицинских учреждений;
— увеличение нагрузки на персонал, связанной с необходи¬
мостью занесения информации в электронные карты.
По нашему мнению, проблемы электронной паспортизации
являются еще более глубокими:
1. Предложенные системы являются по сути обычными объ¬
единенными амбулаторными и стационарными история¬
ми болезни, попросту представленными в более удобной
форме хранения в виде электронной базы данных.
2. Основой предложенных систем являются диагнозы,
поставленные в различных медицинских учреждениях,
не исключена ситуация конфликтов этих заключений, что
обычно для медицинского сообщества.
3. Непонятно, как предложенные электронные паспорта
здоровья, используя компьютер только как регистратор,
помогают специалистам в принятии решений, если учи¬
тывать, что в большинстве случаев врач все равно в боль¬
шей степени ориентируется на 2-3 симптома и интуицию,
исходящие из собственного опыта.
4. Отсутствие ограничения по хранению любого объема
информации будет приводить к накоплению его у части
больных в таком объеме, который вряд ли может быть
полноценно проанализирован врачом, что будет приво¬
дить к игнорированию специалистом части информации
с опасностью пропуска важной.
143
Глава 3. Моделирование сложных систем
Таким образом, предложенные системы вполне могут ис¬
пользоваться для контроля за деятельностью медицинских
учреждений государством и страховыми компаниями, давать
общие статистические данные, но вряд ли решат основную про¬
блему: правильность и своевременность принятия врачебных
решений, так как направлены преимущественно на хранение
и представление информации в рамках стандартных протоколов
записей в медицинских документах. Проблема анализа в прин¬
ципе может быть решена. Проблема синтеза при данном подхо¬
де — никогда.
Переход количественного, то есть огромного числа, меди¬
цинских данных в качественное, то есть принятия лучшего вра¬
чебного решения, возможно только при использовании компью¬
тера в качестве создателя модели каждого пациента на основе
заложенной единой модели человеческого организма.
Данный подход сразу нивелирует разброс мнений и гру¬
бых ошибок при получении данных, так как они просто будут
блокироваться невозможностью сосуществования в единой
электронной модели. Данная система позволит четко выделять
основные наиболее важные моменты, анализируя ситуации
в целом, то есть отвечать основному девизу врачей «Лечить че¬
ловека, а не диагноз». очень важным является то, что при мо¬
делировании исчезают рамки, установленные определенной ме¬
дицинской школой или классификацией, что реально позволяет
организовать сеансы телемедицины без границ в соответствии
с рекомендациями ВоЗ.
Рассмотренная глобальная компьютерная модель организма
может работать как в целом, так и в рамках отдельных специаль¬
ностей. очень важным является то, что отдельные модели можно
объединять в единые системы, позволяющие ликвидировать раз¬
розненность специалистов и создавать электронного «семей¬
ного врача». Данная система не будет представлять социальной
угрозы для медиков, так как при ней значение узких специали¬
стов будет только возрастать, ведь именно они будут источником
факторов, в том числе новых. Таким образом, основная тенден¬
ция развития современной медицины в виде все большей специ¬
ализации и детализации не будет представлять опасности для
пациентов, которых неправильно оценят на уровне первичного
звена, что является самой частой проблемой. Необходимо также
144
3.1. Моделирование организма для уменьшения врачебных ошибок
учитывать, что неминуемое развитие специализаций и слож¬
ность медицинских процессов однозначно приведет к невозмож¬
ности работы врачей семейной медицины на должном уровне
из-за невозможности отслеживания растущих в геометрической
прогрессии технологий.
Структура паспорта здоровья представляется следующим
образом.
Все вносимые параметры в паспорт будут делиться на
— не требующие повторного внесения — пол, возраст, ге¬
нетические маркеры;
— переменные — антропометрия, симптомы, средовые
факторы и т. д.
В модели необходимо предусмотреть возможность перма¬
нентного обновления факторов на основе участвующих в про¬
екте научных коллективов.
Совокупность полученных факторов будет создавать много¬
мерную модель, гарантирующую рамки для принятия врачебных
решений.
Например, паспортные данные помимо возрастных особен¬
ностей и статистики поражений в этой возрастной группе будут
давать для модели на основе места проживания информацию
о экологической обстановке и наиболее частых по статистике
заболеваниях по обращению в этой местности.
Генетические факторы дадут информацию и вероятности
системных заболеваний с теми или иными проявлениями.
Антропометрические данные — вычислять риск осложне¬
ний, учитывая соотношения весо-ростовых показателей или
нарушения соотношения длин и окружностей сегментов тела.
Вовлеченные органы будут учитывать типичные сочетания
поражений.
Симптомы автоматически объединятся в симптомокомплексы.
Доказанные факторы влияния других систем — учитывать
вторичное поражение на фоне поражения других органов.
Средовые факторы — учитывать профессиональную вред¬
ность, вредные привычки и т. д.
Итак, на основе новейших достижений мировой медицин¬
ской науки, генетики, кибернетики, информатики и современ¬
ного системного анализа как результат многолетней интеллек¬
туальной деятельности разработан инновационный проект
145
Глава 3. Моделирование сложных систем
«Электронный паспорт здоровья на основе компьютерной мо¬
дели организма», внедрение которого позволит существенно
поднять уровень здравоохранения при уменьшении расходов
на эту сферу. Внедрение электронного паспорта здоровья не¬
обходимо начинать с родильных домов, постепенно накапливая
банки данных о здоровье людей и вовлекая в этот процесс все
большее количество медицинских учреждений. В качестве носи¬
теля и синхронизатора информации предлагается использовать
мобильный телефон.
Разработка электронного паспорта здоровья является ча¬
стью целевой межотраслевой программы модернизации систе¬
мы физической культуры и спорта для сохранения психофизи¬
ческого здоровья детей и подростков Санкт-Петербурга. Эта
программа разработана Санкт-Петербургской государствен¬
ной педиатрической академией, сетью спортивно-оздорови¬
тельных клубов OLYMPIC, Санкт-Петербургской ГоУ СоШ
№235 им. Шостаковича и ГУАП. она базируется на разрабо¬
танной глобальной модели организма, на использовании элек¬
тронного паспорта здоровья и на использовании системы ки¬
бернетических велосипедов, разработанных в ГУАП. В проекте
сформулирована масштабная задача интеграции медицинского
лечебно-восстановительного блока с принципиально новым
модулем социально-ориентированной профилактики для ре¬
ализации основополагающего фактора национальной идеоло¬
гии — сбережение и развитие человеческого ресурса здоровья
человека.
Изложенная модель базируется на западном представле¬
нии, но существуют и другие представления о такой сложной
системе, как организм. Существовала и развивается восточная
медицина с очень своеобразным делением организма на подси¬
стемы, при этом в Индии используется одно представление об
организме, а в Китае — другое. Наряду с официальной медици¬
ной существует так называемая народная. Наши знания об орга¬
низме содержат очень большую неопределенность, что и позво¬
ляет сосуществовать различным представлениям об организме
и различным методам лечения.
3.1. Моделирование организма для уменьшения врачебных ошибок
3.2. КИБЕРФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Норберт Винер, возродив кибернетику как управление
и связь в живых организмах, машинах и социально-экономи¬
ческих системах, остановился как перед священной коровой
перед физикой. Но за последние годы накопилось много нере¬
шенных проблем, например до сих пор не удалось установить
связь с инопланетными цивилизациями; далее, стало очевид¬
ным, что видимая часть Вселенной — это только 5%, а осталь¬
ное — темная материя и темная энергия, и нет единого мнения,
что это за структуры, и список нерешенных проблем можно
продолжить, что побуждает к поиску новых моделей. Академик
И. Ф. Гинзбург сформулировал целый ряд нерешенных проблем
фундаментальной физики (УФН, т.179, №5, 2009).
Перейдем к построению лингво-комбинаторных моделей
атомов, при этом будем исходить из ключевых базовых понятий,
которые уже сложились в науке. Рассмотрим в качестве примера
атом водорода и в качестве ключевых слов возьмем слова «атом»,
«протон», «электрон», тогда фраза (1.1) будет иметь вид
Atom + Proton + Electron (3.3)
В эквивалентных уравнениях (1.3 — 1.5) А1 — характери¬
стика атома водорода, Е1 — изменение этой характеристики,
А2 — характеристика протона, Е2 — изменение этой харак¬
теристики, А3 — характеристика электрона, Е3 — изменение
этой характеристики. Для моделирования дейтерия используем
ключевые слова «атом», «протон», «электрон», «нейтрон»
Atom + proton + electron + neutron (3.4)
После операции поляризации
А11*Е1 + Ах2*Е2 + А^*Е3 + А\*Е4 = 0
и эквивалентные уравнения будут
E1 = U1*A‘2 + U2*A‘3 + U3*A‘4
E2 = - U1*A‘, + U4*A‘ + U5*A‘
13 4 _
E3 = - U2*A11 - U4*A‘2 + U6*A‘4 ( 3.5 )
E4 = - U3*A11 - U5*A‘2 - U6*A‘3
147
Глава 3. Моделирование сложных систем
где U1, U2, U3, U4, U5, U6 — произвольные коэффициенты;
А^ — характеристика атома дейтерия; Е1 — изменение этой
характеристики; А12 — характеристика протона атома дейтерия;
Е2 — изменение этой характеристики; А13 — характеристика
электрона атома дейтерия; Е3 — изменение этой характеристи¬
ки; А14 — характеристика нейтрона атома дейтерия; Е4 — изме¬
нение этой характеристики. В случае атомных реакций возможно
превращение дейтерия в водород посредством трансформации
уравнений (3.5) в уравнения (1.4).
При наложении еще одного ограничения на переменные
системы
А2Х *Е1 + А22 *Е2 + А2з *Е3 + А24*Е4 = 0, получим
Е1 = U1*D123 + U2*D124 + U3*D134
E2 = - U1*D2 - U2*D2 + U4*D2
13 14 34
E3 = U1*D312 - U3*D314 - U4*D324
E4 = U2*D412 + U3*D413 + U4*D423
где D123 = A12*A23 - A13*A22 и т. д.
Аналогичным образом возможно построение лингво-ком¬
бинаторных моделей всех известных элементов таблицы Менде¬
леева и их изотопов и возможных новых элементов. Из структу¬
ры этих моделей вытекает наличие блока управления, который
может манипулировать произвольными коэффициентами, т. е.
наша модель атома — это модель атома с блоком управления,
разработка которой позволит осуществлять информационное
воздействие на атомы. Это еще один путь для компьютерного
моделирования физико-химических реакций. При этом необхо¬
димо решать задачу верификации таких моделей применительно
к конкретным системам.
Следует отметить, что такое понимание атомов близко к тому,
как их понимал Лейбниц. Ньютон считал, что материал состоит
из твердых частиц. Лейбниц заменил их понятием монад — ча¬
стиц без размеров, деталей и конфигурации, но которые обладают
способностью к восприятию в различной степени (Лейбниц ГВ.
Монадология. Сочинения в 4 томах, том 1, Мысль, М., 1982).
Наибольшая структурная стабильность достигается
в зоне адаптационного максимума, который обнаруживается
148
3.2. Киберфизические системы
у различных систем с числом переменных больше шести. Для
удержания систем в зоне адаптационного максимума можно
использовать различные методы — рост числа переменных, на¬
ложение и снятие ограничений, объединение систем в коллек¬
тивы. Лингво-комбинаторное моделирование может явиться
полезным инструментом при анализе и синтезе атомно-моле¬
кулярных систем.
Представляется интересным рассмотреть вопрос о путях пе¬
рехода из одной мировой точки в другую. обычное трехмерное
пространство и время образуют четырехмерный мир. Мировая
точка есть обычная точка в некоторый момент времени. Ее че¬
тырьмя координатами являются декартовы координаты X,Y,Z
и время t, которые будем обозначать через х1, х2, х3, х4. Событие
есть физическое явление в некоторой мировой точке. Четырех¬
мерное расстояние х9 между двумя мировыми точками х1, х2, х3,
х4 и х5, х6, х7, х8, интервал, определяется как
с2 (х4 - х8)2 - (х1 - х5)2 - (х2 - х6)2 - (х3 - х7)2 = (х9)2
где с — скорость света, (х4 — х8) — дельта Т, разница во вре¬
мени.
Возможны различные пути перехода из одной мировой точки
в другую, и исследование всего множества этих путей перехода
представляет большой интерес. К сожалению, в многочисленных
работах по теории относительности этот вопрос не исследован,
что определило тупик в изучении свойств пространства и вре¬
мени. Методика лингво-комбинаторного моделирования может
быть использована для изучения и этой проблемы.
После дифференцирования вышеуказанного уравнения
можно построить систему эквивалентных уравнений с произ¬
вольными коэффициентами, число которых в данном случае
будет 36, которые и могут быть использованы для задания раз¬
личных движений. Можно задать сближение мировых точек по
различным законам, в том числе квантовую телепортацию или
по законам Ньютона, и исследовать, как влияет тяготение и дру¬
гие силы на время и пространство и на поведение наноробо¬
тов. Возможно перемещение нанороботов в настоящее время
из прошлого или будущего. Сходство нанороботов с вирусами
позволяет предполагать, что и вирусы могут проникать в наше
149
Глава 3. Моделирование сложных систем
настоящее как из прошлого, так и из будущего, что представля¬
ется важным для здравоохранения.
Является экспериментальным фактом то, что мозг состоит
из нервных клеток — нейронов, которые связаны между собой
через их отростки — аксоны. По первоначальной гипотезе, по
аксонам передаются электрохимические импульсы, которые не¬
сут информацию. Но электрохимические импульсы довольно
медленные, и если оценить их суммарное быстродействие, то его
явно не хватает для решения колоссальных задач по переработке
потока зрительной и слуховой информации, которая непрерыв¬
но поступает через глаза и уши.
Можно высказать другую гипотезу: нейроны — это
квантовые машины со всеми присущими им возможностями
квантовых вычислителей (колоссальное быстродействие),
квантовой криптографии (доступность информации только
родственникам) и телепортации (возможность сверхбыстрой
передачи другим нейронам, скорость этой передачи много¬
кратно превосходит скорость электрохимической передачи).
На пути исследования нейронов как квантовых машин стоят
большие трудности, это низкотемпературные машины, в отли¬
чие от тех квантовых машин, которые традиционно рассматри¬
ваются в физике.
3.2.1. Нанороботы
В настоящее время поставлена задача создания наноробо¬
тов, которые могли бы манипулировать атомно-молекулярными
структурами, как строя из этих структур наносооружения, так
и разбирая наносооружения по мере надобности. Уже имеется
большой опыт создания человекоразмерных робототехнических
систем, отработаны их алгоритмы функционирования при мани¬
пулировании различными предметами, при сборке и разборке
различных машин и сооружений (М.Б. Игнатьев, Ф.М. Кулаков,
А.М. Покровский «Алгоритмы управления роботами-манипу-
ляторами», Машиностроение, 1972). Переход на наноразмеры
оказывается непростым делом. Химия представляет очень боль¬
шой спектр веществ, из которых могли бы синтезироваться на¬
нороботы, и для сокращения этого списка и выбора подходящих
150
3.2. Киберфизические системы
веществ как раз и нужно выработать необходимые и достаточные
условия синтеза нанороботов. Для решения этой задачи прежде
всего необходим единый язык описания как атомно-молекуляр¬
ных структур, так и алгоритмов функционирования будущих на¬
нороботов. Такой общий язык описания предлагается методом
лингво-комбинаторного моделирования. Наноструктуры долж¬
ны понимать естественный язык. Сегодня имеется множество
барьеров между человеком и наноструктурами. Лингво-ком¬
бинаторное моделирование поможет преодолеть эти барьеры
в физике, химии, биологии и других науках
В наноструктурах одна из главных проблем — проблема
сборки. Наноробот должен взять атом и перенести его в дру¬
гое место, по сути дела перевести его из одной мировой точки
в другую. В качестве исходного рассмотрения можно взять ме¬
ханическую трехзвенную руку манипулятора, который может
переносить предметы из одной точки в другую, где Х1, Х2, Х3
и Х4, Х5, Х6 — координаты концов первого жесткого звена дли¬
ной L1; Х4, Х5, Х6 и Х7, Х8, Х9 — координаты концов второго
жесткого звена длиной L2; Х7, Х8, Х9 и Х10, Х11, Х12 — коорди¬
наты концов третьего жесткого звена длиной L3, тогда исходные
уравнения трехзвенной руки манипулятора:
(X1 - X2)2 + (X2 - X5)2 + (X3 - X6)2 = L12;
(X4- X7)2 + (X5 - X8)2 + (X6 - X9)2 = L22;
(x7 - X10)2 + (X8 - X11)2 + (X9 - X12)2 = L32
и эквивалентные уравнения будут содержать
S = C m+1 n = C 4 = 792 произвольных коэффициентов.
Некоторые молекулы имеют примерно такое же количество
произвольных коэффициентов, именно среди них и необходимо
искать те вещества, из которых можно синтезировать наноробо¬
та, который мог бы переносить атом из одного места в другое.
Таков аналитический путь выбора веществ для синтеза на¬
нороботов.
В качестве итога можно сформулировать необходимые ус¬
ловия для синтеза наноробота: сложность веществ, из которых
синтезируется наноробот, должна быть больше сложности реа¬
лизуемых нанороботом алгоритмов.
151
Глава 3. Моделирование сложных систем
В качестве достаточного условия существования наноро¬
бота в изменяющейся среде необходимо, чтобы он находился
в зоне адаптационного максимума. Тогда он сможет в полной
мере использовать свои возможности и обеспечить выживае¬
мость в максимально возможной зоне изменений окружающей
среды. Наличие произвольных коэффициентов и возможность
расширения модели, возможность включения новых перемен¬
ных, новых ключевых слов позволяют настраивать модель для
моделирования сложных наноструктур.
В связи с развитием информатики рассматривают три глав¬
ные структуры — материю, энергию и информацию. В физике
обычно рассматривают методы трансформации на основе изме¬
нения материи и энергии, но наибольший интерес представля¬
ет трансформация на основе информации, без больших затрат
энергии и материи.
В многопроцессорных системах также важной является про¬
блема сборки вычислительной структуры из отдельных процес¬
соров для решения конкретной задачи. Во всех вышеперечис¬
ленных системах слова, переменные А, могут ассоциироваться
с отдельными процессорами и соответствующие эквивалент¬
ные уравнения могут задавать эти вычислительные структу¬
ры. Таким образом, каждой из физических, биологических или
социально-экономических систем могут быть сопоставлены
соответствующие вычислительные структуры, которые и яв¬
ляются их компьютерными моделями со структурированной
неопределенностью.
Лингво-комбинаторное моделирование позволяет сформи¬
ровать новую картину мира, которая опирается на все достиже¬
ния современной науки, и прежде всего информатики.
Время разделения наук по отдельным специальностям закан¬
чивается, наступает время интеграции, и для этого есть прекрас¬
ный инструмент — вычислительные системы.
Если бы физика была чисто экспериментальной наукой,
то ее задача исчерпывалась бы обнаружением и тщательным
описанием тех или иных явлений природы. Но как только ста¬
вится вопрос о взаимодействии явлений, мы вступаем в область
теории, которая связывает друг с другом наблюдаемые явления
и не только объясняет обнаруженные, но и предсказывает но¬
вые явления.
152
3.2. Киберфизические системы
3.2.2. Кибернетическая астрономия
и астрофизика
Человечество издревле наблюдало и изучало космос, ко¬
торый, безусловно, влиял на человечество. В процессе своего
развития человечество создавало самые различные артефак¬
ты — здания, дороги, машины и т. д., но самым значительным
артефактом, созданным человечеством, является естественный
язык, который вобрал и вбирает все знания, навыки, учения, соз¬
данные людьми на сознательном и подсознательном уровне. По¬
этому очевидно стремление обратиться к естественному языку
для того, чтобы глубже понять, как устроена Вселенная.
Успехи астрофизики за последние годы впечатляющи, но от¬
крытый феномен темной материи и темной энергии не получил
теоретического объяснения, а то, что человечество изучило, —
это 5 % от всей массы и энергии. Так что имеется необходимость
в разработке новых моделей. Растет осознание астероидной
опасности. По мере исследования астероидного пояса обнару¬
живаются все новые виды неустойчивостей, и вычислимая веро¬
ятность такого столкновения растет. На Земле остались следы
прошлых столкновений, которые послужили источником гло¬
бальных катастроф. Заключенные российско-американские со¬
глашения по борьбе с астероидной опасностью могут позволить
объединить усилия держав по использованию всего ракетно-я¬
дерного арсенала для предотвращения столкновения, но только
с астероидами относительно небольших размеров. Если размеры
астероида будут превышать 10 км в диаметре, всей объединен¬
ной мощи не хватит для предотвращения катастрофы. Выход
один — усилить фундаментальные исследования для открытия
новых закономерностей.
Если обратиться к моделированию Солнечной системы, то
в качестве ключевых слов можно взять: Солнце, Меркурий, Ве¬
нера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон —
10 переменных, в структуре эквивалентных уравнений этой
системы будет содержаться 45 произвольных коэффициентов:
E1 = U1*A2 + U2*A3 + U3*A4 + U4*A5 + U5*A6 + U6*A7 + U7*A8 + U8*A9 + U9*A10
E2 = -U1*A1+U10*A3+U11*A4+U12*A5+U13*A6+U14*A7+U15*A8+U16*A9+U17*A10
E3=-U2*A1-U10*A2+U18*A4+U19*A5+U20*A6+U21*A7+U22*A8+U23*A9+U24*A10
153
Глава 3. Моделирование сложных систем
E4=-U3*A1-U11*A2-U18*A3+U25*A5+U26*A6+U27*A7*+U28*A8+U29*A9+U30*A10
E5=-U4*A1-U12*A2-U19*A3-U25*A4+U31*A6+U32*A7+U33*A8+U34*A9+U35*A10
E6=-U5*A1-U13*A2-U20*A3-U26*A4-U31*A5+U36*A7+U37*A8+U38*A9+U39*A10
E7=-U6*A1-U14*A2-U21*A3-U27*A4-U32*A5-U36*A6+U40*A8+U41*A9+U42*A10
E8=-U7*A1-U15*A2-U22*A3-U28*A4-U33*A5-U37*A6-U40*A7+U43*A9+U44*A10
E9=-U8*A1-U16*A2-U23*A3-U29*A4-U34*A5-U38*A6-U41*A7-U43*A8+U45*A10
E10=-U9*A1-U17*A2-U24*A3-U30*A4-U35*A5-U39*A6-U42*A7-U44*A8-U45*A9
В этой системе уравнений А1 — характеристика Солнца;
Е1 — изменение этой характеристики; А2 — характеристика
Меркурия; Е2 — изменение этой характеристики..., U1, U2...
U45 — произвольные коэффициенты, наличие которых опре¬
деляет возможность управления характеристиками. Выявление
этой новой возможности управления важна для человечества
ввиду астероидной опасности. Единственная надежда — на от¬
крытие новых способов управления планетарными процессами.
Аналогичным образом возможно моделирование галактик и их
взаимодействия.
Галактика рассматривается как сложная киберфизическая
система с большим разнообразием элементов. В процессе свое¬
го развития галактика взаимодействует с окружающей средой,
состоящих из других галактик и более крупных образований.
Кроме того, галактика находится под воздействием внешнего
и внутреннего управления, которое реализуется через гипоте¬
тический блок управления. В качестве инструментов управления
рассматривается манипуляция произвольными коэффициента¬
ми в структуре эквивалентных уравнений, наложение и снятие
ограничений на переменные системы, объединение систем
в коллектив и др., что в итоге формирует жизненные циклы раз¬
вития галактики.
В свою очередь галактика содержит в себе звезды и звездные
кластеры, черные дыры и квазары, гравитационную и электро¬
магнитную энергию, межзвездную пыль, темную энергию и тем¬
ную материю и др. Галактики интенсивно изучаются средствами
астрофизики и астрономии. Но с другой стороны, галактики —
сложные самоорганизующиеся системы, и на них распространя¬
ются выявленные закономерности.
Если использовать 7 ключевых слов, то уравнение галактики
будет иметь вид
154
3.2. Киберфизические системы
А1*Е1 + А2*Е2 + А3*Е4 + А4*Е4 + А5*Е5 + А6*Е6 + А7*Е7 = 0
где А1 — характеристика звездного населения гадактики; Е1 —
изменение этой характеристики; А2 — характеристика квазарно¬
го населения галактики; Е2 — изменение этой характеристики;
А3 — характеристика черных дыр галактики; Е3 — изменение
этой характеристики; А4 — характеристика гравитационной
энергии галактики; Е4 — изменение этой характеристики;
А5 — характеристика электромагнитной энергии галактики;
Е5 — изменение этой характеристики А6 — характеристика
темной энергии галактики; Е6 — изменение этой характери¬
стики; А7 — характеристика темной материи галактики; Е7 —
изменение этой характеристики; а в структуре эквивалентных
уравнений будут содержаться произвольные коэффициенты U1,
U2 ... U21. Может меняться число ключевых слов и количество
ограничений, но структура эквивалентных уравнений сохранит¬
ся, будет меняться количество произвольных коэффициентов
и матрица их распределения в этих уравнениях.
Например, если в качестве ключевых слов галактики взять
девять слов: диаметр D25 , радиальную шкалу диска R0 , толщину
звездного диска, светимость, массу М25 в пределах D25 относи¬
тельную массу газа в пределах D25 , скорость вращения внешних
областей галактики, период обращения внешних областей галак¬
тики, массу центральной черной дыры, то в структуре эквива¬
лентных уравнений будет содержаться 36 произвольных коэф¬
фициентов. В результате взаимодействия с окружающей средой
галактика эволюционирует так, как это показано на рис.1.5. Чис¬
ло произвольных коэффициентов характеризует адаптационные
возможности галактической системы. В процессе эволюции га¬
лактика проходит через адаптационный максимум и постепенно
превращается в жесткие системы, которые либо погибают, либо
преобразуются через креативный переход путем сбрасывания
накопленных ограничений.
Цикл развития галактики начинается в точке 1, проходит через
максимум в числе произвольных коэффициентов и заканчивается
в точке 2, где должна наступить трансформация, сброс ранее на¬
копленных ограничений, новый цикл начинается в точке 3, опять
система проходит через максимум адаптационных возможностей,
достигает точки 4, где опять происходит трансформация и т. д.
155
Глава 3. Моделирование сложных систем
Аналогичные циклы имеются у биологических, социаль¬
но-экономических и технических систем. Возникает вопрос,
какова природа гипотетического блока управления в системе
на рис. 1.4? Здесь возможны варианты — либо это специальная
киберфизическая структура, как это имеет место быть в автома¬
тических системах, либо это проявление жизни и высокоразви¬
той цивилизации.
Эволюция галактик во многом определяется наличием жиз¬
ни во Вселенной.
Астрофизики открыли темную материю и темную энергию,
которые составляют 95% массы и энергии Вселенной, а наши
представления о мире построены из наблюдений лишь 5% массы
и энергии Вселенной. Существует мнение, что темная материя
и темная энергия являются косвенным доказательством жизни
во Вселенной. Это с одной стороны.
С другой — появился компьютер, в котором существуют
различные не пересекающиеся виртуальные миры, что оче¬
видно для каждого. Может быть, наш мир — модель внутри
мирового суперкомпьютера, где существуют много различных
миров, и каждый из них снабжен мощной системой безопасно¬
сти от проникновения посторонних? Если проводить иссле¬
дования в этом направлении, нужно изучить структуру этого
мирового суперкомпьютера, методы его программирования
и защиты.
обратимся к анализу предложенной модели.
Когда мы говорим о системе, мы выделяем часть и рассма¬
триваем ее взаимодействие с оставшимся, с окружающей сре¬
дой. Также и с Солнечной системой — мы выделили планеты
и можем рассматривать как взаимодействие между ними, так
и воздействие остального космоса на всю Солнечную систему.
Солнечная система существует в потоке переменных воздей¬
ствий остального космоса и ее устойчивость зависит от ее адап¬
тационных возможностей, которые определяются числом произ¬
вольных коэффициентов. В данном случае это число 45, в общем
случае оно определяется формулой (1.7). Как очевидно из этой
формулы, в зависимости от числа наложенных ограничений для
числа переменных больше шести количество произвольных ко¬
эффициентов будет сначала возрастать, достигнет максимума
и потом будет уменьшаться.
156
3.2. Киберфизические системы
Это явление в теории систем называется феноменом адап¬
тационного максимума, в зоне адаптационного максимума
система обладает максимальными адаптационными возмож¬
ностями. Можно предположить, что в процессе эволюции
адаптационные возможности солнечной системы изменяются
в соответствии с формулой (1.7), что можно подтвердить или
опровергнуть соответствующими исследованиями. Эта форму¬
ла может быть основой для объяснения ритмов развития как
Солнечной системы в целом, так и Солнца в частности, и га¬
лактических систем.
Во-вторых, в качестве ключевых слов для построения модели
мы взяли сами планеты, которые можно наблюдать, то есть это
феноменологическая модель. Люди издревле наблюдали планеты
и для объяснения их движения создали целую систему понятий,
в частности, для объяснения их движения были привлечены за¬
коны Ньютона, которые опираются на понятия «сила», «мас¬
са», «ускорение», «скорость». опираясь на эти понятия как
на ключевые слова, можно нашим методом построить другую
лингво-комбинаторную модель, которая бы определила взаимо¬
действие между этими понятиями.
Таким образом, можно рассматривать два языка — язык
феноменологического описания и язык научных теорий —
и попытаться осуществить перевод с одного языка на другой
язык, а можно замешать в общую структуру как сами явления,
так и научные понятия, что и определит взаимодействие между
ними.
В-третьих, о прямых и обратных задачах. Прямая задача связа¬
на с моделированием следствия по заданной причине. В обратной
задаче мы хотим восстановить причину по известному следствию.
Прямая задача имеет единственное и устойчивое к малым возму¬
щениям решение. Для обратной задачи единственность решения
может нарушаться, т. к. различные причины могут вызвать одно
и то же следствие. Если обратиться к движению планет, которое
наблюдается людьми много тысяч лет, этот феномен может быть
объяснен по-разному. Существовала система Птолемея, потом за¬
коны Кеплера, потом законы Ньютона. Если считать за причину
законы Ньютона, то исходя из них можно рассчитать траектории
движения планет. Но исходя из других соображений тоже мож¬
но получить такое же движение планет, такой же феномен. Эта
157
Глава 3. Моделирование сложных систем
обратная задача, которая имеет множество решений. Лингво-ком¬
бинаторное моделирование позволяет построить множество раз¬
личных генераторов таких же движений.
В-четвертых, в современной науке и в обществе в насто¬
ящее время получили большое распространение понятия
«управление», «информация», и они пронизывают биологи¬
ческие науки (от генетики до высшей нервной деятельности),
социально-экономические науки, технические науки, но эти
понятия, можно сказать, исключены из физики, и астрономии
в частности.
Конечно, и астрономия, и физика сформировались давно,
когда понятия «управление» и «информация» не были разра¬
ботаны, но в настоящее время вызывает недоумение отсутствие
этих понятий при объяснении многих астрономических и фи¬
зических явлений. Если исходить из этой точки зрения, то на¬
сущной задачей астрофизики должен быть поиск центров управ¬
ления, систем связи и самой возможности управления малыми
воздействиями, вызывающими большие последствия в планетар¬
ных и галактических системах.
В настоящее время рассматривается вопрос о создании ки¬
бернетической физики, в которой вопросы управления займут
достойное место.
еще Анаксимандром в Древней Греции была высказана
гипотеза о существовании апейрона — субстанции, которая
пронизывает вся и все. В свете развиваемой нами теории апей-
рон — физическая символьная структура, которая реализует
структурированную неопределенность в виде произвольных
коэффициентов U, субстанции U. Структурированной неопре¬
деленности противопостоит хаос — неструктурированная не¬
определенность.
Структурированная неопределенность — основа жиз¬
ни во вселенной. В свете развиваемой теории вакуум — это
непрерывно перестраиваемая матрица структурированной
неопределенности, в которой ее заполнение идентифициру¬
ется с назначением конкретных значений произвольным ко¬
эффициентам U. Перед астрономами и астрофизиками стоит
задача обнаружения центров управления планетарными и га¬
лактическими системами. Эти идеи перекликаются с идеями
Циолковского.
158
3.2. Киберфизические системы
3.3. КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ
МЕТЕОРОЛОГИЯ
Предсказанием погоды люди занимались с незапамятных
времен. В настоящее время стало очевидным, что атмосфера
Земли — сложная самоорганизующаяся система, находящаяся
под воздействием Солнца и других факторов.
К настоящему времени предсказанием погоды занимается
мощная международная система, опирающаяся на сеть наблю¬
дательных пунктов во всех районах Земли и в космосе, на ис¬
пользование самых мощных суперкомпьютеров и сетей. Точ¬
ность прогнозов существенно повысилась, но необходимость
в совершенствовании ощущается остро, поэтому рассмотрим
возможности лингво-комбинаторного моделирования в этом
направлении.
Если обратиться к моделированию атмосферы, то в качестве
ключевых слов можно взять метеорологические элементы: тем¬
пература, давление воздуха, влажность воздуха, скорость ветра,
направление ветра, облачность, осадки, видимость (прозрач¬
ность атмосферы), температура почвы, температура поверхно¬
сти воды — 10 переменных.
В структуре эквивалентных уравнений этой системы бу¬
дет содержаться 45 произвольных коэффициентов, аналогич¬
но системе (3.2). Только здесь принято: А1 — характеристика
температуры воздуха; Е1 — изменение этой характеристики;
А2 — характеристика давления; Е2 — изменение этой харак¬
теристики, и т. д.
Выявление возможности управления важно для подстройки
модели и для управления погодой. Вышеназванные метеороло¬
гические элементы характеризуют локальную погоду, при гло¬
бальном рассмотрении метеорологических явлений используют
другие ключевые слова: циклоны, антициклоны, фронты, вихри,
торнадо и др.
Предсказывая погоду, люди базировались на самых различ¬
ных представлениях о природных явлениях и их взаимодействии,
но атмосфера — очень сложная система, все ее описания прин¬
ципиально содержат большую неопределенность, что и объяс¬
няет неточность прогнозов, которые вырабатываются на супер¬
компьютерах.
159
Глава 3. Моделирование сложных систем
В 50-е годы Э. Лоренц открыл эффект бабочки — необы¬
чайно сильное влияние ошибок в начальных условиях на после¬
дующее решение дифференциальных уравнений, описывающих
погоду, и нашел аттрактор в этих уравнениях.
3.4. КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ
ГЕОЛОГИЯ
В настоящее время наблюдается усиление изменений при¬
родной среды и созрела необходимость обобщения обширной
информации, которой располагают различные науки о Земле
на основе интеллектуальных информационно-вычислительных
систем, что позволит улучшить прогнозирование изменений
природной среды.
В настоящее время сложилось представление о погоде как
о целостном комплексе природных явлений, и прогнозирование
атмосферной погоды опирается на развитую систему метеостан¬
ций на Земле и в космосе, объединенных глобальной информа¬
ционной системой с суперкомпьютерами, сложилось представ¬
ление и о космической погоде.
Прогнозирование землетрясений — старая, но очень ак¬
туальная проблема. На нашей планете во время землетрясений
гибнут многие тысячи людей. Прогнозирование землетрясе¬
ний позволит уменьшить количество пострадавших, но в на¬
стоящее время эти прогнозы оказываются очень неточными,
поэтому актуальным является прогнозирование литосферной
погоды.
Существует множество гипотез о природе движения лито¬
сферы, одна из распространенных гипотез связывает источник
землетрясений с местами столкновений литосферных плит, ко¬
торые как бы плавают на поверхности астеносферы.
Сейчас движение плит подтверждено прямыми измерения¬
ми их скорости методами интерферометрии и с помощью спут¬
никовых навигационных систем.
Как показывают геологические исследования, расположение
материков в прошлом было совсем не такое (рис. 3.1) как в наше
время (рис. 3.2).
160
3.3. Кибернетическая метеорология
Рис. 3.1. Расположение материков в середине мелового периода
Рис. 3.2. Расположение материков в настоящее время
Рис. 3.3. Зона повышенной сейсмической активности
161
Глава 3. Моделирование сложных систем
Геологи выделяют 8 крупнейших плит, которые покрывают
90% поверхности Земли, среди них Австралийская, Антарктиче¬
ская, Африканская, Евразийская, Индостанская, Северо-Амери¬
канская, Тихоокеанская, Южно-Американская плиты. Имеются
еще плиты среднего размера, их значительно больше (рис. 3.3).
Каждую из плит мы можем рассматривать как отдельное
слово и методом лингво-комбинаторного моделирования опре¬
делить структуру уравнений с произвольными коэффициентами.
Эти уравнения задают всю структуру взаимодействий между пли¬
тами, всю комбинаторику взаимодействий. очевидно, что при
большом числе плит структура эквивалентных уравнений будет
содержать большое количество произвольных коэффициентов,
что и определяет трудность прогнозирования. Моделирование
движения плит является важным направлением исследований,
и нужно определить предельные возможности этого метода.
Если обозначить через A11 характеристику Австралийской
плиты, через A12 характеристику Антарктической плиты, A123 —
Африканской плиты, A14 - Евразийской плиты, A15 — Индостан-
ской плиты, А1б — Северо-Американской, A17 — Тихоокеанской,
A18 — Южно-Американской, то в соответствии с материалом
главы 1 уравнение поверхности Земли будет:
A\*E1 + AV*E2 + ... + A18*E8 = 0
где Е1 — изменение характеристики Австралийской плиты, „.,
Е8 — изменение характеристики Южно-Американской плиты,
и если учесть, что плиты располагаются на поверхности геоида,
то появляется второе ограничением на переменные системы:
A21*E2 + AVE3 + ... + A28*E8 = 0
и структура эквивалентных уравнений будет содержать
S = C33 = 56
произвольных коэффициентов, а сама структура будет иметь вид
E1 = U1*D123 + U1*D124 + ... + U21*D178
E2 = -U1*D213 + U2*D214 + ... + U36*D278
E8 = U6*D812 + U11*D813 + ... + U56*D867
162
3.3. Кибернетическая метеорология
где Ux, U2, ..., Us6 — произвольные коэффициенты, которые
могут быть использованы для задания различных движений ли¬
тосферных плит на модели геоида, а
D!2 = A1!* A22 - AV* А2! и т. д.
Наличие аналитической модели движения литосферных
плит открывает возможность нахождения аттрактора планеты.
Каждая из плит имеет свои очертания. Для моделирования дви¬
жения плит и наглядного представления этих движений в уско¬
ренном масштабе времени каждая из плит представляется как
пересечение конуса, прямые образующие которого исходят
из центра Земли и проходят через границы плиты на поверхно¬
сти геоида. Так мы можем разместить эти плиты на модели зем¬
ного шара и задать движение плит, назначая соответствующие
значения произвольным коэффициентам, не задумываясь пока
о тех силах, которые влияют на движение плит. Для простоты мо -
делирования мы можем каждую из плит разместить на отдельном
шаре, а потом рассматривать эти шары совместно, анализируя
возможности столкновения плит, исходя из их очертаний. При
решении этих сложных вычислительных задач целесообразно
использовать облачные рекурсивные структуры.
Каждая из тектонических плит занимает несколько тысяч
квадратных километров земной поверхности с расположенными
на ней лесами, реками, озерами, пустынями, степями, и во мно¬
гих местах они уходят далеко в океан, двигаясь за счет взаимодей¬
ствия различных сил как внутри Земли, так и вне ее. Проблема
состоит в том, что двигаются эти блоки земной коры, составля¬
ющие верхнюю оболочку Земли литосферу, в разные стороны.
Какие-то из них уходят от прежних соседей, а какие-то, наобо¬
рот, сближаются с ними чересчур близко. В результате на грани¬
цах возникают напряжения, проявляющиеся однажды бурным
выходом энергии. В материковой или океанической части коры
происходят разнообразные, порой колоссальной силы сдвиги,
разломы, сбросы, выбросы, которые оборачиваются землетрясе¬
ниями, цунами, извержениями вулканов и прочими природными
катастрофами. Люди издавна старались предугадать время насту¬
пления таких стихийных бедствий, приводящих к человеческим
жертвам. Существенных результатов достичь пока не удалось,
163
Глава 3. Моделирование сложных систем
поэтому необходимо создать планетарную систему прогнози¬
рования литосферной погоды по аналогии с прогнозированием
атмосферной погоды, и определить аттрактор, ответственный
за движение литосферных плит.
Чтобы получить картину движения литосферных плит
на всем земном шаре и определить места со слабыми или силь¬
ными тектоническими явлениями, необходимо точно опреде¬
лять координаты реперных точек. Эту задачу позволяют решить
современные спутниковые локационные системы (ГЛоНАСС,
GSM). Локационные спутниковые системы ведут обзор земной
поверхности (континентальных плит) для формирования лока¬
ционного изображения (ЛИ). Для формирования локационных
изображения используются данные с прибора локационной
станции (ЛС) с синтезированной апертурой (SAR) (рис. 3.4).
Радиолокационное синтезирование апертуры (РСА) — это
способ, который позволяет получать локационные изображения
земной поверхности и находящихся на ней объектов.
Рис. 3.4. Система спутников-SAR
Преимуществом является возможность получения дан¬
ных независимо от метеорологических условий и уровня есте¬
ственной освещенности местности с детальностью, сравнимой
164
3.3. Кибернетическая метеорология
с аэрофотоснимками. Данные, получаемые в микроволновом
радиодиапазоне, служат источником уникальной информации
о подстилающей земной поверхности. они позволяют опреде¬
лять вертикальные смещения с высокой точностью (вплоть до
нескольких миллиметров), что является альтернативой дорого¬
стоящим и трудозатратным наземным измерениям.
Рис.3.5. Континентальная плита с реперными точками
и их направлением
Последующий анализ осуществляется в комплексе со всей
имеющейся геолого-геофизической информацией и позволяет
минимизировать расходы при проектировании и проведении на¬
земных и морских геофизических и буровых работ, обеспечивая
на всех стадиях оперативный уточняемый прогноз.
Результатом работы системы спутников является высоко¬
точный контроль изменения положения реперных точек и их
направление на континентальной плите (рис. 3.5).
Для полноценного применения SAR-данных при решении
задачи моделирования движения континентальных плит было
разработано программное обеспечение обработки данных
в виде программных модулей.
165
Глава 3. Моделирование сложных систем
Разработанная модель осуществляет мониторинг каждой
отдельной континентальной плиты, а потом эти результаты ком-
плексируются.
Рис. 3.6. Структурная схема системы контроля земной
поверхности
о бщая схема прогнозирования литосферной погоды должна
включать блоки моделирования движения плит и блоки измере¬
ний положения и скорости реальных плит с помощью спутнико¬
вой навигации. Параметры модели должны корректировать по
результатам измерений. Чем будет больше точек измерения этих
параметров, тем точнее окажется прогнозирование. Следует от¬
метить, что уже складывается мировая карта напряжений (World
Stress Map, WSM), анализируется структурно-вещественный
состав земной коры по данным глобальной модели CRUST 2.0,
существуют и другие глобальные подходы и модели, которые мо¬
гут быть (рис. 3.6) объединены в рамках прогнозирования ли¬
тосферной погоды. Для создания реально действующей системы
прогнозирования литосферной погоды необходимо провести
дополнительные научные исследования и наладить международ¬
ное сотрудничество на основе интенсивного использования дан¬
ных в планетарном масштабе.
166
3.3. Кибернетическая метеорология
3.5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА
Кризис капиталистического производства, свидетелями
и участниками которого мы стали, заставляет задуматься о за¬
конах развития экономики. В учении Адама Смита о богатстве
народов сказано: «Человек постоянно нуждается в помощи
своих ближних, и тщетно было бы ожидать ее только от их бла¬
говоления. он скорее достигнет своей цели, если призовет себе
в помощь их эгоизм... Дай мне то, что мне нужно, и ты получишь
то, что необходимо тебе.», ибо человек «.преследует соб¬
ственную выгоду, причем в этом случае невидимой рукой направ¬
ляется к цели, которая совсем не входила в его намерения». Все
это хорошо, пока равнодействующая частных эгоизмов — она
же невидимая рука рынка — выводит в плюс. Сапожник тачает
сапоги, пирожник печет пироги, сапоги и пироги обмениваются
на 1 сюртук и 20 аршин холста, богатство народов, направляемое
невидимой рукой, растет.
Во время кризиса, когда богатство народов рушится, сапо¬
жник и пирожник, а в еще большей степени кузнец и слесарь,
остаются без работы, ибо некому сбывать плоды своих трудов,
гораздо реже слышны похвалы невидимой руке, хотя она никуда
не делась. Равнодействующая частны х эгоизмов действует — куда
сложились векторы, туда и сложились, и случаются времена, когда
все указанные Адамом Смитом предпосылки остаются в силе, бо¬
гатство же народов не умножается, но идет в распыл. Невидимость
руки рынка сохраняется — без войны, без чумы или землетрясе¬
ния заводы, дороги, стройки обращаются в мерзость запустения,
невидимая рука рынка превращается в когтистую лапу, и вся на¬
дежда — на человеческую солидарность и коллективизм. В рамках
национальной солидарности от чистоты рыночных отношений
остается не много. Например, протекционизм делается неизбеж¬
ным в силу солидарности и осознания «свой своему поневоле
брат». Заграница может поставить ряд товаров более дешевых
и лучшего качества, но заграница не обещает кормить наших без¬
работных и поддерживать нашу внутреннюю покупательную спо¬
собность. Государство вынуждено вводить пошлины и поддержи¬
вать своего производителя. И еще острее стоит вопрос о законах
развития социально-экономических систем, которые со времен
Адама Смита существенно изменились.
167
Глава 3. Моделирование сложных систем
Проведем лингво-комбинаторное моделирование социаль¬
но-экономических систем. Для примера рассмотрим проблему
моделирования города.
Если в качестве ключевых слов взять: «население», «пассио¬
нарность», «территория», «производство», «экология» и «бе¬
зопасность», «финансы», «внешние связи», то в соответствии
с вышеизложенной методикой уравнение города будет
А1*Е1 + А2*Е2 + ... + А7*Е7 = 0,
а эквивалентные уравнения будут иметь вид
E1 = U1*A2 + U2*A3 + U3*A4 + U4*A5 + U5*A6 + U6*A7;
E2 = - U1*A1 + U7*A3 + U8*A4 + U9*A5 + U10*A6 + U11*A7;
E3 = - U2*A1 - U7*A2 + U12*A4 + U13*A5 + U14*A6 + U15*A7;
E4 = - U3*A1 - U8*A2 - U12*A3 + U16*A5 + U17*A6 + U18*A7;
E5 = - U4*A1 - U9*A2 - U13*A3 - U16*A4 + U19*A6 + U20*A7;
E6 = - U5*A1 - U10*A2 - U14*A3 - U17*A4 - U19*A5 + U21*A7;
E7 = - U6*A1 - U11*A2 - U15*A3 - U18*A4 -U20*A5 - U21*A6,
где А1 — характеристика населения, которая включает в себя
характеристики здоровья, образования, занятости; А2 — харак¬
теристика пассионарности; устремлений групп населения, люди
обладают свободой выбора при принятии решений, и этот вы¬
бор является важным, что оценивается путем социологического
анализа; А3 — характеристика территории, включая наземные
и подземные постройки, этот блок может быть геоинформаци¬
онной системой; А4 — характеристика производства, включая
оценку различных видов деятельности — научной, производ¬
ственной, транспортной, торговой и др.; А5 — характеристи¬
ка экологии и безопасности; А6 — характеристика финансов,
финансовых потоков и запасов в городе; А7 — характеристика
внешних связей города, включая оценку входящих и выходящих
потоков людей, энергии, материалов, информации, финансов;
Е1, ..., Е7 — изменения этих характеристик соответственно;
U1, U2, ..., U21 — произвольные коэффициенты, которые могут
быть использованы для управления и решения различных задач
на многообразие. Наличие аналитической модели открывает
возможность нахождения аттрактора каждого из городов.
168
3.5. Экономическая кибернетика
Эта модель (рис. 3.7) используется в системах для поддерж¬
ки принятия решений городскими властями.
Число блоков в лингво-комбинаторной модели города может
быть различным. С точки зрения точности моделирования, чем
больше блоков используется, тем лучше, но при этом ухудшает¬
ся наглядность модели, ее восприятие людьми, принимающими
решение. Например, если население поделить на три блока —
«дети и подростки», «взрослые» и «пенсионеры», то число
переменных возрастет до девяти, уравнение города будет содер¬
жать девять переменных.
Town-Holl
decision makers
Feed back
Town mapping
in the large
rjr Project of decision tjt Consequence of decision
Interaction between blocks
Model of town
П INFORMATION
REAL TOWN
Рис. 3.7. Моделирование города для поддержки
управленческих решений
При моделировании города важно рассматривать всю ие¬
рархию систем, из которых этот город состоит. Главная ячейка
города — семья, для моделирования которой тоже можно ис¬
пользовать семиблочную модель, при этом будет изменяться со¬
держание отдельных блоков. Любая семья имеет свое домашнее
хозяйство, минимальный размер семьи — один человек, но и та¬
кая семья имеет все семь атрибутов. Аналогичным образом мож¬
но рассматривать другие семейные объединения — род, тейп,
домен. Семиблочная модель может быть использована при моде¬
лировании различных предприятий, на которых работают люди,
при этом структура блоков для каждого из типов предприятий
169
Глава 3. Моделирование сложных систем
будет разной. Однотипность модели, которая положена в осно¬
ву моделирования и семьи, и предприятий, и районов, и города
в целом, позволяет проще производить анализ и синтез такой
сложной системы, как город.
В материалах статистических бюро по городам и регионам
и по странам в целом имеются почти все данные, необходимые
для запуска модели. Другие данные для оценки пассионарности
можно почерпнуть из социологических опросов. Развитие ин¬
формационно-вычислительной техники позволяет поставить
вопрос об обязательном предварительном моделировании по¬
следствий от принимаемых решений, что поможет избежать
многих ошибок.
С древнейших времен складывались способы управления
коллективными работами и сообществами людей. они бази¬
ровались на введении правил взаимоотношения между людьми
(правил этики, морали, заповедей, законов религии, в после¬
дующем — светских правил и правовых норм) и на создании
иерархической системы управления с помощью администра¬
тивного аппарата. Но как отдельный человек, так и коллектив лю¬
дей — это самоорганизующиеся системы, и различные способы
управления — это различные методы внутреннего и внешнего
управления такой системой. На уровне человека и социальных
коллективов существует целеполагание, целеобразование.
Способности системы к самоорганизации зависят от спо¬
собности к целеполаганию, которая у различных людей разная.
Бывают конформисты, которые готовы делать то, что делают
другие и даже готовы подчиняться целям других людей, осо¬
бенно если эти цели выработал коллектив. Бывают личности
с большой самостоятельностью мышления и сопротивляемо¬
стью навязываемым им мнениям. В зависимости от типа лично¬
сти, менталитета народа люди могут стремиться формулировать
цели единолично либо вырабатывать цели коллективно. У рос¬
сийского народа сложилось стремление к соборности, к коллек¬
тивному принятию решений на сходах всех жителей деревни,
на собраниях трудового коллектива предприятий, на советах
различного рода. Способ управления, основанный на участии
в целеобразовании активных элементов (человека, предприятия,
региона и др.), является перспективным несмотря на свою слож¬
ность. Не все люди способны к целеобразованию и стремятся
170
3.5. Экономическая кибернетика
участвовать в формулировании целей. Некоторые исследователи
утверждают, что активных личностей около 10%, а большинство
готово выполнять цели, поставленные руководством.
Различают следующие уровни целеобразования примени¬
тельно к людям:
1) материальный, определяемый врожденными потребно¬
стями и программами человека (самосохранение, обеспечение
питанием, минимумом одежды);
2) эмоциональный (доступные развлечения, эстетическое
восприятие мира, проявление и реализация чувств любви, не¬
нависти и др.);
3) семейно-общественный (реализация программы продол¬
жения рода, создания условий для воспитания потомства);
4) социально-общественный, определяемый правилами со¬
обществ, закрепленных в законодательстве, этических нормах,
традициях и т. п.;
5) интеллектуальный, для которого характерна система цен¬
ностей, ориентированная главным образом на развитие творче¬
ских способностей личности (примером может служить атмос¬
фера академгородков в начальный период их развития).
В связи с развитием информационных технологий и вирту¬
альных миров начинают выделяться два уровня: удовлетворе¬
ния минимальных жизненных потребностей в реальном мире
и в виртуальном мире, где человек сможет реализовать самые
различные фантазии. Реализация этих уровней позволит смяг¬
чить гнет социального неравенства.
3.5.1. Почему разваливается
Европейский Союз
Любой союз накладывает дополнительные обязательства,
ограничения. Как было показано выше, число произвольных
коэффициентов в многомерных системах сначала растет, до¬
стигает максимума, а потом начинает убывать, это явление
называется феноменом адаптационного максимума. История
знает множество союзов, государств и империй, которые по
разным причинам распадались, в том числе и потому, что правя¬
щие элиты не сумели удержать системы в зоне адаптационного
171
Глава 3. Моделирование сложных систем
максимума в потоке перемен. Такую ситуацию переживает
в настоящий момент и Евросоюз. Действительно, если число
переменных союза n, а число ограничений m, то число произ¬
вольных коэффициентов в структуре эквивалентных уравне¬
ний будет
S = C m=1
n
и если каждый из 28 членов союза обладает адаптационными
возможностями
S = Cnimi+1 , i = 1, 2,...,28 ,
то возможны два варианта, либо S больше суммы Si — и тогда
союз возможен, либо S меньше суммы S. — и тогда союз может
распасться, что мы и наблюдаем, то есть правящая элита союза
не справилась с назначением необходимого число ограничений
m и mi при заданном n. Таковы законы кибернетики, которые
надо учитывать. Один из способов сохранить союз — это умень¬
шить или увеличить n. Будем наблюдать за перипетиями Евро¬
пейского Союза.
Еще президент Франции Шарль де Голль предлагал со¬
здать объединение от Лиссабона до Владивостока, а президент
В. В. Путин в мае 2016 года развил это предложение, заявив
о необходимости «... приступить к созданию на обширном про¬
странстве от Атлантики до Тихого океана зоны экономического
и гуманитарного сотрудничества, опирающегося на архитекту¬
ру равной и неделимой безопасности». Представляется интерес¬
ным исследовать возможности этой зоны.
3.6. ПОЛИЦЕНТРИНЕСКАЯ СТРУКТУРА
БОЛЬШОГО ПЕТЕРБУРГА
Подавляющее большинство населения нашей планеты в на¬
стоящее время живет в городах, которые являются сложными
самоорганизующимися человеко-машинными системами. Го¬
рода уже давно стали предметом исследования различных наук.
Первым научным трактатом по анализу города был труд Платона
под названием «Город», он считал городами поселения, которые
объединяют свыше 10 тысяч очагов.
172
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
В эпоху Возрождения города Северной Италии — Фло¬
ренция, Венеция, Генуя и другие — стали мощными центрами
торговли, финансов, искусства и ремесленничества, обрели
большую самостоятельность и стали очагами демократическо¬
го развития. В современном мире развитию городов уделяется
большое внимание, они стали источником больших проблем.
Развитие информационных технологий затрагивает города во
все большей степени. Для управления городами становится не¬
обходимостью моделирование, чтобы предсказать последствия
от принимаемых решений в ближнесрочной (1-3 года), сред¬
несрочной (3-5 лет) и долгосрочной перспективе — до 10 лет.
Город — живой организм. Города рождаются, развиваются
и умирают. Чем крупнее город, тем сложнее поддерживать его
жизнедеятельность. Очень хорошо, если город развивается в со¬
ответствии с заранее выработанным планом. Вместе с тем, го¬
род живет и развивается как составная часть страны. В качестве
еще одного примера сложной системы мы будем рассматривать
Санкт-Петербург, который является самостоятельным субъек¬
том федерации.
Интересы города и страны в частных вопросах могут рас¬
ходиться, иногда даже входить в противоречие друг с другом.
Однако благополучие города без благополучия страны не¬
возможно. В то же время город вносит свой вклад в развитие
и благосостояние всей страны. Так, ухудшение состояния, на¬
пример, Санкт-Петербурга имело бы тяжелые последствия для
всей России.
Так сложилось, что планами развития города занимаются
в основном архитекторы. В истории города были отклонения
от этого правила, но все-таки зодчие играют главную роль. Это
вносит некоторый дисбаланс в развитие города, поскольку каж¬
дый специалист обращает внимание на вопросы, связанные
с его профессиональной деятельностью. В круг вопросов, рас¬
сматриваемых архитекторами, такие вопросы, как организация
внутригородских коммуникаций, оборона города, передача
электроэнергии входят лишь частично. Снабжение города всем
необходимым, информационные потоки, связь города с внеш¬
ним миром практически выпадают из поля зрения архитекторов.
В то же время решение таких вопросов, как обеспечение покры¬
тия города мобильной телефонной связью и Интернетом, имеют
173
Глава 3. Моделирование сложных систем
в настоящее время первостепенное значение. Эти проблемы ока¬
зываются связанными с архитектурой. Эффективное планиро¬
вание размещения базовых станций зависит от архитектурного
рельефа. С этим также связана необходимость планирования
распределения силовых электрических сетей. Словом, в городе
все взаимосвязано.
3.6.1. История планов развития
Санкт-Петербурга
Рассмотрим развитие Санкт-Петербурга с позиций систем¬
ного анализа и кибернетики. За всю историю города существо¬
вало два десятка его генеральных планов. Не все они были реа¬
лизованы. Не все оформлялись как единый пакет документов.
1703-1711 гг. — рождение города. В это время плана горо¬
да не было, если не считать плана Петропавловской крепости,
составленного Ламбером де Гереном, французским военным ин¬
женером, находившимся на русской службе с 1701 по 1706 годы.
он, в частности, руководил осадой Ниеншанца.
1712-1725 гг. можно назвать детством города. В 1712 году
Пётр издал указ о переносе столицы в Санкт-Петербург, и ар¬
хитектор Трезини приступил к составлению плана города. он
же приступил к строительству форта Кроншлот. Весной 1714
года было принято решение строить город на Выборгской сто¬
роне, а в 1715 году — на Васильевском острове. Трезини вновь
составил генеральный план. Вместе с тем в город прибыл фран¬
цузский архитектор ж.-Б. Леблон. он стал главным архитекто¬
ром Санкт-Петербурга и в 1717 году создал свой генеральный
план. Леблон пробыл в городе недолго, он умер в 1719 году. Его
план, как и план Трезини, осуществлен не был, но об этом позже.
Сейчас можно отметить, что несмотря на большое количество
планов, город строится в общем-то стихийно.
1725-1737 гг. После смерти Петра в 1728 году двор воз¬
вратился в Москву. При Петре II генерал-губернатором и ге¬
нерал-полицмейстером Санкт Петербурга стал Б.-Х. Миних
(генерал-фельдмаршал с 1732 года). Планов развития города
этого периода не сохранилось, однако именно в это время центр
города переместился в адмиралтейскую часть, были построены
174
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
три перспективы — Невский и Вознесенский проспекты, Горо¬
ховая улица. В 1732 году двор (уже Анны Иоановны) возвра¬
тился в город.
1737-1762 гг. В 1737 году была создана комиссия
о Санкт-Петербургском строении. Комиссия занималась со¬
ставлением различных планов, взаимодействуя при этом с поли¬
цмейстерской канцелярией, штабами гвардейских полков и Ака¬
демией наук. В то время были обустроены слободы гвардейских
полков. В 1748-1749 годах в Академии наук под руководством
И. Ф. Трускота комплект градостроительных планов, разрабо¬
танный в различных ведомствах, был собран в единый генераль¬
ный план Санкт-Петербурга, известный как план М. И. Махаева.
1762-1796 гг. В 1762 году комиссия была ликвидирована,
но в том же году Екатерина II учредила «Комиссию о каменном
строении Санкт-Петербурга и Москвы». Эта комиссия работала
до 1796 года, разработав несколько планов и их модификаций.
1796-1917 гг. Павел I упразднил комиссию и попытался
ввести новый порядок управления городом. Краткосрочность
его правления помешала довести начинания до конца. В даль¬
нейшем генеральные планы отдельных частей города разрабаты¬
вались различными комиссиями, в том числе специально созда¬
ваемыми. Эти планы утверждались императором и собирались
в комплекты.
Единый план — «Проектный план на урегулирование горо¬
да С.-Петербурга» был создан только в 1880 году. Расширение
города потребовало создание обновленных вариантов этого пла¬
на. Такие обновления делались в 1901-1904 годах и вылились
в новый план в 1909 году. Одновременно инициативная группа
архитекторов — Бенуа, Енакиев, Перетяткович, Лансере — раз¬
работала альтернативный неофициальный план, который не был
реализован.
1917-1991 гг. В 1919 году при Совете по урегулированию
плана Петрограда и его окраин была сформирована архитектур¬
ная мастерская И. А. Фомина. Этой мастерской были подготовле¬
ны два проекта урегулирования Петрограда (1919-1923) и Ле¬
нинграда (1925). В 1925 году проектная деятельность перешла
в Бюро по планировке Ленинграда. Бюро возглавил Л. А. Ильин.
Бюро подготовило целый ряд проектов и в 1935 году выпустило
Генеральный план Ленинграда.
175
Глава 3. Моделирование сложных систем
В 1937 году была учреждена должность главного архитекто¬
ра Ленинграда. С этого времени все генеральные планы созда¬
вались под его руководством. В 1939 году был утвержден гене¬
ральный план Ленинграда, разработанный под руководством
главного архитектора Ленинграда Н. В. Баранова. В последую¬
щие годы выпускались варианты этого плана.
После Великой отечественной войны разрабатывался ге¬
неральный план восстановления Ленинграда. Далее генераль¬
ные планы и их редакции разрабатывались фактически непре¬
рывно.
1991-2016 гг. После распада СССР первый генеральный
план развития Санкт-Петербурга был принят только в 2005 году.
он был утвержден в форме городского закона. В 2008 году была
принята новая редакция и сейчас идет дискуссия по поводу но¬
вого генерального плана города, в которую вовлечены самые
разные специалисты.
Основание Санкт-Петербурга
Россия остро нуждалась в развитии торговли со странами Ев¬
ропы. Торговля требовала выхода к морю, поскольку перевозить
большое количество товара выгоднее по воде. Порт в Архангель¬
ске не мог обеспечить все потребности. Путь из Архангельска
вокруг Скандинавии был очень длинный, навигация — короткая.
Постройка портов в Азовском море также не давала ощутимых
преимуществ. Путь в европу — длинный, через три пролива,
контролируемых Турцией (Керченский, Босфор и Дарданеллы).
До Англии через Балтику путь тоже проходил через узкие про¬
ливы, которые, однако, контролировались Данией. К тому же
на южном берегу Балтийского моря расположены государства,
с которыми можно было вести торговлю.
Россия и Швеция несколько веков воевали за обладание
восточной частью Балтики, в частности побережьем Финского
залива. Эти земли, именовавшиеся шведами Ингерманландией,
несколько раз переходили из рук в руки. В XVII веке вся вос¬
точная часть Балтики принадлежала Швеции. Северная война
велась Петром I за то, чтобы вернуть Ингерманландию в состав
России и получить тем самым выход к Балтийскому морю. осо¬
бенно важным было обладание устьем Невы.
176
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
Нева входила в древний торговый путь «из варяг в греки»,
а в ее устье удобно было располагать морской порт и перевалоч¬
ную базу между речными и морскими судами. Морское судно тех
времен не могло пройти Неву самостоятельно, под парусами. То¬
вары по реке доставлялись на речных судах стругах.
1 (11) мая 1703 года войска Петра I после недельной осады,
взяли штурмом шведскую крепость Ниеншанц, перекрывавшую
Неву в ее нижнем течении. На следующий день в захваченной
крепости состоялся совет, который решал вопрос, как закре¬
питься на новых землях. Всем было понятно, что в этих местах
нужно строить торговый порт. Но порт надо было защищать
и с суши, и с моря. Крепость Ниеншанц могла своими пушками
преградить дорогу судам, движущимся по Неве. однако гавань
можно было разместить только ниже нее по течению. Совет по¬
становил, что в устье Невы надо строить новую крепость на За¬
ячьем острове. Крепость назвали Петропавловской.
Заячий остров находился напротив самого широкого места
в дельте Невы, которое предполагалось использовать под гавань.
Товарные склады и торговые ряды предполагалось размещать
на большом острове, позади Заячьего. Этот остров стали назы¬
вать Городским. Там же располагалась и резиденция Петра I, из¬
вестная как «домик Петра».
Гавань позволяла принимать суда, но для выгодной торгов¬
ли нужны были собственные корабли, которые требовали защи¬
ты: на Балтике господствовал шведский флот. Словом, пришло
время для строительства флота. Место для верфей, названных
адмиралтейством, были отведены на левом берегу Невы. Адми¬
ралтейство было обнесено крепостной стеной. Рядом с адмирал¬
тейством, напротив Петропавловской крепости, стояли лагерем
войска, предназначенные для защиты верфей.
Этим тогда и ограничился план строительства города. жи¬
лье строилось стихийно. Петр очень энергично взялся за строи¬
тельство крепости на Заячьем острове. Дата закладки крепости
16 (27) мая 1703 года считается днем основания Санкт-Петер¬
бурга (то есть крепость была заложена всего через 4 дня после
взятия Ниеншанца). Крепость строилась по совместному проек¬
ту французского инженера де Герена. Строительство курирова¬
ли ближайшие соратники Петра. Земляная крепость построили
достаточно быстро 1 (12) октября 1703 года. Вместе с тем пушки
177
Глава 3. Моделирование сложных систем
были установлены на стены еще до полного окончания строи¬
тельства — в середине сентября. Сразу после этого началась
перестройка крепости в камне.
В то же время предпринимались дополнительные меры по
защите устья Невы. В январе 1704 года у острова Котлин был за¬
ложен форт Кроншлот, а уже в середине июня он отбивал первое
нападение шведского флота. Флот должен был поддержать 8-ты¬
сячный сухопутный корпус генерала Мейделя. Это была первая
попытка шведов вернуть потерянные земли. Вторая попытка
была предпринята через год, в июне 1705 года. Тогда батареи
форта Кроншлот действовали уже совместно с вновь построен¬
ными кораблями Балтийского флота.
Рис.3.8. План Санкт-Петербурга 1705 года
Рисунок 3.8 показывает план Санкт-Петербурга на 1705 год.
В первый период существования города главной задачей было
закрепиться в устье Невы. Это было необходимо в первую оче¬
редь для всей страны. о нуждах города тогда еще никто не думал.
Говорить о планах градостроительства еще было рано.
178
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
Первые планы
19(30) мая 1712 Петр I издал указ о перенесении столицы
из Москвы в Санкт-Петербург. Перенесение столицы означало
появление у города новых функций и ставило перед градостро¬
ителями новые задачи. Город теперь стал политическим центром
Российского государства. Вся страна начинала на него работать,
а город работал на страну. Считается, что планы развития горо¬
да стали целенаправленно разрабатываться именно после указа
о переносе столицы.
Военная ситуация вокруг города к этому времени измени¬
лась. Непосредственной угрозы нападения шведов уже не было.
Россия к 1712 году владела Карельским перешейком и Прибал¬
тикой. Выборг и Кексгольм, контролировавшие Карельский пе¬
решеек, были взяты ы 1710 году. В том же году была взята Нарва,
а на следующий год Ревель (Таллин) и Рига. Шведская сухопут¬
ная армия после Полтавского сражения (1709 год) не представ¬
ляла такой грозной силы. однако Северная война продолжалась.
Шведский флот еще контролировал восточную часть Балтий¬
ского моря. Борьба за возможность морской торговли перешла
на море. Для эффективного ведения войны в городе требовалось
держать значительные военные силы, как флот, так и сухопутные
войска.
Важность торговых коммуникаций и Санкт-Петербурга как
перевалочной базы между рекой и морем оставалась и возраста¬
ла. Петр I начал строительство огромной системы каналов. Это
и Ладожский канал (теперь Старый Ладожский), позволяющий
продолжать навигацию во время сезонных штормов на Ладоге.
Это и начавшая функционировать в 1709 году Вышневолоцкая
водная система, которая обеспечивала проводку судов на водо¬
разделе между ладожской и волжской водными системами. По¬
ток товаров между Санкт-Петербургом и городами страны на¬
лаживался. Нужно было обеспечивать безопасность перевозки
товаров по морю.
Для решения этой задачи требовался сильный флот двойного
назначения. Корабельный флот с сильной бортовой артиллери¬
ей, способный длительное время действовать в открытом море,
нужен был для борьбы со шведским флотом и сопровождения
торговых судов. Плоскодонный гребной (галерный) флот нужен
179
Глава 3. Моделирование сложных систем
был для переброски сухопутных войск и проведения десантных
операций. И тот и другой необходимо было строить, постоянно
увеличивая число кораблей.
Корабельному флоту располагаться в устье Невы было
не очень-то удобно, и базу перенесли на остров Котлин в зали¬
ве, под прикрытие форта Кроншлот. Гребной флот разместили
на Васильевском острове. Для этого была построена искусствен¬
ная галерная гавань.
Военные задачи и изменившийся статус города требовали
создания квартир для значительного количества сухопутных
войск. В новую столицу переводились гвардейские полки —
Преображенский и Семеновский. Гвардия всегда должна была
находиться при особе императора. Вместе с тем, двух пехотных
полков оказалось недостаточно. В городе и окрестностях нужно
было разместить несколько армейских полков пехоты и кавале¬
рии. Сухопутные войска в это время размещали в полковых сло¬
бодах. Слобода — это небольшой поселок. Там строили дома
для офицеров и семейных солдат, казармы для неженатых но¬
вобранцев, общественные постройки, склады, мастерские, плац
для строевых занятий и парадов. Санкт-Петербург был окружен
полковыми слободами.
Перенесение столицы означало переселение в город импера¬
торского двора и царской семьи. Дипломатический корпус тоже
переезжал в новую столицу. Петр также намеревался размещать
здесь правительственные службы.
Будучи великим реформатором, Петр I собирался учредить
в России Академию наук, которая тоже должна была находить¬
ся в столице. Петр собирался хранить в городе коллекции про¬
изведений искусства, подобные тем, что он видел при дворах
европейских монархов. Город становился административным,
научным и культурным центром страны.
одновременно в городе создавалась промышленность. Го¬
род нужно было строить. Армию и флот надо было обеспечи¬
вать оружием, обмундированием, порохом. Промышленность
в нынешнем понимании в России только зарождалась. Напри¬
мер, знаменитый тульский оружейный завод не имел зданий,
в которых бы размещались производства. Ружья и сабли мастера
изготавливали в мастерских при своих избах. Ткацкое производ¬
ство, окраска тканей, пошив одежды и обуви также выполняли
180
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
в мастерских при жилых домах. Для изготовления более крупных
предметов, например орудийных стволов, создавались специаль¬
ные площадки. Другими словами, завод представлял собой сло¬
боду, во многом похожую на полковую.
Первые генеральные планы развития города относятся
к 1716-17 годам. Их авторами были архитекторы Доменико Тре-
зини и Жан-Батист Леблон. Оба плана основаны на идее смеще¬
ния центра города на Васильевский остров. Это стало возможно,
поскольку вероятность нападения на город значительно умень¬
шилась. Оба эти плана не были осуществлены в полной мере.
С античных времен считалось, что город должен быть окру¬
жен крепостной стеной. В русском языке само слово «город» от¬
ражает это представление. Стены защищали город от вражеских
войск. Однако к началу XVIII века традиционные высокие стены
уже не были столь эффективным средством защиты. Это связа¬
но с развитием артиллерии и огнестрельного оружия. Тяжелые
осадные орудия проламывали бреши в стенах. Поэтому великий
французский военный инженер маршал Себастьян ле Претр, мар¬
киз де Вобан разработал новую систему построения крепостей
и полевых укреплений. Крепость Вобана имела низкие стены
и остроконечные бастионы. Основная идея — прикрыть любой
участок стены огнем сбоку, с соседних участков стен, как тогда го¬
ворили, фланкирующим огнем. Крепостная артиллерия не должна
была подпускать противника к стене. А если противник до стены
все-таки доходил, его обстреливали с тех направлений, где он был
менее всего защищен. Вобановской крепостью является и Петро¬
павловская крепость на Заячьем острове. И Леблон, и Трезини
использовали в своих планах такие укрепления.
Леблон был в то время главным архитектором Санкт-Петер¬
бурга, а Трезини находился у него в подчинении, несмотря на то,
что начал работать в городе намного раньше. Леблон предложил
окружить город вобановской крепостной стеной овальной фор¬
мы. От существовавших тогда построек фактически оставались
только Петропавловская крепость и Адмиралтейство. Перед
стенами располагались огороды. Однако их назначение было
тоже оборонительное — отсутствие строений не позволяло
противнику скрытно подойти к стенам. В фортификации такое
пространство называлось эспланадой. Это был стандартный
подходом к построению крепостей.
181
Глава 3. Моделирование сложных систем
Очевидно, Леблон не был военным инженером, поскольку
спланировал обширную эспланаду в западной части Васильев¬
ского острова. В этом месте эспланада помогала противнику
десантироваться. Строительства подобных укреплений требо¬
вало колоссальных средств из казны. однако необходимости
заключать город внутрь крепостных стен уже не было. Видимо,
это понимал и Петр I. Строительство масштабных укреплений
в городе не было осуществлено.
Трезини предполагал окружить укреплениями Васильев¬
ский остров по береговой линии. Существовавшие постройки
в других частях города сохранялись. Их даже предполагалось
развивать. Как и в случае проекта Леблона, реализация проекта
Трезини требовала огромных затрат. очевидно, проект не был
реализован именно по этой причине.
К 1725 году застройки занимали гораздо меньше площади.
Развитие Санкт-Петербурга
в XVIII — XX веках
В XVIII веке Санкт-Петербург оставался столицей Россий¬
ской Империи (не считая краткого периода 1728-1732 гг., когда
двор находился в Москве). При этом город оставался главным
торговым портом страны. В городе в это время развивалась
промышленность, квартировали значительные контингенты
войск. В городе также функционировали правительственные
учреждения коллегии и синод. Двор и коллегии нуждались
в постоянной информации о состоянии дел в стране. Также
требуется передавать распоряжения в провинции. Доставкой
и того и другого занимались фельд-егерская и почтовые служ¬
бы. Сообщение было конным и для него требовались дороги,
сходящиеся к городу.
В 30-е годы XVIII века стараниями Б.-Х. Миниха центр го¬
рода был смещен в адмиралтейскую часть. Здесь располагались
императорские дворцы и судостроительные верфи. Адмиралтей¬
скую часть легче было связать с империей сухопутным путем:
в это время строились перспективные дороги, лучами расхо¬
дящиеся от Адмиралтейства. Постоянных мостов через Неву
в XVIII веке не существовало, что очень сильно осложняло связь
между частями города, расположенными на противоположных
182
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
берегах Невы. Зимой по замерзшей реке устанавливался санный
путь. Летом же части города были сильно разобщены.
Население города в это время жило в малоэтажных домах
с приусадебными участками — огороженными дворами, в ко¬
торых располагались дровяные сарай и огороды. Во дворах так¬
же держали птицу и даже скот (выпасы для скота находились
за городом). Это во многом решало проблему обеспечения про¬
довольствием. Тем не менее часть продовольствия в город до¬
ставлялась. Дома имели печное отопление, что создавало угрозу
пожаров. Пожары были не редкостью, для борьбы с ними созда¬
вали пожарные команды. В случае особо крупных пожаров для
борьбы с огнем привлекались расположенные в городе войска.
Промышленность города не ограничивалась кустарными
мастерскими. Таких мастерских было много, они обеспечивали
город одеждой, мебелью и пр. Крупнейшими государственными
заводами были судостроительные верфи и арсенал. В Адмирал¬
тействе строили в основном военный флот, но и торговые суда,
морские и речные.
Город оставался крупнейшей перевалочной базой для ино¬
странных товаров. Для их хранения строились большие склады
на Васильевском острове и Петроградской стороне.
Непосредственной военной угрозы городу в это время уже
не существовало несмотря на то, что приходилось периодически
воевать со Швецией. Войска, расположенные в городе, в основ¬
ном использовались как образцовые и учебные части. Прежде
всего такие функции были возложены на гвардию, которая це¬
ликом была расквартирована в полковых слободах на окраинах.
За весь XVIII ни одна гвардейская часть не выступала в поход
в полном составе. Зато гвардейские части выделяли небольшие
команды в действующую армию для приобретения боевого опы¬
та. офицеры и унтер-офицеры, подготовленные в столичных ча¬
стях, затем рассылались в полки по всей России.
Санкт-Петербург также был научным и образовательным
центром страны. Здесь располагалась Академия наук со своими
учебными классами. Учебные классы академии позже были пре¬
образованы в Санкт-Петербургский университет.
В первой половине XIX века в жизни города наблюда¬
лись не столько качественные, сколько количественные пере¬
мены. Население города росло, увеличивалась численность
183
Глава 3. Моделирование сложных систем
расквартированных в городе войск, в первую очередь гвардии.
Коллегии были заменены министерствами, и количество государ¬
ственных чиновников выросло. Задачи, стоящие перед городом,
оставались прежние. Город продолжал оставаться торговым, про¬
мышленным и научно-образовательным центром страны. Уклад
жизни населения менялся медленно, однако в конце XIX века он
сильно отличался от того, что было в начале столетия.
Плотность населения в центре города значительно выросла.
Это было обусловлено строительством многоэтажных домов,
квартиры в которых предназначались для сдачи внаем. Росло
число чиновников, уровень доходов которых не позволял стро¬
ить собственные дома.
Промышленность росла, ее переместили на периферию го¬
рода. В конце века появились крупные частные заводы различно¬
го профиля. Вокруг них формировались рабочие окраины.
Дальнейшее развитие получила торговля. Тоннаж морских
судов увеличился, их стало невозможно принимать в устье Невы,
поэтому был построен новый морской порт, а по дну Невской
губы прорыт Морской канал (1885 г.). Первые железные дороги
в стране тоже шли к Санкт-Петербургу. они позволили пере¬
возить значительно большую часть грузов по суше. При этом
речные грузоперевозки не потеряли своего значения. К концу
века город имел две изолированные железнодорожные систе¬
мы — право- и левобережную. Появился общественный транс¬
порт — конка. В начале XX века общественный транспорт по¬
лучил дальнейшее развитие. Большим достижением для города
стало строительство постоянных мостов через Неву. Мосты
ликвидировали изоляцию частей города. Проекты таких мостов
предлагались еще в XVIII веке, но построены они были только
на рубеже XIX-XX веков.
Развитие Санкт-Петербурга в XX веке
После Октябрьской революции положение города в стране
сильно изменилось. В 1918 году советское правительство пере¬
ехало в Москву. Вслед за этим началось перемещение функций
культурного и научно-образовательного центра. Процесс этот
длительный, тем не менее город продолжал занимать позиции
лидирующего центра, пусть и второго, после столицы.
184
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
Промышленность в XX веке развивалась очень сильно, имен¬
но это и явилось основным стимулом роста численности насе¬
ления после утраты функций столичного города. Город остался
торговым портом. После войны порты Риги и Таллинна забрали
на себя часть грузов, однако они не могли потеснить Ленинграда
в части внутренних перевозок по рекам. Близость города к гра¬
ницам повысила его оборонное значение.
Внутренние проблемы развития города обусловлены, пре¬
жде всего, двумя причинами:
- увеличение численности населения;
- развитие технологий.
Особенно бурный рост населения наблюдался в послево¬
енные годы. В это время было принято решение радикально
снизить плотность населения в центре города, создав спальные
районы. Это сказалось, в частности, на транспортных потоках
внутри города, на необходимости его планирования и органи¬
зации.
Развитие технологий поставило перед городом ряд совер¬
шенно новых задач. Замена печного отопления на центральное,
оказавшее положительное влияние на чистоту и пожарную безо¬
пасность, вызвало необходимость строительства магистральных
трубопроводов. В XX веке в городе было проведено электриче¬
ство, созданы сети радио и телевизионного вещания, установле¬
на телефонная связь.
3.6.2. Необходимость перехода
к полицентрической системе
Из анализа планов развития Санкт-Петербурга и Ленинграда
очевидно, что город сформировался как моноцентрическая систе¬
ма, что является тормозом для дальнейшего развития города. Сей¬
час город задыхается в автомобильных пробках, люди тратят все
больше времени на дорогу. Аналогична судьба и других больших
городов — они тоже вначале развивались как моноцентрические
структуры, но потом постепенно превращались в полицентриче¬
ские, каждый по-своему, в зависимости от особенностей геогра¬
фического положения и исторического развития.
185
Глава 3. Моделирование сложных систем
Рис. 3.9. Полицентрическая структура Большого Петербурга
На основе анализа планов города и тенденций развития тех¬
ники предложена полицентрическая структура Большого Пе¬
тербурга, она изображена на рис. 3.9, где 1 — старый центр го¬
рода, истинный Санкт-Петербург; 2 — Сити в районе Горской,
где можно будет строить небоскребы и использовать аэродром
в Левашово как деловой аэропорт; 3 — центр во Всеволожске;
4 — центр в Шлиссельбурге; 5 — центр в Колпино как про¬
мышленный центр; 6 — центр в Гатчине; 7 — центр в Бронке,
в месте примыкания дамбы к южному берегу Финского залива,
новый порт.
Если говорить о Всеволожске и Шлиссельбурге, городу
необходим выход к Ладоге — основному резервуару пресной
воды. На Неве можно было бы построить две гидростанции —
у истока Невы и у Ивановских порогов для лучшей защиты го¬
рода от катастрофических наводнений, которые предсказывают
синоптики в связи с глобальным потеплением. Гатчина — город
с уникальным дворцовым комплексом и институтами — орга¬
ничная часть Петербурга, правительство недавно предложило
перевести в Гатчину Государственный университет.
186
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
В Большом Петербурге должны быть умные дома и умные до¬
роги, автоматизированные предприятия, умное здравоохранение
и умное образование, а город в целом должен стать умным горо¬
дом с развитой транспортной инфраструктурой, водоснабжением
и энергоснабжением, системой уборки и переработки мусора.
3.6.3. Деловая игра
«Моделирование города»
На протяжении многих лет автор использовал город как объ¬
ект моделирования при обучении студентов навыкам системного
анализа. Такой выбор объясняется тем, что город легко доступен
для наблюдения и изучения, город является сложной самоорга¬
низующейся системой, его изучение позволяет проиллюстри¬
ровать многие принципы управления сложными системами. Эта
деловая игра занимает целый семестр и проводится с целым по¬
током студентов от 30 до 100 человек.
Условия игры следующие. Студентам предлагается приду¬
мать город, расположенный в любой точке земного шара и даже
в космосе. В дискуссии студенты сочиняют легенду города, опре¬
деляют его местоположение, численность населения, основные
занятия жителей, придумывают название, герб и гимн. После
этого каждый из студентов должен выбрать для разработки
и анализа одну из подсистем города, например поликлинику,
торговый центр, полицейский участок, предприятие по произ¬
водству компьютеров, транспортную контору, банк и т. д. Каж¬
дый студент должен написать реферат по выбранной подсистеме
города, который бы включал следующие части:
1) вербальное описание подсистемы и ее функционирования;
2) количественное описание подсистемы с определением ко¬
личества занятых в подсистеме людей, технологий, финансовых
потоков и др.;
3) разработку информационно-вычислительной системы
(ИВС), которая могла бы улучшить функционирование подси¬
стемы;
4) оценку эффективности разработанной ИВС и ее стоимости;
5) связь разработанной подсистемы с другими подсистема¬
ми города.
187
Глава 3. Моделирование сложных систем
Для управления большим коллективом разработчиков-сту-
дентов создается иерархическая система управления. Студенты
открытым голосованием выбирают из своей среды руководителя
города — мэра, который назначает своих заместителей по раз¬
личным направлениям.
При моделировании города как сложной системы были ре¬
шены три задачи: во-первых, была осуществлена декомпозиция
города на подсистемы; во-вторых, создана иерархическая систе¬
ма для управления проектом; в-третьих, студенческий коллектив
осуществил разработку всех подсистем и их интеграцию в еди¬
ное целое.
Итогом этой работы являются рефераты каждого из сту¬
дентов по выбранной подсистеме, увязанные с общегородскими
проблемами, они начинают чувствовать свою миссию. опреде¬
лен сбалансированный бюджет города, что сделали губернатор
и его заместители по городу в целом, скоординировав работу
отдельных студентов по подсистемам. В результате студенты
получают навык в анализе и синтезе сложных систем и навык
работы в коллективе. После этой деловой игры студенты высту¬
пают на конференции (Программа 35-й Международной кон¬
ференции по школьной информатике и проблемам устойчивого
развития, С.-Петербург, 2016).
3.7. КИБЕРНЕТИЧЕСКАЯ ГЕРМЕНЕВТИКА
В древнегреческой мифологии посредником между богами
и простыми смертными был Гермес, который истолковывал лю¬
дям повеления богов, а богам передавал просьбы людей. отсюда
и ведет свое происхождение термин «герменевтика», первона¬
чально означающий искусство толкования изречений оракулов,
древних текстов, знаков, смысла чужого языка. В Средневеко¬
вье герменевтика была неразрывно связана с теологией, с тол¬
кованием отцами церкви. Философская герменевтика возникла
в середине ХГХ в., ее основоположником был Ф. Шлейермахер,
который рассматривал герменевтику как метод всех наук о духе,
доказывая, что с помощью психологического вживания можно
проникнуть во внутренний мир авторов древних текстов, лю¬
бых исторических деятелей и на этой основе реконструировать
188
3.6. Полицентрическая структура Большого Петербурга
исторические события, понять их еще глубже, чем их осознавали
сами участники. Х.-Г. Гадамер стремился отмежеваться от субъ¬
ективизма своих предшественников, он провозглашает герме¬
невтику универсальной философией нашего времени. По его
убеждению, именно «в языке выражается сам мир», становится
видимой та действительность, которая «возвышается над созна¬
нием каждого отдельного человека», ибо все, что является пред¬
метом познания и высказывания, «всегда окружено мировым
горизонтом языка». Для философа-структуралиста Мишеля
Фуко язык — это самостоятельная «весомая и плотная реаль¬
ность», в которую погружен человек и которая наряду с жизнью
и трудом детерминирует его бытие. При этом язык трактуется
широко и включает «немые привычки мысли», «тайный дух на¬
родов» у Фуко или «немотствующее удивление», «немую оча¬
рованность» у Гадамера. Гадамер рассматривает язык как опыт
мира, как горизонт герменевтической онтологии.
C появлением квантовой механики возникло мнение о том,
что единого подхода в науке вообще быть не может. Это мнение
отражено в высказывании одного из основоположников кван¬
товой механики Нильса Бора: описать процессы, протекающие
в природе, с помощью одного языка невозможно. Необходимы
разные описания, в каждом из которых яснее проявляются те
или иные особенности изучаемого явления. То есть наука — это
полилингвистическая система, где одновременно существуют
и развиваются множества языков. С одной стороны, это правиль¬
но, но с другой — существует универсальная знаковая систе¬
ма — естественный язык, который может быть единой основой
описания единой природы, которую люди для простоты изуча¬
ют в рамках отдельных специальностей. Но, как говорят, иная
простота хуже воровства: сложившаяся фрагментарная картина
мира уже не устраивает людей — наблюдается мощная тенден¬
ция интеграции наук, и основой этой интеграции может быть
структура естественного языка, который является мощной моде¬
лирующей системой. Предложенное лингво-комбинаторное мо¬
делирование может быть универсальным методом построения
моделей с информационным управлением в самых различных
отраслях науки.
Наличие возможности управления в текстах на естествен¬
ном языке позволяет говорить о кибернетической герменевтике.
189
Глава 3. Моделирование сложных систем
Язык смыслов Е может быть единым для всех естественных
языков с учетом идиоматики. В свое время был предложен язык
эсперанто в качестве такого единого языка, но это один из искус¬
ственных языков, которых появилось много в эпоху компьюте¬
ризации. Язык смыслов Е вычисляется из текстов на различных
естественных языках, это прежде всего исчисление. В свое время
Людвиг Витгенштейн мечтал об исчислении для языка в своей
«Голубой книге».
В качестве примера рассмотрим перевод с одного языка
на другой. Если имеем фразу на одном языке и при переводе хо¬
тим сохранить смысл этой фразы из трех слов, то
phrase + word1 + word2 + word3,
и после введения смыслов получим
(phrase)*(sence0) + (word1)*(sence1) +
+(word2)*(sence2) + (word3)*(sence3) = 0
или А1*Е1 + А2*Е2 + А3*Е3 + А4*Е4 = 0.
Разрешив это уравнение относительно Е, получим
E1 = U1*A2 + U2*A3 + U3*A4;
E2 = -U1*A1 + U4*A3 + U5*A4; (3 36)
E3 = -U2*A1 - U4*A2 + U6*A4;( . )
E4 = -U3*A1 - U5*A2 - U6*A3.
На другом языке, где A’- слова на этом языке, будем иметь
E’1 = U1*A’2 + U2*A’3 + U3*A’4;
E’2 = -U1*A’1 + U4*A’3 + U5*A’4;
E’3 = -U2*A’1 - U4*A’2 + U6*A’4;
E’4 = -U3*A’1 - U5*A’2 - U6*A’3. (3.37)
Если мы хотим, чтобы смысл исходной и переведенной фраз
сохранялся, то Е1 = Е’1, откуда вытекает
U1 (A2 - A’2) + U2(A3 - A’3) + U3(A4 - A’4) = 0. (3.38)
Использование этого уравнения определяет поиск слов
на другом языке, соответствующих исходному языку в словарях.
190
3.7. Кибернетическая герменевтика
Кибернетическая герменевтика позволяет подойти и к дру¬
гой интересной задаче — создание модели мышления конкрет¬
ного человека, например, писателя или политического деятеля.
У этих людей, во-первых, накапливается множество их печатных
трудов, во-вторых, множество воспоминаний об этих людях,
дискуссий с ними, свидетельств о встречах с ними и т. п. Из всех
этих текстов можно извлечь смыслы, которые характерны имен¬
но для этого конкретного деятеля, и попытаться смоделировать
его высказывания по оценке сегодняшних событий. Например,
что бы сказал Наполеон о современной Европе, или что бы ска¬
зал Ленин о ситуации в современной России и т. д. Таким обра¬
зом можно было бы реализовать эффект головы профессора До-
уэля из романа Александра Беляева, не имея самой этой головы,
а лишь тексты и свидетельства.
3.8. МИРЫ РЕАЛЬНЫЕ И ВИРТУАЛЬНЫЕ
У каждого человека есть свое представление о мире, которое
сложилось на основе невербальной и вербальной информации.
Это представление о мире и есть виртуальный мир конкретного
человека, который непрерывно дополняется и модифицируется.
У другого человека складывается другое представление о мире,
другой виртуальный мир. Эти миры частично пересекаются, но
никогда полностью не совпадают, так как люди отличаются друг
от друга и имеют различный жизненный опыт. В компьютерах
тоже хранятся изображения, звуки, слова, которые составляют
компьютерный виртуальный мир.
Компьютерные виртуальные миры пересекаются по со¬
держанию с человеческими виртуальными мирами, это пере¬
сечение позволяет им совместно общаться и работать. Для
того чтобы человек мог жить и работать в реальном мире, его
виртуальный мир должен отражать существенные черты мира
реального, иначе он бы не смог ориентироваться в мире реаль¬
ном, т. е. виртуальный мир должен быть таким, чтобы в нем были
представлены все существенные элементы мира реального. Мо¬
гут быть различные предложения по структуре эгоцентричного
мира человека. Мы предлагаем в качестве его главных элементов
взять следующие семь.
191
Глава 3. Моделирование сложных систем
1. Население. Ребенок после рождения знакомится прежде
всего со своей матерью (импринтинг), потом с другими
людьми, которые характеризуются здоровьем, генетикой,
образованием, занятостью и т. д. В мире формируется
информационное общество, островки компьютеризации
объединяются в виртуальные миры. Возникли виртуаль¬
ные миры финансовых банков, здравоохранения, различ¬
ных производств; виртуальные предприятия в торговле,
на транспорте, в образовании. Важной составляющей этих
миров является их население — агенты, которые являются
аппаратно-программными комплексами и выполняют за¬
дания своих принципалов — людей, являясь их помощни¬
ками и представителями в различных структурах. Агенты
объединяются в многоагентные системы. Агенты (иногда
их называют аватарами) могут иметь тот или иной облик
на дисплее и голос, в зависимости от желания принципала,
но самое главное — их функции в том или ином виртуаль¬
ном мире. Набор этих функций должен быть таким, что¬
бы агент мог взаимодействовать как с принципалом, так
и с другими агентами в конкретном виртуальном мире,
добиваясь выполнения задач, поставленных принципалом.
Например, в финансовом мире принципал может поручить
своему агенту управлять деньгами на своем банковском
счете таким образом, чтобы увеличить прибыль, рискуя
в заданных рамках. Агент должен поддерживать образо¬
вательный процесс начиная со школы, и каждый ученик,
заканчивая школу, должен уносить диск со своим агентом,
который помнит все, чему учили в школе, чтобы помочь
выпускнику в дальнейшей жизни. Внедрение многоагент¬
ной технологии и формирование виртуальных миров су¬
щественным образом скажется на социальной структуре
общества.
2. Пассионарность, устремления людей. Мать стремится защи¬
тить своего ребенка. Становясь взрослым, человек по-разному
проявляет свою волю. Ради идеи люди жертвуют своей жизнью.
3. Территория. По мере развития ребенка эта территория рас¬
ширяется — от детской кроватки через освоение комнаты,
квартиры, двора, школы, города вплоть до освоения терри¬
тории всей планеты.
192
3.8. Миры реальные и виртуальные
4. Производство, это то, что может делать человек, — сначала
по обслуживанию самого себя (личная гигиена), потом дру¬
гих людей — проектировать и производить машины, учить,
лечить и т. п. Для производства человек использует различ¬
ные предметы, артефакты — от соски, бутылочки с молоком,
через компьютер до автомобиля и т. д. Самый главный арте¬
факт — естественный язык.
5. Экология и безопасность, которая опирается на врожден¬
ные инстинкты самосохранения.
6. Финансы, средства эквивалентного обмена, банки, биржи,
виртуальные деньги.
7. Внешние связи, входящие и выходящие потоки энергии, то¬
варов, информации, услуг. Деление на своих и чужих, обмен
и обман и т. д.
Такова предлагаемая нами структура виртуального мира чело¬
века: от структуры семьи через структуру предприятия, города до
структуры планеты; каждый из этих блоков может быть расширен.
3.8.1. Многоагентные обучающие
системы — современный подход
к образованию
В данном разделе будут рассмотрены современные подхо¬
ды к образованию и перспективные методы организации обра¬
зовательного процесса — компьютеризация, дистанционное
и открытое образование. В частности, особое внимание уделе¬
но психологическим аспектам (индивидуализация образования
за счет внедрения адаптивных систем, мотивация обучаемого)
и использованию технологии многоагентных систем в образова¬
нии (М. Б. Игнатьев, В. В. Королев, А. А. Кроль «Виртуальные
образовательные среды»/Педагогическая информатика, 2004,
№2, С. 73-81).
С компьютеризацией связывают революцию в образовании,
но в настоящее время, несмотря на большие вложения в приоб¬
ретение компьютеров для школ, никакой революции не произо¬
шло. Это можно объяснить тем, что не измененилась структура
знаний. Знания делятся на концептуальные, фактуальные и ал¬
горитмические.
193
Глава 3. Моделирование сложных систем
В настоящее время концептуальные знания составляют
в учебном процессе 20%, фактуальные — 60%, алгоритмиче¬
ские — 20%. Это соотношение закреплено в действующих об¬
разовательных стандартах. Применение компьютеров может
изменить это соотношение, прежде всего, за счет использова¬
ния банков данных и поисковых систем. В результате в струк¬
туре знаний может сложиться соотношение: концептуальные
знания — 30%, фактуальные знания — 40%, алгоритмические
знания — 30%. Если эти соотношения будут соблюдаться во всех
школьных предметах и закрепляться в новых стандартах, то это
и будет означать повышение эффективности применения ком¬
пьютеров в образовании.
В процессе обучения особенно важным является вопрос
мотивации. Наличие мотивации к обучению дает положитель¬
ные результаты как в обычной школе, так и при дистанционном
обучении. Все рассуждения о возможности индивидуального
обучения посредством высокоинтеллектуальных обучающих
систем совершенно беспочвенны в случае отсутствия заинтере¬
сованности. Механическое принуждение не даст ровным счетом
никаких результатов, а отсутствие живого общения еще более
усугубит результаты. Необходимо направить систему на дости¬
жение максимальной возможности воздействовать на учащегося,
его стремление и желание обучаться. Эти приемы необходимо
почерпнуть из реальной жизни, из сложившихся систем, при¬
нять на вооружение методы педагогики и психологии, в первую
очередь затрагивающей вопрос о воспитании детей. Мотивация
к обучению естественна, так как она является основой для выжи¬
вания и существования человека в окружающей среде.
Первичное побуждение к учению — удовлетворение лю¬
бопытства. Мотивация связана с психологическими и возраст¬
ными особенностями детей. На начальном уровне мотивацией
является стремление заслужить похвалу от взрослых, в первую
очередь от родителей. В начальной школе — заслужить автори¬
тет у сверстников. В средней — осознанное стремление учиться
ради самоусовершенствования. По теории Выготского, развитие
мотивации предполагает наличие четырех составляющих: ком¬
муникативной, справочной, обобщающей и саморегулирующей
функций. Но даже при наличии этих составляющих мы не можем
говорить о достаточном развитии мотивации к обучению, если
194
3.8. Миры реальные и виртуальные
не выясним механизмы, которые способствуют ее становлению
и развитию. Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо
определиться с самыми базовыми понятиями — раскрыть, что
представляет собой направленность личности, так как это непо¬
средственно связано с вопросом мотивации.
Направленность личности — это система побуждений,
определяющая избирательность отношений и активность чело¬
века. она имеет определенные формы и характеризуется неко¬
торыми качествами.
Уровень — это общественная значимость направленности
человека. В общественной направленности человека проявля¬
ется его моральный облик. Высокий уровень общественной на¬
правленности называют идейностью личности.
Широта направленности — количество интересов. Широ¬
кая направленность — явление полезное, однако при этом суще¬
ствует опасность разбросанности, отсутствие глубоких устойчи¬
вых знаний в определенной области. Дилетант судит обо всем,
но поверхностно, неквалифицированно и чаще всего неверно.
Широкая направленность предполагает наличие одного цен¬
трального, главного интереса.
Интенсивность — эмоциональная окраска направленности.
Имеет большой диапазон выраженности: от смутных, нечетких
влечений до полной убежденности.
Устойчивость — характеристика направленности во време¬
ни. В первую очередь это качество связано с настойчивостью как
проявлением воли.
Действенность — активность человека в реализации целей
в деятельности.
Кратко охарактеризуем формы направленности.
Влечение — малодифференцированное, смутное стремле¬
ние, направленное на какой-либо предмет или действие и дви¬
жимое той или иной маловыраженной потребностью.
Желание — более высокая форма направленности, при ко¬
торой человек осознает то, к чему стремится.
Интерес — еще более высокая форма направленности
на предмет, но являющаяся только стремлением к его познанию.
Склонность — стремление к определенной деятельности.
Идеал — форма направленности, воплощенная в конкрет¬
ном образе, на который человек хочет быть похожим.
195
Глава 3. Моделирование сложных систем
Мировоззрение — система взглядов, представлений и по¬
нятий о мире, его закономерностях, об окружающих человека
явлениях, природе, обществе. В противоположность активно¬
му существует пассивное мировоззрение, которое называется
миросозерцанием.
Убеждения — высшая форма направленности личности. Это
сочетание мировоззрения, мышления и воли, проявляющееся
в поступках человека. Мировоззрение и убеждения человека
определяют его моральные качества.
Мораль — понятие, обобщающее в общественном и индиви¬
дуальном сознании нравственные явления. Моральные свойства
личности, убеждения, моральные чувства отражают нравствен¬
ные нормы и одновременно регулируют нравственные поступки
личности.
Совесть — нравственная самооценка человеком своих по¬
ступков. Принято различать бессовестных и безнравственных
людей. Бессовестный — человек, знающий нравственные нормы
общества, считающий их правильными, но только для других,
а не для себя. В отличие от бессовестного, безнравственный че¬
ловек не считает эти нормы обязательными ни для себя, ни для
других, хотя может их знать.
В связи с направленностью личности очень важным является
вопрос о том, что заставляет человека реализовать себя, свою
направленность, быть деятельным, т. е. что является причиной,
источником активности личности.
Источником активности личности являются ее потребно¬
сти. Именно потребности побуждают человека действовать
определенным образом и в определенном направлении. Потреб¬
ность — это состояние человека, выражающее его зависимость
от конкретных условий существования.
Потребности человека формируются в процессе его воспи¬
тания. Удовлетворение потребностей выступает как активный
целенаправленный процесс овладения формой деятельности,
определяемой общественным развитием.
Потребности человека носят общественно-личный характер.
Это обусловлено следующими положениями.
Даже для удовлетворения узколичных потребностей (пища)
человек использует результаты общественного разделения труда
(хлеб).
196
3.8. Миры реальные и виртуальные
Человек удовлетворяет потребности исторически сложив¬
шимися в данном обществе способами и приемами.
Многие потребности человека отражают запросы общества,
группы.
По происхождению потребности бывают естественные
и культурные.
По характеру предмета потребности могут быть материаль¬
ными и духовными.
Материальные потребности — потребности в предметах
материальной культуры (пища, одежда). Духовные — потреб¬
ности в продуктах общественного сознания. К ним относятся
познавательные, моральные, эстетические, творческие. особое
место занимает потребность в общении с другими людьми.
С потребностями тесно связаны мотивы — конкретные
побуждения к деятельности. Мотивами могут быть конкрет¬
ные проявления потребностей: влечения, желания, интересы,
склонности, идеалы, мировоззрения, убеждения. Мотивами мо¬
гут быть и побуждения другого рода. Например, ученик готовит
уроки. При этом мотивы могут быть разные: желание порадо¬
вать родителей хорошей отметкой; желание понравиться учи¬
тельнице; необходимость избежать двойки в четверти.
Мотивы отличаются видом потребности, которая в них про¬
является, формами, которые они принимают, широтой или узо¬
стью, содержанием деятельности, в которой они реализуются.
Сложные виды деятельности, как правило, отвечают не одному,
а нескольким одновременно действующим и взаимозаменяющим
мотивам. образуется, как говорят, система мотивации действий
и поступков.
Принято выделять побудительные и смыслообразующие
мотивы. Первые являются основанием целенаправленных дей¬
ствий, а вторые переводят общественно фиксированные значе¬
ния ценностей на личностный уровень.
Мотивы бывают также осознанными и неосознанными.
Следует отметить, что они взаимосвязаны и обусловлены об¬
щественно-историческими условиями развития личности. Ве¬
дущая роль в мотивации поведения принадлежит осознанным
побуждениям.
особую группу неосознанных побуждений тех или иных по¬
ступков человека составляют установки. Установка — внутренняя
197
Глава 3. Моделирование сложных систем
предрасположенность реагировать определенным образом
на тот или иной объект действительности или ситуацию, побу¬
ждая человека ориентировать свою деятельность в определен¬
ном направлении.
Когда анализируется деятельность личности в социуме,
важным является знание и учет социальной установки — пред¬
расположенности индивида или группы определенным образом
реагировать на те или иные явления социальной действительно¬
сти. Это относительно устойчивая во времени система взглядов,
представлений об объекте или событиях, совокупность связан¬
ных с ними эмоциональных состояний, предрасполагающих
к определенным действиям.
Социальная установка — сложное психологическое обра¬
зование, имеющее в своей структуре три компонента: когни¬
тивный, эмоциональный и поведенческий. Когнитивный ком¬
понент составляет знания об объекте, оценочные суждения
и убеждения. Эмоциональный компонент включает систему
чувств, связанных у человека с соответствующим объектом или
событием. Поведенческий компонент — это расположенность
к реальным, положительным или отрицательным, действиям
в отношении объекта. Каждый из этих компонентов может быть
измерен независимо от остальных при помощи специальных из¬
мерительных шкал, опросников и оценен в результате наблюде¬
ния за действиями человека в определенной ситуации.
Известный американский психолог А. Маслоу сформулиро¬
вал позитивную теорию мотивации, при построении которой
были учтены эмпирические данные, полученные как клиниче¬
ским, так и экспериментальным путем. В рамках своей теории
Маслоу выделил пять базовых потребностей: 1) физиологиче¬
ские; 2) безопасности; 3) в принадлежности и любви; 4) в при¬
знании; 5) в самоактуализации (реализации потенциала).
Кроме того в этой теории выделяются еще две потребно¬
сти, фундаментальные: потребность познания и понимания,
а также эстетические потребности. Для становления мотива¬
ции к обучению у учащихся необходимо удовлетворение всех
потребностей. При отсутствии одного из параметров выстро¬
енной Маслоу пирамиды сложно решить вопрос мотивации.
Хотелось бы остановиться на конкретных примерах педа¬
гогической практики, когда центральным объектом является
198
3.8. Миры реальные и виртуальные
мотивация. По теории профессора Ю. Б. Гиппенрейтер, суще¬
ствует несколько механизмов становления мотивации.
Механизм «сдвига мотива на цель». Процесс кристаллиза¬
ции можно представить себе как процесс выпадения положи¬
тельных эмоций на предмет или цель деятельности. Если процесс
накопления положительных эмоций вокруг данного предмета
идет достаточно интенсивно, то наступает момент, когда он
(этот предмет) превращается в мотив. Превращение цели в мо¬
тив может произойти, только если накапливаются положитель¬
ные эмоции. Например, хорошо известно, что одними наказа¬
ниями и принуждениями любовь или интерес к делу привить
невозможно. Предмет не может стать мотивом по заказу даже
при очень большом желании. он должен пройти длительный пе¬
риод аккумуляции положительных эмоций. Эмоции выступают
в роли своеобразных связей, которые соединяют данный пред¬
мет с системой существующих мотивов, пока новый созданный
мотив не войдет в эту систему. При этом важно разобраться в ме¬
ханизмах воздействия на мотивацию.
Эмоциональный механизм. Воспитание личности приносит
плоды только в том случае, если оно проходит в правильном эмо¬
циональном тоне. Учителю удается сочетать требовательность
и доброту. Это правило давно интуитивно найдено в педагоги¬
ческой практике.
Ребенок хочет общаться с воспитателем, у него нет непо¬
средственных побуждений к обучению, однако воспитатель
доброжелательно и настойчиво требует. Эти требования ос¬
вещены личностным смыслом, так как связаны с предметом его
потребности — контактом с воспитателем. Это положитель¬
ный смысл, так как общение с воспитателем — радость. Ребе¬
нок идет на контакт, чтобы продолжать испытывать радость.
На первых порах он выполняет требуемые действия ради об¬
щения с воспитателем. Со временем на это действие проециру¬
ется все большее количество положительных переживаний, что
в конце концов приводит к созданию самостоятельной побу¬
дительной силы. В результате тот предмет, который длительно
и стойко насыщался положительными эмоциями, превращает¬
ся в самостоятельный мотив. Цель приобрела статус мотива.
Если общение со взрослым идет плохо, безрадостно, то весь
механизм не работает, новые мотивы у ребенка не возникают.
199
Глава 3. Моделирование сложных систем
Рассмотренный механизм действует на всех этапах развития
личности. Только с возрастом меняются и усложняются глав¬
ные мотивы общения. Специальные исследования показыва¬
ют, что каждому этапу расширения контактов предшествует,
а затем его сопровождает мотив принятия другими, признание
и утверждение в соответствующей социальной группе. Соци¬
альные мотивы порождают новые мотивы, профессиональные,
а затем и идеальные.
Механизм идентификации. Не все передается ребенку в фор¬
ме направленных воспитательных воздействий, большая роль
в передаче личностного опыта принадлежит косвенным влия¬
ниям через подражание. Соответствующий механизм получил
название механизма идентификации. В раннем возрасте дети
подражают родителям, этот процесс происходит независимо
от сознания ребенка. На более поздних возрастных стадиях рас¬
ширяется круг лиц, из которых выбирается образец, объект иден¬
тификации: предводитель компании, учитель, знакомый взрос¬
лый, литературный герой, известный современник. Наблюдения
и специальные исследования показывают, что принятие личност¬
ного эталона выполняет чрезвычайно важную психологическую
функцию. Большое значение в этом имеет ролевая игра. обна¬
ружено, что дети, которые в дошкольном возрасте мало играли
в ролевые игры и тем самым мало воспроизводили поведение
взрослых, хуже адаптируются к социальным условиям.
о субъективной важности авторитета подражания говорит
тот факт, что его утрата или разочарование в нем сопровожда¬
ются острыми переживаниями. В спокойных случаях рано или
поздно наступает момент, когда образец теряет для личности
свою притягательность и субъективную значимость. Это вполне
естественно: развивающаяся личность восприняла от образца
нечто очень важное и нужное, но у нее свой путь.
Механизм принятия и освоение социальных ролей отлича¬
ется от предыдущего большей обобщенностью и отсутствием
персонализации осваиваемого эталона. В психологии его рас¬
крывают с помощью понятий «социальная позиция» и «соци¬
альная роль». Социальная позиция — функциональное место,
которое может занять человек по отношению к другим людям,
которое характеризуется совокупностью прав и обязанностей.
оба понятия позволяют структурно расчленить социальную
200
3.8. Миры реальные и виртуальные
среду и описать нормативную систему действий. Набор соци¬
альных позиций и ролей очень широк и разнообразен. В ходе
освоения и выполнения ролей появляются новые мотивы.
Способ преподнесения материала, атмосфера, звуковое
и визуальное сопровождение, визуализация персонажа — пер¬
сонального ассистента или преподавателя, инсценировки неко¬
торых событий должны быть адаптированы под конкретного
обучаемого, под образ, представляемый обучающей системой.
При диагностике мотивации успеха и мотивации боязни не¬
удачи оптимальным методом оказывается наблюдение за поведе¬
нием и деятельностью ученика в различных жизненных и учебных
ситуациях. В арсенале современной психодиагностики имеется
множество специальных методик, позволяющих диагностиро¬
вать рассматриваемые типы мотивации личности. Разработка
качественных методик в целом представляет собой весьма слож¬
ную задачу. Мотивы деятельности и поведения составляют зону,
сознательно или подсознательно оберегаемую самой личностью
от постороннего проникновения. Поэтому мотивационная сфера
личности обычно изучается с помощью сложных методик проек¬
тивного типа. Наряду с проективными методиками для измерения
мотиваций применяются и другие — тестовые опросники: опро¬
сник ТМД А. Мехрабина (в том числе, в модификации М. Ш. Ма-
гомед-Эминова), опросник МУН А. Реана.
При разработке обучающей системы следует создавать не¬
обходимые условия для развития мотивации к обучению у уча¬
щихся: доступный способ преподнесения материала, положи¬
тельную психологическую атмосферу, комфортное звуковое
и интригующее визуальное сопровождение, визуализацию пер¬
сонажа, достойного подражания, ассистента или преподавателя,
инсценировки некоторых событий.
3.8.2. Открытое образование
открытое образование (оо) — система организационных,
педагогических и информационных технологий, в которой архи¬
тектурными и структурными решениями обеспечиваются от¬
крытые стандарты на интерфейсы, форматы и протоколы обмена
информацией в целях обеспечения мобильности, стабильности,
201
Глава 3. Моделирование сложных систем
эффективности и других положительных качеств, достигаемых
при создании открытых систем.
открытая модель образования — результат исторического
эволюционного пути развития и становления информационной
цивилизации как неотъемлемой ее части, не зависит от политики
государства в области образования.
Цель оо — подготовка обучаемых к полноценному и эф¬
фективному участию в общественной и профессиональной об¬
ластях в условиях информационного общества.
Принципы и особенности ОО:
- бесконкурсное поступление в высшее учебное заведение;
- открытое планирование обучения — свобода составления
индивидуальной программы обучения путем выбора из си¬
стемы курсов;
- свобода выбора времени и темпа обучения — прием студен¬
тов в вуз в течение всего года, отсутствие фиксированных
сроков обучения;
- свобода в выборе места обучения — студенты могут физиче¬
ски отсутствовать в учебных аудиториях основную часть учеб¬
ного времени, могут самостоятельно выбирать, где обучаться;
- переход от принципа «образование на всю жизнь» к принципу
- «образование через всю жизнь»;
- переход от движения обучающегося к знаниям к обратному
процессу — знания доставляются человеку;
- использование специализированных технологий и средств
обучения: применение компьютеров, сетевых средств, муль¬
тимедиа-технологий, специализированного ПО для подго¬
товки учебных курсов и обучения студентов;
- тестовый контроль качества знаний — использование тесто¬
вых систем на базе компьютерных технологий;
- экономическая эффективность — улучшение соотношения
достигнутого результата к затратам времени, денег и других
ресурсов на его достижение по сравнению с традиционны¬
ми формами обучения;
- параллельность — возможность обучения при совмещении
с основной профессиональной деятельностью;
- асинхронность — обучение по удобному для каждого обу¬
чаемого расписанию;
202
3.8. Миры реальные и виртуальные
- новая роль преподавателя — возложение на него функции
координирования познавательного процесса, корректи¬
ровки содержания дисциплины, консультирования при со¬
ставлении индивидуального учебного плана, руководства
учебными проектами с помощью компьютерных и сетевых
технологий;
- новая роль обучающегося — повышение требований по са¬
моорганизации, мотивированности, навыкам самостоятель¬
ной работы и трудолюбию;
- интернациональность — возможность экспорта и импорта
образовательных услуг.
Свободное развитие индивидуальности — основополагаю¬
щий фактор 00. Классическая модель образования предпола¬
гает жесткие нормы, унифицирующие человеческую индивиду¬
альность.
Система 00 функционально включает следующие подси¬
стемы:
- управление учебным процессом;
- административно-управленческую;
- техническую;
- кадровую;
- финансовую;
- маркетинговую;
- правовую;
- информационную;
- научную.
Виды обеспечения системы ОО:
- программное — операционные системы, сетевые системные
программы, прикладные инструментальные среды;
- техническое — компьютерное и сетевое оборудование, не¬
обходимое для реализации 00;
- информационное — конспекты лекций, учебники, пособия
и другие методические материалы на бумажных и электрон¬
ных носителях, справочники, различные БД по методиче¬
ским материалам, оперативным данным, кадрам;
- методическое — тесты, методики, рекомендации по техно¬
логии обучения с учетом дидактических и психологических
аспектов;
203
Глава 3. Моделирование сложных систем
- организационное — возможные формы организации учеб¬
ного процесса 00, требования к учебным заведениям, осу¬
ществляющим 00;
- нормативно-правовое — нормы и правила, документы Ми¬
нистерства образования и науки РФ и внутренние норматив¬
ные документы организаций, осуществляющих оо, регла¬
ментирующие подготовку и проведение учебного процесса
на основе технологии 00;
- лингвистическое — набор языковых средств для общения
преподавателей, студентов и управленческого состава с про¬
граммными средствами 0 0.
В процессе 00 могут быть использованы печатные и элек¬
тронные учебные пособия, компьютерные обучающие системы
в мультимедийном варианте; аудио- и видео-учебно-информа-
ционные материалы; лабораторные дистанционные практи¬
кумы; тренажеры; БД и знаний с удаленным доступом; элек¬
тронные библиотеки с удаленным доступом; дидактические
материалы на основе экспертных обучающих геоинформаци¬
онных систем.
3.8.3. Дистанционное обучение
Дистанционное обучение (Д0), которое называют техно¬
логией обучения XXI века, базируется на открытых компьютер¬
ных обучающих программах, современных информационных
технологиях и обеспечивает качество подготовки специалистов
вследствие высокого уровня мотивации каждой составляющей.
В настоящее время эта форма обучения очень активно разви¬
вается в Европе и России (свыше 100 вузов ведет подготовку
специалистов по этой технологии). 0дной из главных задач раз¬
вития Д0 является кадровое обеспечение.
0снову образовательного процесса при Д0 составляет целе¬
направленная и контролируемая интенсивная самостоятельная
работа обучаемого, который может учиться в удобном для себя
месте, по индивидуальному расписанию, имея при себе комплект
специальных средств обучения и согласованную возможность
контакта с преподавателем.
204
3.8. Миры реальные и виртуальные
Характерной особенностью ДО является наличие препо-
давателей-методистов, ответственных за разработку учебных
курсов, и тьюторов, непосредственно отвечающих за процесс
обучения. Естественно, что система подготовки их к работе в об¬
ласти До различна.
Эсновная задача преподавателя-методиста, специалиста вы¬
сокой квалификации в своей области — создание образователь¬
ной среды в Интернете и необходимых методических материа¬
лов к ней. Для решения этой задачи преподаватель должен уметь
разрабатывать сценарий компьютерной обучающей программы,
создавать свою технологию До, активно работать в Интернете
и знать координаты серверов, на которых размещена информа¬
ция по данной дисциплине, поддерживать контакты со своими
коллегами.
Тьюторы выполняют основные функции в ДО:
- преподавателя (проведение вводного и заключительного
занятий, семинаров, обеспечение правильного и эффектив¬
ного использования учебно-методического сопровождения
курса, оказание помощи слушателям в их профессиональном
самоопределении);
- консультанта (координация познавательного процесса слу¬
шателей, проведение групповых и индивидуальных кон¬
сультаций слушателей по различным вопросам изучаемого
курса);
- менеджера (набор и формирование групп слушателей, со¬
ставление графика учебного процесса, управление прове¬
дением групповых занятий, контроль выполнения слушате¬
лями графика учебного процесса).
Ранее ДО означало заочное обучение. Сейчас это средство
обучения, использующее кейс-, ТВ- и сетевые технологии обу¬
чения, далее будем называть его системой дистанционного об¬
учения (СДО):
- кейс-технологии основаны на комплектовании наборов
(кейсов) текстовых учебно-методических материалов и рас¬
сылке их обучающимся для самостоятельного изучения
(с консультациями у преподавателей-консультантов в реги¬
ональных центрах (РЦ));
- ТВ-технологии базируются на использовании эфирных, ка¬
бельных и космических систем телевидения;
205
Глава 3. Моделирование сложных систем
- сетевые технологии базируются на использовании Интер¬
нета как для обеспечения студентов учебно-методическим
материалом так и для интерактивного взаимодействия меж¬
ду преподавателями и обучаемыми.
3.8.4. Виртуальные образовательные
среды
Виртуальные образовательные среды (ВоС) первого поко¬
ления стали появляться сразу после появления WWW в 1992 г.
они позволили спроектировать, разработать и использовать
первые достаточно простые сетевые или онлайн-курсы. Эти
системы, как правило, представляли собой некоторый набор
разрозненных компонентов, каждый из которых выполнял ту
или иную отдельно взятую функцию. Типовыми компонентами
и средствами ВоС первого поколения являются ( М. Б. Игнать¬
ев, В. В. Королев, А. Кроль «Виртуальные образовательные сре-
ды/Педагогическая информатика, №2, 2004, С. 73-81) :
- электронная почта и программы автоматической рассылки
сообщений;
- статические web-страницы;
- web-браузеры;
- средства для проведения конференций и обмена текстовыми
сообщениями;
- средства структурированного хранения онлайн-файлов раз¬
личного назначения;
- средства для проведения примитивных аудио- и видеокон¬
ференций.
Существенным недостатком ВОС первого поколения явля¬
ется отсутствие какой-либо интеграции и взаимодействия меж¬
ду их отдельными компонентами. В связи с этим онлайн курсы,
которые были созданы с использованием этих систем, по сути
дела представляли собой несколько модернизированную форму
традиционного обучения по переписке, но не принципиально
новую технологию обучения на основе Интернета.
Примерно с конца 1996 года на рынке программных продук¬
тов стали появляться ВОС второго поколения, которые в насто¬
ящее время представляют собой мощные средства по созданию
206
3.8. Миры реальные и виртуальные
онлайн-курсов и их изучению. Они предоставляют разработчи¬
кам и пользователям (обучаемым) онлайн-курсов многочислен¬
ные функции, которые, в общем случае, можно разделить на не¬
сколько категорий:
- планирования и администрирования;
- поддержки создания учебных материалов и учебных заданий;
- тестирования и оценки знаний студентов или слушателей;
- коммуникаций и пр.
Принцип построения ВОС второго поколения базируется
на автоматической генерации сервером активных web-страниц
в соответствии с информацией, заложенной в БД о пользова¬
телях. Такой подход позволяет настраивать подобные системы
в предельном варианте на каждого конкретного пользователя.
При всех достоинствах ВОС второго поколения обладают
и рядом недостатков, связанных с неполным использованием
коммуникационных и мультимедийных технологий, технологий
совместной разработки проектов на базе Интернета и средств
интеллектуализации и визуализации процесса обучения и пре¬
подавания.
Отличительной особенностью ВОС третьего поколения яв¬
ляется самое активное применение компьютерных аудио- и ви¬
деоконференций или интернет-телефонии различных типов,
одновременная работа группы студентов над единым проектом
или документом, распределенным в Интернете.
Основным лейтмотивом виртуальных образовательных си¬
стем нового, четвертого, поколения является:
- интеллектуализация;
- адаптация учебного плана к запросам конкретного пользо¬
вателя;
- ориентирование на новую парадигму образования, в центре
которой стоит обучаемый и глобальные образовательные ре¬
сурсы;
- новизна в преподавании и обучении, основанная на возмож¬
ностях Интернета.
В настоящее время уже существует ряд технологий, на базе
которых предполагается строить ВОС четвертого поколения,
причем технология мультиагентов является одним из самых пер¬
спективных для этого средств.
207
Глава 3. Моделирование сложных систем
3.8.5. Интеллектуальные
и программные агенты
Программный агент.
Доминирующим при построении новых ВОС является
использование теории искусственного интеллекта и, в част¬
ности, тех ее разделов, которые ориентированы на решение
задач совместного обучения в распределенной компьютерной
среде.
Наиболее признанное определение термина программный
агент — это программная система, обладающая по крайней мере
четырьмя базовыми свойствами:
- автономностью: агенты функционируют без прямого вме¬
шательства пользователей или программ и обладают опре¬
деленной способностью контролировать свои действия;
- способностью общения: агенты взаимодействуют с другими
агентами (и, возможно, пользователями или программами)
посредством какого-либо языка коммуникаций;
- реактивностью: агенты обладают способностью восприни¬
мать среду (которая может быть физическим миром, поль¬
зователем, использующим графический интерфейс, коллек¬
цией других агентов, сетью Интернет или, возможно, всем
вместе взятым) и адекватно реагировать в определенных
временных рамках на происходящие события;
- активностью: агенты не просто реагируют на изменения
среды, но и обладают целенаправленным поведением и спо¬
собностью проявлять инициативу.
С точки зрения распределенных вычислений, агент — это
самостоятельный процесс, выполняемый параллельно, имею¬
щий определенное состояние и способный взаимодействовать
с другими агентами при помощи сообщений. Каждый агент
имеет возможность создания копий самого себя с полной или
ограниченной функциональностью, обеспечивая возможность
настройки на среду путем исключения неэффективных методов
или свойств и замены их новыми более эффективными методами
и свойствами. Агент имеет возможность постоянно изменять
сценарии поведения без изменения этого сценария в родитель¬
ском классе.
208
3.8. Миры реальные и виртуальные
Интеллектуальный агент.
Это компьютерная система, которая в дополнение к базовым
свойствам либо сформулирована, либо реализована с использова¬
нием концепций, свойственных человеку. Например, в теории ис¬
кусственного интеллекта понятие агента часто связывают с таки¬
ми понятиями, как знания, убеждения, намерения, обязательства.
Агент рассматривается как вычислительный процесс со зна¬
ниями относительно ограниченной части предметной области,
способный достигать своих целей, взаимодействуя с другими
агентами и пользователями.
Мультиагентная система.
Под мультиагентной системой (МАС) будем понимать
многокомпонентную систему, состоящую из разнообразных
агентов со специфицированным интерфейсом. Вместо больших
программ с простыми средствами коммуникации между ком¬
понентами в настоящее время все большее развитие получают
системы, состоящие из простых стандартных интеллектуальных
компонентов (агентов).
Для обеспечения хода обучения в специализированной об¬
разовательной МАС должны быть следующие виды агентов:
- агенты-координаторы распределения, функции которых со¬
стоят в распределении хода учебного процесса. Эти агенты
должны быть целесогласующими или социоморфными;
- агент интерактивного взаимодействия, в задачи которого
входит обеспечение взаимодействия агента-координатора
распределения, агента-координатора рейтинга, преподавате¬
ля и ученика. Он должен быть реактивным или биоморфным
агентом;
- агенты обучения, каждый из которых в свою очередь может
быть субкоординатором по определенной учебной дисцип¬
лине или группе дисциплин;
- агенты тестирования, задачи которых состоят в определении
уровня знаний обучаемого;
- агенты-координаторы рейтинга, которые отслеживают резуль¬
таты тестирования, поступающие от агентов тестирования.
В процессе обучения возникает две задачи: обеспечение
учебного процесса и оптимизация. Первая из них формулиру¬
ется следующим образом. Дано множество предоставляемых
209
Глава 3. Моделирование сложных систем
системой 00 услуг и задача, которая должна быть решена. Не¬
обходимо определить, может ли задача быть решена доступны¬
ми в настоящее время средствами. При положительном ответе
система должна перейти ко второму этапу — определению оп¬
тимальной структуры для решения задачи.
Например, в процессе тестирования студента определяется
его психо-физиологический тип: визуал, вербал, аудиал, в соот¬
ветствии с которым материалы курса обучения представляются
или в виде гипертекста, или в виде активных графических схем,
или в виде аудиофайлов. Дополнительно предусматривается
возможность изменения скорости представления материалов,
например определений, в автоматическом режиме в зависимости
от индивидуальных настроек.
При описанной структуре возникает проблема адаптации
структуры МАС для решения задачи обучения конкретного уче¬
ника и ее оптимизация по суммарной стоимости и суммарному
времени, затрачиваемым на связь между учителем и учеником.
Кооперативное взаимодействие агентов должно быть динами¬
ческим и способным к адаптации в зависимости от текущей
обстановки. одному обучаемому на усвоение материала могут
потребоваться минуты, а для другого необходим период дли¬
тельного обучения. Для решения задачи оптимизации можно
использовать алгоритмы эволюционного моделирования.
В настоящее время прототипы программных и интеллекту¬
альных агентов уже достаточно широко используются в В0С,
в которых они могут играть роль виртуальных:
- учителей;
- студентов или компаньонов по обучению;
- персональных ассистентов, помогающих студентам в обу¬
чении;
- администратора, помогающего в области администрирова¬
ния и планирования действий обучаемого.
Персональные ассистенты.
Персональные ассистенты (ПА) представляют собой осо¬
бый класс интеллектуальных агентов, которые функционируют
полуавтономно от пользователя и от его имени, представляя его
интересы или услуги от имени пользователя другим ассистентам.
Агенты-ассистенты помогают обучаемым в процессе изучения
210
3.8. Миры реальные и виртуальные
учебного материала, обеспечивая персонализацию настройки
среды в соответствии с профилем обучаемого.
Функции ПА:
- агент новостей обеспечивает поддержку системы новостей
и асинхронного обмена сообщениями между преподавате¬
лями и студентами, а также запись всех сообщений, относя¬
щихся к данному пользователю, в его «записную книжку»,
реализованную в виде отдельного приложения на компью¬
тере-клиенте;
- агент составления расписаний обеспечивает согласование
персональных действий пользователя с синхронными меро¬
приятиями в обучающей среде на основе «записной книж¬
ки», для чего координирует свою деятельность с агентами
других пользователей;
- агент поиска на web использует нечеткий вероятностный
подход для сортировки и фильтрации web-страниц, найден¬
ных традиционными поисковыми серверами для дополне¬
ния дидактического материала или выполнения курсовых
заданий.
Персональные ассистенты с анимационным и речевым интер¬
фейсом
С помощью ЭИ-интерфейса началось активное освоение
заэкранного пространства — стали создаваться виртуальные
образовательные миры. В этих мирах поселились, как раньше
в компьютерных играх, интерфейсные агенты в виде говорящих
трехмерных персонажей. Интерфейсных агентов, действующих
в образовательных программных средах, называют педагогиче¬
скими агентами.
Исследования показали, что взаимодействие обучаемых
с интерфейсными агентами увеличивает мотивацию, активизи¬
рует восприятие информации и укрепляет доверие к получае¬
мым сообщениям, а это все в совокупности, в свою очередь, по¬
вышает эффективность образовательных программных средств.
Существенным является то, что анимированные педагогические
агенты делают возможным более точно моделировать те виды
диалогов и взаимодействий, которые реально происходят в тече¬
ние процесса обучения при общении учителя с учениками.
211
Глава 3. Моделирование сложных систем
Некоторые агенты персональной помощи обеспечивают
интерфейс между пользователем-студентом и компьютером по¬
средством анимированного символа, который может непосред¬
ственно управляться пользователем. Этот тип агента обычно
известен как агент интерфейса. Агент интерфейса — это любая
программа, которая может рассматриваться пользователем как
инструмент реализации обычного интерфейса прямой манипу¬
ляции.
В современных прототипах ВоС третьего поколения ис¬
пользуются два типа анимированных агентов: «говорящая го¬
лова» и мультипликационный образ. особенностью програм¬
мирования агентов в современных ВоС является возможность
их настройки на конкретного пользователя и контекст обуче¬
ния, другими словами, организации персонализированного
обучения.
Система поиска и фильтрации информации
одной из ключевых проблем при построении современных
ВоС является обеспечение возможности поиска в Интернете
и предоставление обучаемому дополнительной информации,
не содержащейся в дидактическом материале курса. Существу¬
ющие системы поиска и фильтрации информации, расположен¬
ные в Интернете, как правило, являются низкоэффективными,
поскольку генерируют высокий процент лишней иррелевантной
информации. Предлагаемый подход к решению этой проблемы
состоит в построении МАС поиска и фильтрации информации.
основная идея данного подхода заключается в разработке аген¬
та, помогающего пользователю отобрать наиболее полезные
web- страницы, полученные традиционными поисковыми сред¬
ствами. Для каждой web-страницы пользователь будет иметь
восприятие, которое указывает определенный уровень приня¬
тия данной страницы относительно нечеткого свидетельства,
сформированного на основе заголовка или резюме страницы.
В настоящее время разработаны подобные классификаторы,
построенные на основе теоремы Байеса.
Агенты виртуальной среды
Агенты этого типа являются резидентными для «вир¬
туального класса» и поддерживают действия, связанные
212
3.8. Миры реальные и виртуальные
с преподавательской деятельностью и процессом обучения.
В отличие от агентов персональной помощи эти агенты запу¬
скаются на сервере и не персонализированы под конкретного
пользователя.
Агент «виртуальный компаньон»
Этот агент является разновидностью так называемых диа¬
логовых агентов, известных также как chatterbots. Идея исполь¬
зовать chatterbots заключается в попытке создания интерфейса
на естественном языке между обучаемым и ВОС, что в целом
является открытой проблемой в искусственном интеллекте. Су¬
ществуют различные подходы:
- подключение внешней б азы знаний и механизма логического
вывода;
- поиск по ключевым словам;
- использование специальных моделей для ведения диалога.
Для применения подобных моделей необходимо обеспе¬
чить агента знанием контекста диалога, что достигается путем
использования сети диалоговых переходов в рамках решения
специфической проблемы.
Модели агентов «виртуальных компаньонов» строятся
на основе BDI-архитектуры. Агенты «виртуальные компаньо¬
ны» могут отличаться как по уровню экспертизы (знаний), так
и по роли, которую они играют в группе. Например, «сильные»
компаньоны могут принимать на себя роль лидеров в виртуаль¬
ной группе обучаемых, развивая и объясняя решение проблемы;
«слабый» компаньон может быть использован, чтобы стимули¬
ровать и поощрять обучаемых в ВОС.
Агент мониторинга группы
Каждая виртуальная группа имеет связанного с ней агента
мониторинга группы. Он поддерживает разделяемую модель
знаний группы и сравнивает ее состояние с текущим состоя¬
нием решения проблемы, которое содержит цели, концепции,
действия и т. д. Это состояние характеризует группу. Группа
имеет различные сценарии работы, каждый из которых харак¬
теризуется своей целью, общей для всех членов группы. Эта цель
соответствует концепции разделяемых намерений.
213
Глава 3. Моделирование сложных систем
Агент-планировщик
Этот агент предлагает студенту индивидуальный план со¬
гласно его академическому, интересам, текущей успеваемости,
способностям и, в случае необходимости, имеет возможность
изменить программу обучения. На следующем этапе ВоС гене¬
рирует персонифицированные книги (мультикниги), связывая
отобранные модули дидактического материала с траекторией
обучения студента для каждой области знаний. По такому же
принципу могут быть организованы группы виртуальных сту¬
дентов со схожими интересами (траекториями) для организа¬
ции электронных дискуссий. Процесс обучения планируется
в соответствии с желаемым временным графиком обучения.
Существующие ограничения
ограничения могут быть разделены на две категории: ло¬
кальные и глобальные. Глобальные — это обычно временные
ограничения, например время, имеющееся в распоряжении
студента, чтобы изучить материал по тому или иному курсу. Ло¬
кальные ограничения могут включать: число студентов, одно¬
временно изучающих один и тот же материал; допустимое число
студентов в виртуальной группе; доступные технические ресур¬
сы и т. д. общий домен (область) имеет специальный тип огра¬
ничений — каждый фрагмент плана должен выполнить началь¬
ные условия студента. отдельный агент-планировщик не может
выбирать любой фрагмент плана, который удовлетворяет набору
локальных ограничений; выбранный фрагмент должен быть со¬
вместим с фрагментами плана, выбранными другими агентами.
Перспективные технологии
одной из ключевых проблем построения ВоС является про¬
блема разработки модулей электронного дидактического матери¬
ала (МДМ). Изначально одной из принципиальных черт МДМ
было широкое использование мультимедийных средств для обо¬
гащения форм представления знаний о предметной области, что
получило свое развитие в массовом производстве учебных ком¬
пакт-дисков. однако с появлением Интернета и программных
средств WWW первые web-ориентированные образовательные
среды практически отказались от использования всех наработок
214
3.8. Миры реальные и виртуальные
индустрии производства мультимедийных МДМ. Вдохновлен¬
ные доступностью учебных материалов, размещенных на web, их
разработчики стали помещать на свои web-страницы и насыщать
оболочки ВоС текстовыми (часто отсканированными) МДМ
с весьма ограниченным использованием графиков или анима¬
ции. Частично это было обусловлено также и высокой стоимо¬
стью разработки мультимедийных МДМ.
Со временем выявился целый ряд проблем использования
таких материалов, а именно:
- дидактический уровень текстовых МДМ оказался достаточ¬
но низким;
- учебные материалы были статическими; их настройка
на конкретного пользователя оказалась практически невоз¬
можной;
- использование материалов, разработанных в одной ВОС,
требовало значительных усилий по их конвентированию
и использованию в других ВОС.
Все это привело к тому, что в настоящее время основные
усилия по разработке технологий для МДМ сосредоточены
на разработке высококачественных МДМ многоразового ис¬
пользования, технология создания которых органически объе¬
динена с содержанием и методами его изучения, позволяющими
динамически и гибко встраивать их в ВОС нового поколения.
Технология порталов
Как отмечалось выше, концепция построения ВОС 1-го,
2-го и отчасти 3-го поколений базировалась на использовании
статических web-страниц. Однако в общем случае статические
web-страницы являются крайне неэффективными в смысле ско¬
рости поиска и фильтрации затребованной в Интернете инфор¬
мации.
К числу технологий, позволяющих устранить указанные
выше ограничения и способствующих интегрированному и вы¬
сокоэффективному использованию пользователями виртуаль¬
ных информационных источников Интернета, относится тех¬
нология порталов. Суть ее заключается:
- в интеграции в одном месте или единой точке доступа
в Интернет (другими словами, на пользовательском об¬
разовательном портале) всей необходимой информации
215
Глава 3. Моделирование сложных систем
из Интернета, имеющей отношение к процессу обучения
конкретного пользователя;
- персонализации пользовательской информации и защиты
пользователей и их действий в Интернете;
- настройки и адаптации информации, расположенной в Ин¬
тернете, для различных групп университетских пользова¬
телей;
- регулярном (каждый час, день, неделю и т. п.) автоматиче¬
ском обновлении информации на пользовательском обра¬
зовательном портале при изменении данного типа информа¬
ции на оригинальном источнике информации в Интернете.
Современные системы 00 стали частью университетского
образования. Использование интернет-технологий позволяет
обеспечить гибкость и комфортность обучения, лучшее вос¬
приятие учебного материала. Открытое образование дает воз¬
можность обучения по индивидуальной траектории. Дальней¬
шее развитие 00 сдерживается необходимостью формировать
адаптивную структуру обучения в зависимости от индивиду¬
альных особенностей обучаемого. Для обеспечения всех потен¬
циальных возможностей системы 00 необходимо развивать
методики интерактивного общения преподавателя и студента,
которые предполагают единство сред (методической, организа¬
ционной, информационной, программной, технической), систе¬
матизацию инфоресурсов, создание больших распределенных
баз знаний, а также построение стандартов (норм), облегчающих
поиск, обмен и распространение обучающих приложений с воз¬
можностью интерактивного общения.
0бщение является одним из основных компонентов про¬
цесса образования. Введение обратной связи в системы 00 по¬
зволяет обеспечить качественно новый этап развития 00. Воз¬
можности интерактивного общения помогает добиться большей
эффективности и рентабельности 00, высвободить ресурсы
на планирование и мониторинг, обеспечить гибкость, динамич¬
ность, распределенность и автономность среды 00.
Для решения этих проблем перспективным представляется
использование многоагентных систем (МАС). Многоагентные
системы являются одним из бурно развивающихся направлений
искусственного интеллекта. Их отличительной особенностью
216
3.8. Миры реальные и виртуальные
является переход от локализованного к распределенному ис¬
кусственному интеллекту. С точки зрения объектно-ориенти¬
рованного подхода агент представляет собой комплекс функций,
в совокупности с интерфейсом способный посылать ответы
и получать вопросы. Под интеллектуальным агентом понимают¬
ся физические или виртуальные элементы, способные действо¬
вать на любые другие элементы; стремиться к некоторым це¬
лям, общаться с другими агентами, накапливать и использовать
собственные ресурсы; воспринимать среду и ее части, строить
частичное представление среды; адаптироваться, самоорганизо-
вываться, саморегулироваться и саморазвиваться.
Исследования по искусственной жизни связаны с изучением
интеллектуального поведения агентов на принципах адаптации,
выживания, самоорганизации, построения децентрализованных
систем. Многоагентные системы широко используются при раз¬
работке автономных движущихся средств, роботов, в системах
защиты информации, в электронной коммерции. Многоагент¬
ная система включает в себя, помимо искусственных агентов
(программных модулей), преподавателя и студента, являясь, та¬
ким образом, человекомашинной системой.
3.8.6. Технологии виртуальных миров
в театре
Артоника — исследование и использование структур искус¬
ства в технике, моделировании и программировании.
Искусство владения естественным языком, литература, жи¬
вопись, скульптура, архитектура, рендеринг, пантомима, балет,
театр, кино, музыка способны передавать сложные впечатления
и чувства и воздействовать на человека. Современная машинная
графика, анимация, компьютерные игры, компьютерная музыка
являются прямым порождением артоники .
Термин «артоника» (по аналогии с бионикой) был введен
профессорами Б. Ф. Егоровым, М. Б. Игнатьевым и Ю. М. Лот¬
маном в начале 70-х гг. ХХ века. Бионика оформилась как науч¬
ное направление в начале 50-х, но надежды на получение новых
результатов в информационных технологиях на основе биони¬
ки до сих пор не оправдались — слишком большим оказался
217
Глава 3. Моделирование сложных систем
технологический разрыв между реальными биологическими
структурами и техническими системами. Только сейчас, когда
продвинулось изучение живой клетки, генной структуры, меха¬
низмов эволюции, биохимии, когда возникли нанотехнологии,
появились реальные надежды на внедрение бионических струк¬
тур.
Артоника имеет дело с человекоразмерными системами, с изу¬
чением театра, литературы, архитектуры, искусства на предмет
использования уже сложившихся в этой сфере принципов, при¬
емов и методов в компьютерных информационных технологиях.
ЭВМ были созданы в конце 40-х гг. ХХ в., с тех пор параме¬
тры вычислительных машин увеличились более чем в миллион
раз: выросло быстродействие, объемы памяти, искусство про¬
граммирования, уменьшились габариты и энергопотребление,
уменьшилась стоимость — компьютер стал самой распростра¬
ненной машиной. Доля чисто вычислительных задач сократилась
до 10%, основное место занимают задачи машинной графики,
генерации и обработки изображений, генерации и обработки
звуков и текстов, что позволяет разрабатывать целостные вирту¬
альные миры. В настоящее время островки автоматизации и ком¬
пьютеризации начинают объединяться в виртуальные миры.
Но виртуальные миры были и остаются главным предметом
искусства. Каждое литературное произведение — это виртуаль¬
ный мир со своими героями, вербальным описанием обстановки
и событий, где читатель с помощью своего воображения воссоз¬
дает целостный виртуальный мир.
В театре зрителю помогают воссоздать этот виртуальный
мир с помощью декораций, музыки, игры актеров. В кино для
этой цели задействованы еще более мощные средства — дви¬
жущиеся изображения.
Появление трехмерной компьютерной графики позволяет
создавать близкие к реальности интерактивные виртуальные
миры, населенные аватарами.
Таким образом, появление артоники логично связано с раз¬
витием компьютерных технологий. Целесообразно использовать
накопленный многовековый опыт искусства при создании вирту¬
альных миров для глубокого погружения в них человека с целью
найти наиболее эффективные решения в самых различных сфе¬
рах деятельности — в образовании, обороне, здравоохранении,
218
3.8. Миры реальные и виртуальные
на производстве, в науке, сфере финансов, развлечений и на¬
слаждений. Технологии виртуальных миров возникли как синтез
новых информационных технологий и искусства. В настоящее
время они начинают активно использоваться и в кино, и в теа¬
тре, и на телевидении, при этом важно соблюсти меру, чтобы
не потерять суть театра.
Постановщики спектаклей — режиссер и художник — пре¬
жде всего люди творческие, с ярким воображением, и каждый
раз создавая новый спектакль, они придумывают новый, уни¬
кальный мир, закономерности которого отражают происхо¬
дящее на сцене. Каждый человек в зрительном зале способен
«увидеть» или «прочувствовать» этот мир-образ спектакля
в найденном «уникальном» решении постановщиков. Мож¬
но сказать, что работа постановщиков по созданию спектакля
начинается с установления «единого языка» и определения
«основного конфликта» в пьесе. В музыкальном театре музыка
является для них «единой точкой опоры», а сюжет пьесы или
либретто — лишь «скелетом» будущего спектакля.
Создание метафоры — главная цель постановщиков. Если
образ, найденный сценографом, передан верными средствами,
а режиссерская экспликация максимально раскрывает драматур¬
гию музыкального спектакля, то степень эстетического и эмо¬
ционального воздействия спектакля на публику определяется
ее восторженными аплодисментами. (Возможно, аплодисменты,
как жест, играют особую роль. Ладонь человека способна пере¬
давать и принимать энергию, и ее «будят» для лучшего обмена
с энергетикой искусства.) Это самый драгоценный подарок для
театральных постановщиков и исполнителей — благодарность
зрителей, объединенных рукоплесканием. Но получить это еди¬
нение зрителя и театрального искусства возможно, лишь прило¬
жив огромное коллективное усилие всего творческого и произ¬
водственного состава, участвующего в постановочном процессе.
организацию всех этих процессов называют постановкой.
Конечно, реализация идей в театральном постановочном
процессе сильно ограничена архитектурой здания, его объе¬
мом и техническим оснащением сцены. Каждый раз режиссер
и художник начинают создавать свой мир в «одной и той же»
сценической коробке, что значительно усложняет появление ис¬
ключительной новизны в образном решении художественного
219
Глава 3. Моделирование сложных систем
оформления и ограничивает режиссуру в пространственном
композиционном решении.
Театр за всю свою историю от Древней Греции до наших
дней собрал множество конструкций стационарных и мо¬
бильных сценических площадок. История театра насчитывает
огромное количество школ и направлений театрального испол¬
нительского мастерства. В театральном искусстве, казалось бы,
все давно создано. Сегодня, с приходом в театральный процесс
технологий виртуальных миров, у постановщиков появляется
уникальная возможность расширить диапазон творческих воз¬
можностей. Художник свободен в выборе времени и простран¬
ства в своем воображаемом мире. Но чтобы человек мог жить
и работать в реальном мире, его виртуальный мир должен отра¬
жать существенные черты мира реального, иначе он бы не смог
ориентироваться в мире реальном, т. е. виртуальный мир должен
быть таким, чтобы в нем были представлены все существенные
элементы мира реального. Поэтому все идеи и образы, возника¬
ющие в процессе творческого поиска, необходимо адаптировать
в реальный, материальный мир «человеческого» театра. Театр
возник из культовой «соборности», и его сила в единении лю¬
дей, а доступность нового «виртуального продукта» может ли¬
шить нас самого понятия «театральность».
В свое время человек открыл огонь, и прошло немало вре¬
мени, прежде чем из агрессивной стихии поглощения и унич¬
тожения огонь перешел в категорию управляемого и мирного
союзника. Виртуальный мир необходим нам как помощник
в «общечеловеческой реальности». Моделируя «новые миры»
на основе культуры и искусства, мы обретаем новые возможно¬
сти знания.
Режиссер-постановщик, разрабатывая экспликацию замысла
будущего спектакля, записывает его в произвольной форме. Его
сочинение носит ярко выраженный индивидуальный характер
и является необходимым инструментом и одновременно резуль¬
татом начального этапа работы постановщика над спектаклем.
Экспликация может включать в себя заметки и размышления по
поводу пьесы; сведения о ее сценической истории; анализ — дей¬
ственный, лингвистический, сюжетный и т. п.; рисунки, чертежи,
наброски декораций, костюмов, гримов, мизансцен, характери¬
стики персонажей, определение стилистических и жанровых
220
3.8. Миры реальные и виртуальные
особенностей драматургии, стилей актерского исполнения;
разработку решения спектакля во времени и пространстве и др.
Работа в виртуальном интерактивном театре позволяет
предельно точно рассчитать «темпоритм» и «шагометр»,
геометрию планшета сцены. Вычерчивание планировки деко¬
раций — их расположения в виде сверху — по сути, является
первым этапом монтировки спектакля.
Создав базовую модель зрительного зала и сценической ко¬
робки, режиссер получает мгновенную возможность увидеть
актера и декорации с любой точки зрительного зала и опреде¬
лить границы их наилучшего взаимодействия. Модель планшета
конкретной сцены (сценической коробки) — это как шахматная
доска — режиссер передвигает по ней актеров-аватаров. Стан¬
дартные модели арок, станков, предметов мебели и бутафории
помогут в выборе композиционного решения мизансцен. Мо¬
делирование систем управления постановочным освещением
и комплексов механооборудования значительно упростит вы¬
бор необходимого оборудования для разработки нестандартных
электрифицированных элементов сценографии и специальных
эффектов. Решая творческие задачи создания образа роли, ре¬
жиссер буквально может «сыграть и спеть» за каждого персо¬
нажа, определить общую семантику сценического действа, раз¬
работать электронные декорации.
Либретто — литературный текст музыкального произведе¬
ния, является ее сюжетным каркасом, т. е. лишь общим, далеко
не точным представлением о будущем произведении. Это ско¬
рее отправной пункт, от которого композитор и режиссер могут
развивать действие в разном направлении, с разной скоростью.
Многое зависит от стиля и темперамента произведения. Работа
художника над образом спектакля начинается с момента опре¬
деления драматургической концепции и жанрового характера
музыкального произведения. основной темой в развитии образа
спектакля является определение конфликта. определение жан¬
ра, конфликта, времени, сверхзадачи и стиля постановки полно¬
стью зависит от музыкального материала (партитуры, клавира,
CD, аудиозаписи, истории создания).
Партитура — это зашифрованные в нотных знаках чувства
и действия героев. Это краски в небе, блеск звезд, направление
движения персонажей, динамика смены декораций. Все, что
221
Глава 3. Моделирование сложных систем
зашифровано в партитуре, может зазвучать, но чтобы увидеть со¬
бытия, написанные в партитуре, необходимо творческое вообра¬
жение. Важно, чтобы режиссер и художник внимательно изучили
партитуру, ее графику. Взаимосвязь музыкальных инструментов
и человеческих голосов требует четкого определения компози¬
ции каждой картины. Каждый такт можно измерить шагами ис¬
полнителей. Режиссер и художник определяют характер перемен
декораций и выход солистов и хора по партитуре.
Дирижер руководит этим процессом и принимает мгновен¬
ные решения исходя из голосовых возможностей исполнителей.
он контролирует и управляет оркестром, слышит всех и каж¬
дого в отдельности. Его язык — это разнохарактерный жест.
В музыкальном театре существуют специфические требования
к законам композиции. Декорация должна быть выстроена таким
образом, чтобы солисты не удалялись от зрителя далее третьего
плана сцены. На самом дальнем плане планшета сцены солисты
и хор всегда должны видеть дирижера, а публика, находящаяся
в противоположных сторонах зрительного зала и балкона, могла
бы видеть и солистов, и все декорации.
Художник-постановщик (сценограф) музыкального спекта¬
кля прежде всего слышит музыку и «видит» ее «внутренним
зрением». Возникающие образы, как бы «знаки», рождающие
ассоциативный ряд, соответствующий развитию музыкального
сюжета, рука мастера рисует «сама». Это фантастический про¬
цесс, во время которого художник находится в своих виртуаль¬
ных мирах и забывает о сиюминутной реальности. Свои образы
и ассоциации театральный художник переносит в материальную
среду сценической коробки и переводит в объем, форму, линию,
цвет, ритм и фактуру материальных предметов, взаимодействую¬
щих с человеком (актером). Свет в художественном оформлении
является дополнительной формой самостоятельного творчества.
Прослушивание музыкального произведения необходимо ху¬
дожнику для создания изобразительной метафоры образа спек¬
такля; цветового, эмоционального решения эскизов декораций
и характеров персонажей.
Большинство художников музыкального театра стремят¬
ся преодолеть внутреннюю статичность, издавна присущую
оперному искусству в целом и художественному оформлению
в частности. Поиск единого конструктивного (живописного,
222
3.8. Миры реальные и виртуальные
графического или иного) решения декорации — основная задача
художника-постановщика. Точность определения срока выпу¬
ска спектакля зависит от четкого планирования и управления
театральным проектом. Это позволяет определить художнику
соотношение желаемого и имеющихся средств.
В работе над музыкальным материалом, текстом пьесы ху¬
дожнику необходимо общение с драматургом, режиссером,
композитором, хореографом и др. В виртуальном театре мож¬
но бесконечно корректировать, выбирать, стирать, восстанав¬
ливать стертое, менять местами, вставлять новое, посылать
друг другу комментарии и разработку удачных мизансцен,
интерактивно взаимодействуя, находясь физически в разных
точках мира.
Язык метафоры — единственный общий язык режиссера
и художника. На место повествовательного оформления, рас¬
крывающего спектакль покартинно, приходят идеи декорации,
создающие единый образ всего произведения в целом, пласти¬
чески решающие его философскую и идейную концепцию. Су¬
щественную помощь в этом процессе оказывает умение поль¬
зоваться современной технологией компьютерной обработки
изобразительного, художественного материала.
Самый продуктивный период работы художника — в гра¬
фической технике, набросках, в конструктивных рисунках.
Постоянно происходящая внутренняя работа художника-по-
становщика над решением спектакля фиксируется небольшими
рисунками. Эти графические мысли компонуются, анализиру¬
ются, изменяются, чтобы в результате соединиться в замкнутую
цепочку картин — единое решение спектакля. В карандашных
набросках возникающие идеи можно развивать и трансформи¬
ровать до тех пор, пока точный анализ музыкальной драматур¬
гии оперы не совпадет с единым решением декораций. Монтаж
и раскадровка — один из основных элементов моделирования
спектакля.
Наиболее важным документом для решения сценического
пространства является планировка. Начало работы над разбо¬
ром партитуры напрямую связано с разработкой планировки
деталей оформления спектакля, направления движения актеров,
определения уровня и количества декораций на планшете, нали¬
чия пандуса, лестниц, станков и т. д. Планировка необходима при
223
Глава 3. Моделирование сложных систем
поиске конструктивного решения спектакля на планшете сцены,
контролирует и ограничивает частую смену решений на первом
этапе и впоследствии является основанием и подтверждением
художественного решения спектакля, точным измерительным
прибором для создания макета, а затем и самих декораций.
одной из основных особенностей оперно-балетных те¬
атров является наличие оркестровой ямы. Во многих совре¬
менных театрах площадка для оркестрантов является подъем¬
но-опускной: в поднятом положении она выходит на уровень
планшета сцены, что используется, например, для концертной
деятельности симфонического оркестра и для проведения
празднеств без его участия. Из-за значительного отдаления
зрителя от исполнителя из-за размера оркестровой ямы грим
в балете и опере делают более ярким, стараются избежать мел¬
ких деталей.
Виртуальный театр — это универсальный полигон для при¬
нятия верных решений. Как инструмент постановщика он значи¬
тельно сократит время создания спектакля, позволит улучшить
качество всех процессов и внедрить электронные декорации,
которые могут существенно расширить возможности поста¬
новщиков, снизить затраты на создание, хранение и транспор¬
тировку декораций.
Интересно рассмотреть различные театральные постанов¬
ки на предмет внедрения новых информационных технологий.
Поставленная в конце 2009 г. в Михайловском театре опера
«Русалка» А. Дворжака дает пищу для размышлений в этом на¬
правлении. Следует отметить, что сцена этого театра уже обо¬
рудована мощными мультимедийными проекторами и системой
экранов, которые в этой постановке используются не в полную
силу. На наш взгляд, следовало бы выдержать иерархию обра¬
зов в соответствии с либретто — сверху божественное, потом
человеческое, потом русалки, далее лешие и в самом низу — Ба¬
ба-Яга, олицетворяющая зло. В постановке же верхнюю позицию
занимает Баба-Яга, появляясь в странном отверстии выше всех,
и далее эта черная дыра довлеет надо всем. Большой экран следо¬
вало бы использовать более эффективно, разместив на нем обра¬
зы в соответствии с иерархией Дворжака. Рассматривая проект
постановки «Божественной комедии» Данте Алигьери в сопро¬
вождении музыки Вагнера, Берлиоза и Бетховена, опять-таки
224
3.8. Миры реальные и виртуальные
считаем, что необходимо использовать большой экран снизу
доверху, разместив изображения героев в соответствии с ие¬
рархией Данте, сами же играющие и поющие артисты могут
размещаться в специальных комнатах, оборудованных системой
аудиовизуальной трансляции.
Если говорить о компьютерной трехмерной анимации, то
апофеозом в этом направлении является кинофильм «Аватар»,
создание которого стоило $ 300 млн и продолжалось примерно
20 лет, зато создан эталон, на который все волей-неволей должны
равняться.
Лингво-комбинаторное моделирование может быть исполь¬
зовано для анализа и синтеза драматических произведений. В ка¬
честве ключевых слов можно взять перечень действующих лиц.
Например, в пьесе В.Альфьери «Брут» действующие лица —
Цезарь, Антоний, Цицерон, Брут, Кассий, Кимвр, Народ, Се¬
наторы, Заговорщики, Ликторы. Действие происходит в Риме
в храме Согласия. Таким образом, имеем 10 ключевых слов,
и лингвистическое уравнение этой пьесы будет
А1*Е1 + А2*Е2 + ... + А10*Е10 = 0
где А1 — характеристика Цезаря, Е1 — изменение этой харак¬
теристики и т.д. В структуре эквивалентных уравнений будет
содержаться 45 произвольных коэффициентов, которые можно
использовать для управления действующими лицами, во-первых,
при моделировании спектакля и репетициях, во-вторых, для ре¬
ального управления аватарами — актерами.
3.8.7. Многовариантная история
Петербурга
Чему учит история? Почему повторяются исторические
ошибки? На наш взгляд, историческая наука в том виде, как она
существует, ничему научить и не может. Ведь нам в настоящем
приходится выбирать решение среди многих возможных вари¬
антов, в прошлое уходит какой-либо один вариант, вот он и из¬
учается исторической наукой. Для живущих самое главное —
как выбрать наилучший вариант среди многих других, этому
225
Глава 3. Моделирование сложных систем
история действительно не учит, но это самое интересное. Нам
кажется, историческая наука должна изучать то, как бы развива¬
лись события по различным сценариям. Но традиционная исто¬
рическая наука отвергает изучение вариантов развития событий
в обществе: «история не знает сослагательного наклонения». В
отличие от исторической науки искусства отражали многовари¬
антность мира.
В настоящее время развитие компьютерного моделирова¬
ния позволяет еще острее поставить вопрос о многовариантной
истории. В качестве первого шага мы занимаемся многовари¬
антной историей Петербурга, где все в порядке с датировкой
событий. Наше исследование основывается на построении мате¬
матической модели города, на сопоставлении событий в городе
и стране с развитием модели, в частности, на изучении нереали¬
зованных строительных проектов и генеральных планов.
Например, во времена Екатерины Великой механик Иван
Кулибин разработал проект одноарочного моста через Неву,
была даже построена уменьшенная копия-макет этого моста, он
получил высокую оценку Л. Эйлера и Д. Бернулли, но сам мост
так и не был построен. Если бы его построили, он бы сыграл роль
Эйфелевой башни в Париже.
Методами компьютерной графики мы можем вписать мост
Кулибина в структуру Петербурга того времени и промодели¬
ровать, как бы сказалось наличие такого моста на развитии всего
города как с точки зрения его облика, так и транспортных возмож¬
ностей. Таких нереализованных проектов много, и можно было бы
построить множество виртуальных Петербургов с реализованны¬
ми проектами, тем самым мы глубже поняли бы логику развития
города, логику развития архитектуры и искусства Петербурга.
В истории нашего города было много взлетов и падений.
Структура общества тесно связана со структурой времени. Про¬
шлое — настоящее — будущее — слагаемые времени, но время
не существует само по себе, оно является одним из элементов
структуры. Каждый виртуальный мир имеет свое время, которое
определяется его структурой. Возможна синхронизация време¬
ни различных виртуальных миров.
Каждый человек имеет свои модели мира, по крайней
мере левополушарную и правополушарную модели. Структу¬
ра модели должна состоять из блоков, которые существовали
226
3.8. Миры реальные и виртуальные
и существуют на интересующем нас отрезке времени, она обя¬
зательно должна включать неопределенность. В качестве таких
блоков можно взять:
- население с атрибутами здоровья, образования, занятости,
принадлежности к разным классам, А1;
- пассионарность как характеристику устремленности соци¬
альных групп населения. На пассионарность Петербурга
сильное влияние оказала его роль столицы империи, влияние
царского двора и внешнеполитических событий. Высокая
пассионарность позволила ленинградцам преодолеть бло¬
каду и победить, А2;
- территорию, включая наземные и подземные постройки,
в пределе это геоинформационная система, геополитиче¬
ское положение, А3;
- производство, включая промышленность, научную и обра¬
зовательную деятельность, деятельность по строительству
и управлению государством и т. д. Функции города в стране
и мире, в том числе и властные функции, властное служение,
армия и флот, А4;
- экологию, качество воды, воздуха, эпидемии и безопасность, А5;
- финансы, банки, А6;
- внешние связи, включая входящие и выходящие потоки лю¬
дей, информации, финансов, энергии, товаров и иных ресур¬
сов, А7. Во время блокады эти связи были прерваны.
К этой семиблочной модели добавляется время как восьмая пе¬
ременная, А8. В итоге основное уравнение города будет иметь вид
А1*Е1 + А2*Е2 + А3*Е3 + А4*Е4 + А5*Е5 +
+ А6*Е6 + А7*Е7 + А8*Е8 = 0,
где А1 — характеристика населения; ..., А8 — характеристика
времени; Е1...Е8 — изменения этих характеристик.
В эквивалентной системе уравнений относительно измене¬
ний будет содержаться S=28 произвольных коэффициентов.
Произвольные коэффициенты могут быть использованы
для управления структурой, для ее настойки или самонастрой¬
ки, они составляют часть блока управления структурой, другую
его часть составляет механизм наложения (или снятия) ограни¬
чений, механизм обучения.
227
Глава 3. Моделирование сложных систем
В свое время Платон называл городом поселение с числом
очагов свыше 10 тысяч, и там обнаруживалась необходимость
иметь иерархическую систему управления.
Характерной чертой Петербурга являлось наличие несколь¬
ких центров власти: император и его окружение, градоначаль¬
ник, руководители крупных ведомств, министерств, руководи¬
тели больших предприятий и банков.
В этих условиях важнейшим согласующим документом был
генеральный план развития города, который несколько раз ме¬
нялся. Взлеты и падения в истории Петербурга, циклы его раз¬
вития отражались на его генеральных планах. Наличие хорошо
проработанных альтернативных проектов — важнейшее дело
для перехода к устойчивому развитию, в Петербурге до сих пор
нет программы перехода к устойчивому развитию, он не вклю¬
чился в это мощное движение под эгидой ооН.
3.8.8. Репрессированный музей
и панорама битвы за Ленинград
Летом мы с внуком посетили Минск и Брест и были приятно
удивлены, с какой тщательностью в Белоруссии сохраняется па¬
мять о Великой отечественной войне. В Бресте в старой крепо¬
сти развернут мощный мемориал — там в окружении в течение
месяца сражался гарнизон. А ведь Ленинград 900 дней сражался
в окружении и победил, но почему подобных мемориалов нет
в Санкт-Петербурге?
оказывается, в горячие дни обороны Ленинграда 1943 года
военный совет Ленинградского фронта принял постановление
«о сборе, учете и хранении мемориальных образцов оружия
и боевой техники». На сдаваемое вооружение необходимо было
выслать описание боевых эпизодов, характеризующее его бое¬
вое применение.
В войсках фронта это постановление было встречено с по¬
ниманием. За сравнительно короткий срок было собрано значи¬
тельное количество оружия, в том числе и трофейного, а также
документальные материалы о подвигах защитников города. оче¬
видный успех начинания объяснялся, по-видимому, не только
тем, что его исполнители были связаны военной дисциплиной,
228
3.8. Миры реальные и виртуальные
но и тем, что идея сохранения для будущего реликвий подвига
героических защитников города на Неве соответствовала по¬
требностям многих непосредственных участников событий.
4 декабря 1943 года военный совет принял еще одно поста¬
новление, об организации выставки «Героическим защитни¬
кам Ленинграда». Сразу же начались работы. В штат выставки
были оформлены научные сотрудники и художники.
Большой вклад в работу коллектива внес кандидат исто¬
рических наук майор Л. Л. Раков — ученый-историк, который
пользовался большим авторитетом среди музейных работни¬
ков города.
Главным художником выставки был назначен Николай
Михайлович Суетин. Этот выдающийся художник-авангар¬
дист был главным художником советского павильона на Меж¬
дународной выставке в Париже, главным художником совет¬
ского павильона на Международной выставке в Нью-Йорке.
Его работы получили высокую оценку мировой обществен¬
ности. В довоенные годы он много работал над оформлением
различных выставок в Москве и Ленинграде. В годы Великой
отечественной войны самоотверженно трудился в Ленин¬
градском штабе партизанского движения, принимал участие
в выпуске «окон ТАСС», готовил выставки, посвященные ге¬
роическим будням защитников Ленинграда, разрабатывал ме¬
тодику маскировки архитектурных памятников, жилых домов,
промышленных предприятий.
Прекрасный организатор, он сумел сплотить коллектив еди¬
номышленников: художников, скульпторов, архитекторов, деко¬
раторов, которые под его руководством талантливо оформили
экспозицию выставки.
30 апреля 1944 года в 1044-й день Великой отечественной
войны состоялось открытие выставки.
Коллектив создателей сделал все возможное в условиях воен¬
ного времени для того, чтобы выставка как можно ярче отразила
все этапы Ленинградской битвы, работу легендарной «Дороги
жизни», героический труд рабочих заводов и фабрик, действия
моряков Краснознаменной Балтики, инженерных войск, летчи¬
ков, артиллеристов, бойцов МПВо. Этому посвящалось более
6 тысяч экспонатов, свидетельствовавших о мужестве, стойкости
и героизме ленинградцев и воинов.
229
Глава 3. Моделирование сложных систем
Посетители знакомились с боевыми действиями войск, с ге¬
роями прорыва блокады, многочисленными документами и ма¬
териалами, произведениями художников и скульпторов.
В октябре1945 года выставка была преобразована в Музей
обороны Ленинграда республиканского значения. Музей поль¬
зовался огромной популярностью, по посещаемости музей усту¬
пал только Эрмитажу.
Казалось бы, музей, созданный в период боевых действий
Второй мировой войны, сохраняющий бесценные реликвии
великой Ленинградской битвы и трагических дней блокады
города, будет жить вечно, напоминая новым поколениям о му¬
жестве и воинской доблести защитников города. Но случилось
обратное.
В 1949 году в город в связи с так называемым Ленинград¬
ским делом музею был объявлен приговор, а в 1953 году был
подписан акт о полной ликвидации музея. Без работы остались
его создатели и работники, более того, некоторые из них были
репрессированы.
Прошли годы. Возросла духовность общества. Все чаще
и чаще стали возрождаться забытые традиции русского народа,
и на волне этого возрождения, глубокого понимания истории
возвращаются утраченные ценности. В 1988 году ветераны вой¬
ны и блокадники, известные ученые и писатели, деятели культу¬
ры подняли голос в защиту разоренного музея.
Ни Пискаревский мемориал, ни мемориал в конце Москов¬
ского проспекта, ни существующий Музей обороны и блокады
Ленинграда не соответствуют величию подвига ленинградцев.
Поэтому в 1999 году в Санкт-Петербургском государственном
университете аэрокосмического приборостроения родилась
идея восстановить этот музей на новой технической основе —
создать панораму битвы за Ленинград на основе технологии
виртуальных миров. Эта идея получила поддержку в обществе
жителей блокадного Ленинграда, в других общественных орга¬
низациях ветеранов и блокадников.
В последнее время родилась новая идея — соорудить
Лестницу памяти с 872 ступенями — по числу дней блокады
в небоскребе Лахта-центра Газпрома, которая заканчивалась
бы смотровой площадкой, откуда можно наблюдать весь пери¬
метр обороны города — и Ладогу с дорогой жизни, и Невский
230
3.8. Миры реальные и виртуальные
пятачок, и Пулковские высоты, и Ораниенбаум, и Кронштадт
в режиме дополненной реальности, наблюдая за событиями
в прошлом.
3.8.9. Моделирование поля боя
Уровень развития технологий моделирования является од¬
ним из ключевых факторов обеспечения превосходства страны
над потенциальным противником, вот почему создание и при¬
менение в войсках компьютерной модельи поля боя (МПБ) яв¬
ляется крайне актуальным, позволяя в несколько раз повысить
эффективность использования войск.
Еще в 1983 году в советской армии была создана система
«Маневр», которая объединяла управление разнородными
огневыми средствами — артиллерией, ракетными комплексами,
авиацией — в одной системе. Командиры на местах точно знали,
чего от них хотят в штабе, где находятся дружественные и враже¬
ские силы. В настоящее время аналогичный комплекс создается
на новой технической основе.
При этом необходимо решить задачи по разработке архитек¬
туры (состав подсистем, режимы работы) системы МПБ на ос¬
нове ВМ и ее аппаратного, программного и организационного
обеспечения по разработке методов и средств адаптивной гене¬
рации сценариев, по созданию хранилищ моделей компонентов
МПБ (ландшафтов, растительности, зданий и сооружений, ви¬
дов техники, живой силы и др.) и их поведения (время суток, вре¬
мя года, погодные условия, перемещение в пространстве и т. п.)
с учетом физических законов, интерактивных моделей процес¬
сов управления боем, одно- и многопользовательских приложе¬
ний войсковых операций, средств доставки МПБ (локальная,
сетевая, гибридная) конечному пользователю, интерфейса ко¬
нечного пользователя (офицерский и личный состав) и вариан¬
тов его реализации, средств адаптации (персонализации) МПБ
к потребностям пользователя, интерактивной эксплуатационной
документации (руководств, нормативов, наставлений, обслужи¬
вания техники и др.).
Эффективность использования наших войск нуждается в су¬
щественном улучшении как с точки зрения разведки и подготовки
231
Глава 3. Моделирование сложных систем
операции, так и с точки зрения оснащения различными видами
вооружений и связи, тренировки и подготовки войск к ведению
боевых операций.
В США уже в течение 20 лет для этих целей применяют
компьютерное МПБ, результаты которого использовались в раз¬
личных горячих точках мира. По оценкам военных аналитиков,
именно в области технологий имитации и моделирования ситу¬
аций и связанных с ними компьютерных технологий автомати¬
зированного управления, именно в этом направлении можно
ожидать важных результатов. В нашей стране имеются хорошие
научно-технические заделы, которые необходимо использовать.
Например, сотрудники Санкт-Петербургского государствен¬
ного университета аэрокосмического приборостроения были
награждены премией Президента России за комплекс иннова¬
ционных разработок в области технологии виртуальных миров.
Американские военные по назначению выделяют три основ¬
ные группы моделей:
- используемые в целях анализа и оценки (обеспечение опе¬
ративной работы);
- применяемые в сфере создания вооружения и военной тех¬
ники (ВВТ);
- предназначенные для обучения личного состава, оператив¬
но-боевой подготовки войск и штабов.
Тенденция — создание так называемых моделей межвидо¬
вого сообщества, объединяющих различные компоненты во¬
енного назначения (виды ВС, командования, самостоятельные
управления военного ведомства и комитет начальника штабов).
Модели поля боя или театра военных действий относят¬
ся к межвидовым и являются интеграцией как реальных, так
и смоделированных (виртуальных) военных объектов и опера¬
ций. Основные работы ведутся в США, Канаде, Великобрита¬
нии, Германии, Франции. Например, Combined Arms Tactical
Trainer — один из самых дорогих и крупных, главный симуля-
ционный зал имеет размеры 120х45 м, в нем могут размещаться
70 симуляторов единиц боевой техники, 16 симуляторов еди¬
ниц техники общего назначения, 12 пехотных симуляторов,
предусмотрена комната «расширения», одновременно могут
«воевать» до 700 человек).
232
3.8. Миры реальные и виртуальные
Особое место уделяется совершенствованию существую¬
щих и разработке новых технологий моделирования, которые
связываются с развитием таких ключевых направлений развития
науки и технологий, как, например:
- высокопроизводительные вычисления;
- высокоскоростные компьютерные сети;
- визуализация;
- системы интерактивного погружения — виртуальной реаль¬
ности, расширенная реальность/виртуальность, мультимо¬
дальный интерфейс и др.;
- распределенные системы моделирования.
По оценкам психологов и физиологов, качественный скачок
в электронной деятельности, в том числе военной области, свя¬
зан с поддержкой непосредственного контакта с рабочей средой,
ее полисенсорном восприятии, совместной работе с возможно¬
стью невербальной коммуникации, которые не могут обеспе¬
чить традиционные системы моделирования.
Для решения этих задач предлагается использовать концеп¬
цию виртуальных миров (ВМ), обеспечивающих погружение
в заданную среду и участие в событиях среды. По мере реализа¬
ции и развития информационных и коммуникационных техно¬
логий ВМ должны стать новой технологией общения и сотруд¬
ничества между людьми, людьми и устройствами, реальными
и виртуальными объектами.
Исследования и разработки в данной области носят междис-
цисплинарный характер и наиболее интенсивно ведутся в США,
Канаде, Японии. Технология ВМ активно используется, кроме
военных областей, в образовании и науке, промышленности,
культуре и искусстве, электронном туризме, транспорте и ме¬
дицине. В качестве аналогичных с точки зрения трудоемкости
проектов можно привести виртуальные города и виртуальные
предприятия (судостроение, авиация и др.) и т. п.
Первые опыты использования ВМ в России были пред¬
приняты коллективом специалистов из ведущих университе¬
тов и организаций Санкт-Петербурга в образовании во главе
с ГУАП. По результатам многолетних научных исследований,
в 2000 г. была сформирована концепция создания виртуальных
миров как человекомашинного интерфейса нового поколения,
233
Глава 3. Моделирование сложных систем
разработаны модели и варианты архитектур ВМ, структур
и режимов работы, средств доступа к ним, инструментария
и программно-аппаратных средств реализации, основных об¬
ластей применения.
Для создания и эксплуатации модели поля боя предлагается
технология ВМ, которая обеспечит погружение человека в ра¬
бочие сцены, отображающие функционирование компонентов
военного назначения, и интерактивное взаимодействие человека
с объектами этой рабочей сцены в реальном масштабе времени
с учетом характеристик человека и военных систем. Это позволит:
- повысить эффективность приобретения индивидуальных
и коллективных знаний и умений работы с робототехниче¬
скими системами;
- учесть индивидуальные особенности восприятия и обработ¬
ки информации человеком;
- повысить реалистичность и точность представления о про¬
цессах, выполняемых в космосе с помощью робототехниче¬
ских систем;
- выполнять эксперименты и технологические процессы, реа¬
лизация которых невозможна, требует в наземных условиях
больших финансовых затрат или связана с высоким риском
для экипажа;
- упростить анализ, проектирование, производство и тести¬
рование создаваемых и эксплуатируемых с помощью робо¬
тотехнических средств космических систем;
- сократить эксплуатационные расходы.
Виртуальный мир будет предоставлять следующие функци¬
ональные возможности:
- погружение в трехмерный аудиовизуальный мир с кинесте¬
тическими ощущениями (возможно — запахами) посред¬
ством одно- и многоэкранных настольных и проекционных
моно- и стереосистем, носимых устройств, аудиосистем
и системы имитации нагрузок;
- передвижение в трехмерном мире с шестью степенями сво¬
боды и взаимодействие с его объектами при помощи кла¬
виатуры, мыши, трекбола, джойстиков, перчатки, трекеров,
микрофона, тренажеров;
- прямое манипулирование данными в пространстве модели;
234
3.8. Миры реальные и виртуальные
- моделирование интеллектуального поведения с учетом фи¬
зических законов реального мира;
- визуальную, голосовую, текстовую и невербальную комму¬
никации при их совместной работе;
- представление пользователя персонажем виртуальной среды;
- одно- и многопользовательский доступ к виртуальной среде;
- адаптивную навигацию, а также персонализацию интерфейса;
- локальное, сетевое и комбинированное исполнение.
Предполагается использование следующих аппаратных средств
для увеличения степени погружения и интерактивности ВМ,
(см. таблицу).
Классы установок
Характеристики
Настольные
Настенные
Носимые
Погружение
Трехмерный аудиовизуальный мир с шестью
степенями свободы и кинестетическими
ощущениями (+ запахи)
i
Видео: моно
стерео/очки
Экран стандарт¬
ного
монитора
Три монитора
на базе
ПК- кластера
Одноэкранные
(на 3-5 чел., один
из которых —
навигатор) 2-, 3-,
4-экранные для
создания пано¬
рамных
(на 25-30 чел.)
и комнатных (типа
CAVE, на 3-5 чел.)
систем на базе
ПК- кластера
Шлем
Аудио
Аудио система
(моно, стерео и dolby sur)
Наушники
(стеЬео)
Кинестетика
Система имитации нагрузок
Интерактивность
Передвижение в трехмерном мире с шестью
степенями свободы, взаимодействие с объектами,
реагирование на воздействия
2
Ввод
Прямое
манипулирование
Отслеживание
положения
Тренажеры
Клавиатура, мышь, трекбол, джойстик
Перчатки, микрофон
Трекеры
Роботы, манипуляторы, ТС и т. п.
235
Глава 3. Моделирование сложных систем
Интерактивная эксплуатационная документация (ИЭД)
предназначена для:
- обеспечения справочными материалами и обучения личного
состава штабов и экипажей правилам эксплуатации, обслу¬
живания и ремонта военных объектов;
- обеспечения справочным материалом об устройстве и прин¬
ципах работы ВО, технологии выполнения операций, по¬
требности в необходимых инструментах и материалах, ко¬
личестве и квалификации персонала;
- планирования и учета проведения регламентных работ;
- диагностики оборудования и поиска неисправностей;
- обмена данными между экипажем и персоналом центров
дистанционного управления.
Использование ИЭД на основе ВМ позволит улучшить:
- качество обслуживания и материально-технического обеспе¬
чения процесса обслуживания ВО;
- качество и оперативность обучения, переучивания и трена¬
жа персонала, в том числе на рабочем месте;
- способность представления сложной информации операто¬
ру системы;
- поддержку процессов удаленного обслуживания при возник¬
новении нештатных ситуаций.
Использование предлагаемых технологий разработки ИЭД
обеспечит:
- сокращение времени и затрат на разработку, ее обновление
и сопровождение;
- повышение качества разработки.
В таблице на с. 238 представлена архитектура ИЭД .
Особенностями создаваемых ИЭД являются:
- использование различных типов информации (текст, растро¬
вая и векторная графика, аудио, видео, анимации, 3D) с воз¬
можностью их нелинейного просмотра для представления
интерактивной электронной документации и ее элементов
(тексты, схемы, чертежи, рисунки, фотографии, модели и т. п.);
- ЭСО на базе стандартных браузеров — MS Internet Explorer,
Firefox;
236
3.8. Миры реальные и виртуальные
Состав
Режим работы
Режим доступа
Интерфейс
Основные
подсистемы:
информационная;
каталог частей;
практикум;
аттестация
Вспомогательные
подсистемы:
поиск;
помощь;
версии
Справочный
Сценарные:
изучение;
тестирование;
тренаж;
эксплуатация;
регламентные
работы;
ремонт;
МТО
Вспомогательные:
поиск;
помощь
Индивидуальный
Групповой.
Многопользова¬
тельский:
свободный;
совместный
- возможность публикации на компакт-диске, в сети (Internet,
Intranet) и на бумажных носителях;
- интеграция с PDM, CAD и др. системами для автоматизиро¬
ванного ввода исходных данных;
- возможность реализации обобщенной архитектуры;
- предоставление возможности участия заказчика в разработ¬
ке на различных этапах ее создания;
- поддержка методологии создания на основе сценариев вы¬
полняемых технологических процессов;
- автоматизированное кодирование модулей и их хранение
в централизованной или распределенной БД;
- поддержка коллективной разработки;
- возможность разработки параллельно с созданием изделия;
- поддержка БД версий и проектов, а также изменений и со¬
провождения;
- возможность защиты данных;
- открытость технологий, программ и данных;
- многоплатформенность — MS Windows, Linux, QNX, Mac OS.
Моделирование поля боя позволяет более эффективно ре¬
шать следующие задачи:
1. Планирование, поддержка и оценка эффективности дей¬
ствий воинских формирований при самостоятельных,
совместных и объединенных операциях видов и родов
сил на поле боя, отработка новых тактических приемов
и нормативов.
237
Глава 3. Моделирование сложных систем
2. Оценка новых концепций строительства вооруженных
сил, оптимизации их структуры и боевого применения,
потребностей в ВВТ и планирования бюджетного финан¬
сирования.
3. Испытания и оценка приоритетности разработки новых
образцов ВВТ и закупки существующих.
4. Тыловое обеспечение (структура, переброска войск
и грузов и т. п.).
5. оперативная и боевая подготовка, обучение личного со¬
става.
6. обеспечение жизнедеятельности личного состава.
7. оценка новых вызовов: миротворческие операции, борь¬
ба с терроризмом и наркобизнесом и др.
3.8.10. Сетецентрические системы
управления
Системы моделирования поля боя (МПБ) являются основой
так называемых сетецентрических систем управления войска¬
ми. В 2009 году министр обороны США Роберт Гейтс подписал
приказ о создании кибернетического командования — структу¬
ры, ответственной за безопасность военных информационных
сетей. Американская концепция «сетецентрической войны»
подразумевает превращение вооруженных сил США в единый
гигантский разведывательно-ударный комплекс, где все связаны
со всеми линиями передачи информации и находятся в едином
информационном пространстве. Это позволит постоянно от¬
слеживать оперативную обстановку и немедленно принимать
решения. Но в этой системе не решены задачи оптимального
соотношения самоорганизации и внешнего управления.
Аналогичные системы создаются и в нашей армии. Суть се¬
тецентрического управления заключается в том, чтобы форми¬
ровать приказы управления войсками с учетом взаимодействия
всех родов войск и всех данных разведки о противнике. Напри¬
мер, для управления четырьмя боевыми платформами составля¬
ется первое лингвистическое уравнение
А1*Е1 + А2*Е2 + А3*Е3 + А4*Е4 = 0,
238
3.8. Миры реальные и виртуальные
где А1 — характеристика боевой платформы 1, Е1 — приказ об
изменении характеристики платформы 1, А2 — характеристика
боевой платформы 2, Е2 — приказ об изменении характеристи¬
ки платформы 2, и т.д. и структура эквивалентных уравнений
будет иметь вид
E1 = U1*A2 + U2*A3 + U3*A4
E2 = -U1*A1 + U4*A3 + U5*A4
E3 = -U2*A1 - U4*A2 + U6*A4
E4 = -U3*A1 - U5*A2 - U6*A3
откуда очевидно, что каждый приказ формируется с учетом
характеристик всех других платформ и подстраивается с помо¬
щью произвольных коэффициентов. Если известна информация
о противнике в виде второго лингвистического уравнения
В1*Е1 + В2*Е2 + В3*Е3 + В4*Е4 = 0,
то структура эквивалентных уравнений будет иметь вид
Е1 = U1*D123 + U2*D124 + U3*D134
E2 = - U1*D213 - U2*D214 + U4*D234
E3 = U1*D312 - U3*D314 - U4*D324
E4 = U2*D412 + U3*D413 + U4*D423
где D23 = А2*В3 - А3*В2 и т.д. , В1 — характеристика боевой
платформы противника, противостоящей платформе А1, В2 —
характеристика боевой платформы противника, противостоя¬
щей платформе А2 и т.д. В этом случаем приказы Е1,.. .,Е4 будут
вырабатываться с учетом сил противника, а для подстройки
используются четыре произвольных коэффициента.
3.9. МИР КАК МОДЕЛЬ ВНУТРИМИРОВОГО
СУПЕРКОМПЬЮТЕРА
Как только в конце 40-х годов прошлого века появилась элек¬
тронная вычислительная машина, компьютер, так сразу же роди¬
лась аналогия между окружающим нас миром и компьютером,
239
Глава 3. Моделирование сложных систем
и эта аналогия продолжает развиваться и привлекаться для объяс¬
нения мироустройства (работы К. Цузе, Э. Фредкина, С. Ллойда
и др.) Появление «Интернета вещей» активизировало эти работы
(М. Б. Игнатьев «Мир как модель внутримирового суперкомпью¬
тера»/ Доклад на семинаре Научного совета РАН по методологии
искусственного интеллекта в Москве 30 июня 2016 г.).
«Интернет вещей» предполагает наличие связи с различны¬
ми предметами, вещами, объектами. Следует заметить, что и до
этого связь с различными объектами поддерживалась людьми
с помощью зрения, слуха и механического взаимодействия, но
«Интернет вещей» предполагает установление новой допол¬
нительной связи с помощью различных технических средств, что
позволит вещам взаимодействовать на новом уровне не только
с людьми, но и вещам между собой. Далее, каждый из объек¬
тов описывается с помощью лингвистических, математических
и компьютерных моделей. Например, Солнечная система явля¬
ется специализированным вычислительным устройством для
решения задачи многих тел. В итоге вкладывается следующая
картина.
Во-первых, компьютеры — системы со структурированной
неопределенностью, у них имеется память, которая может быть
пустой или заполненной различными данными и программами.
Во-вторых, описание мироустройства на естественном язы¬
ке, который является универсальной знаковой системой, с по¬
мощью лингво-комбинаторного моделирования, превращается
в систему уравнений с произвольными коэффициентами, кото¬
рые и есть структурированная неопределенность.
В-третьих, архитектура компьютеров непрерывно разви¬
вается — эволюционируют элементная база, уровень знаний
компьютера, развиваются операционная среда и интерфейсы
общения, системы ввода-вывода информации, системы контро¬
ля, диагностики и коррекции, системы передачи информации
и энергии. Мир заполнен осцилляторами различных типов —
это и атомы и молекулы, это и Солнечная система и галактики,
и все эти осцилляторы включены в общую моделирующую вы¬
числительную систему.
В-четвертых, компьютеры являются вместилищем раз¬
личных виртуальных миров, которые отделены друг от друга
системами защиты информации. Наш мир — это виртуальная
240
3.9. Мир как модель внутримирового суперкомпьютера
ячейка в мировом суперкомпьютере, который является неод¬
нородной распределенной структурой, везде проникающей,
а гигантский аналог 3D-принтера может печатать астероиды,
планеты и звезды.
В-пятых, компьютеры и сети являются основой самоорга¬
низации социума.
Все это позволяет выдвинуть гипотезу о том, что компью¬
тер можно рассматривать как базовую модель самоорганизации
Вселенной.
При таком подходе становится понятным, почему нам до сих
пор не удалось установить связь с инопланетянами. Ведь если
наш мир не более чем модель внутримирового суперкомпью¬
тера, то, чтобы установить такую связь, необходимо изучить
структуру мирового суперкомпьютера, его аппаратного и про¬
граммного обеспечения, изучить систему защиты между мирами,
и вот тогда, может быть, удастся установить связь с обитателями
других миров. Это колоссальная фундаментальная задача для со¬
временной науки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Заканчивая книгу, хотелось бы заметить, что 300 лет тому
назад сложился механицизм — система взглядов, когда механика
была единственной развитой наукой, получившей применение
в производстве, ее символом были механические часы (Галилей,
Ньютон, Лаплас и др.). В наше время сложился компьютеризм —
система взглядов, когда самой распространенной машиной стал
компьютер, как система со структурированной неопределенно¬
стью и вмещающая в себя множество различных виртуальных
миров, которая породила множество моделей, аналогий и мета¬
фор.
Кибернетика как метанаука продолжает развиваться, по¬
рождая все новые и новые направления, а вычислительные сети
стали основой самоорганизации социума, который защищает
человека.
В настоящее время мир живет в поиске новой нормально¬
сти, в преддверии кризиса, но кризисы являются имманентным
свойством сложных систем, как показано в этой книге, — мож¬
но лишь уменьшить глубину кризисов, если тщательно измерять
показатели функционирования сложных систем и своевременно
принимать меры.
242
Благодарности
В Советском Союзе и в России сложилась система научных
школ, которая внесла большой вклад в развитие информацион¬
ных технологий. Прежде всего необходимо отметить научные
школы академиков ж. И. Алферова, А. И. Берга, А. С. Бугаева,
В. С. Бурцева, К. А. Валиева, Е. П. Велихова, А. А. Воронова,
В. М. Глушкова, Ю. В. Гуляева, А. А. Дородницына, С. В. Емелья¬
нова, А. П. Ершова, А. В. Каляева, Н. А. Кузнецова, С. П. Курдю-
мова, С. А. Лебедева, В. К. Левина, А. А. Самарского, И. А. Со¬
колова, Б. Г. Тамма, Р. М. Юсупова и многих других, своей
деятельностью вдохновлявших автора, который им благодарен.
Автор благодарит сотрудников американских фирм Con¬
trol Data Corporation, Cyrus Eaton Company, IBM и Zentrum fur
Kunst und Mediatechnology в Карлсруэ (Германия) за интерес¬
ную работу над совместными проектами.
Автор благодарен всем сотрудникам кафедры вычислитель¬
ных систем и сетей и студентам Санкт-Петербургского государ¬
ственного университета аэрокосмического приборостроения
за поддержку работы на различных этапах.
Автор благодарит издательство «Страта», которое взяло
на себя труд по изданию этой книги, и прежде всего главного
редактора Светлану Волкову.
Автор будет благодарен за замечания, которые можно при¬
слать по адресу E-mail: ignatmb@mail.ru
ПРИЛОЖЕНИЕ
Алгоритм построения уравнений
с произвольными коэффициентами
В дополнение к изложенному материалу ниже описывается алгоритм по¬
строения уравнений с произвольными коэффициентами.
Уравнение с 2 переменными А^*Е1 + А^ *Е2 = 0.
Число сочетаний 1, то есть 12, произвольный коэффициент U1, структура
уравнений с произвольными коэффициентами в этом случае
E! = U!*A2!
E2 = -U!*A11
1. Одно уравнение с 3 переменными
А11*Е1 + А21*Е2 + Аз1*Е3 = 0.
Число сочетаний 3, то есть 12, 13, 23, произвольные коэффициенты U1,
U2, U3 , а структура уравнений в этом случае
E1 = U1*A^ + U2*A31
E2 = -U1*Ai1 + U3*A31
E3 = -U2*Ai1 - U3*A^
Если добавить еще одно уравнение
А12*Е1 + А22*Е2 + А32*Е3 = 0,
то число сочетаний станет 1, то есть 123, останется 1 произвольный коэффи¬
циент и структура эквивалентных уравнений будет
E1 = U1*D123
E2 = -U1*D213
E3 = -U1*D312
где
D12 = A11*A22 - A12*A21 ,
D13 = A11 *A32 - A12 *^
D23 = A21 *A32 - A31*A22.
2. Если мы имеем одно лингвистическое уравнение с 4 переменными
А11*Е1 + А12*Е2 + А13*Е3 + А14*Е4 = 0,
то число сочетаний 6, а именно 12, 13, 14, 23. 24, 34, и эквивалентные урав¬
нения будут
244
E1 = U1*A\ + U2*A‘ + U3*A‘
2 3 4
E2 = -U1*A\ + U4*A‘ + U5*A‘
13 4
E3 = -U2*A\ - U4*A\ + U6*A‘
124
E4 = -U3*A11 - U5*A12 - U6*A13
где U1, U2, U3, U4, U5, U6 - произвольные коэффициенты.
При наложении еще одного ограничения на переменные системы число
сочетаний будет 4, а именно 123, 124, 134, 234
А21*Е1 + А22*Е2 + А23*Е3 + А\*Е4 = 0
Е1 = U1*D123 + U2*D124 + U3*D134
E2 = -U1*D2 - U2*D2 + U4*D2
13 14 34
E3 = U1*D3 - U3*D3 - U4*D3
E4 = U2*D412 + U3*D4^ + U4*D423
где U1, U2, U3, U4 - произвольные коэффициенты,
D12 = V*A2 - A12*A21 ,
D13 = A11*A32 - A12*А31,
D14 = A11* A42 - A41*A12,
d23 = a12*a23 - a13*a22 ,
D24= A21*A42 - A41*A22,
D34= A31*A42 - A41*A32
При наложении еще одного ограничения на переменные системы
А13*Е1 + А23*Е2 + А33*Е3 + А43*Е4 = 0
будем иметь одно сочетание 1234 и один произвольный коэффициент U1,
а эквивалентная система уравнений будет иметь вид
E1 = U1*D1234
E2 = -U1*D2
E3 = U1*D312
E4 = -U1*D4
134
где определитель d123
А1 А2 А3
А1 А2 А3
А1 А2 А3
и т. д.
Аналогичным образом можно построить эквивалентные уравнения с про¬
извольными коэффициентами для любых n и m.
245
Игнатьев Михаил Борисович
ПРОСТО КИБЕРНЕТИКА
Научно-популярное издание
Автор идеи и научный редактор
серии «ПРоСТо»
Сергей Деменок
Верстка Светлана Шачнева
Обложка Кристина Ворожейкина
Настоящее издание не имеет возрастных ограничений, предусмотренных
Федеральным законом РФ «о защите детей от информации,
причиняющей вред их здоровью и развитию» (№ 436-ФЗ).
охраняется законом РФ об авторском праве.
Издательство «Страта»
195112, Санкт-Петербург, Заневский пр., 65, корпус 5
Тел.: +7 (812) 320-56-50, 320-69-60
www.strata.spb.ru
Подписано в печать 14.09.2016
Тираж 1000 экз.
Автор этой книги М. Б. Игнатьев — лауреат государ¬
ственной премии СССР в области литературы, искусства
и архитектуры, премии Президента России, профессор
Санкт-Петербургского государственного университета
аэрокосмического приборостроения (ГУАП), член Научно¬
го совета РАН по методологии искусственного интеллек¬
та, Председатель секции кибернетики при Доме ученых
им. М. Горького РАН, Distinguished scientist of The Association
for Computing Machinery (ACM), USA.
Серия книг «Просто...» — это наука, не зажатая
в тиски формул, скрупулезность цифр и объемы
пробирок. Не нужно надевать очки и белый халат,
дабы понять, как что работает. Нейронные связи
человеческого мозга и смартфоны, напичкан¬
ные нанотехнологиями, микрочастицы в коллай¬
дере и квантовые биты, фрактальное искусство,
стратегия игры и теория Большого взрыва — все
это не сложнее яичницы-глазуньи, если толь¬
ко увидеть соль. В серии «Просто...» мы готовим
наши научные блюда так вкусно и сервируем так
изысканно, что вам наверняка захочется добавки.
Вычислительная машина ценна ровно настолько, насколько
ценен использующий ее человек.
Но он обязан иметь идеи.
Норберт Винер
9
785906
150783
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНОЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«страта»