Информация в кибернетических системах

Информация в кибернетических системах. Все материальные системы можно рассматривать как преобразователи информации, работающие со своими собственными кодами. Именно такой подход был развит в работах Н. М. Амосова А1 , А11 , Б2 . Так, на атомном уровне код состоит из элементарных частиц, на молекулярном - из атомов, главным кодом социального уровня является речь. В связи с этим Н. М. Амосовым ставится проблема взаимоотношения высших и низших кодов.

Большая белковая молекула может получать информацию, передаваемую низшими кодами - элементарными частицами и отдельными атомами.

Но высший код для нее - молекулярный. Если на нее подействовать, скажем, словом, то она не поймет, так как ее качество, ее структура не в состоянии воспринимать этот слишком высокий код. В сложной системе Н. М. Амосов выделяет этажную структуру обработки информации. На каждом этаже функционирует своего рода транслятор, воспринимающий код низшего этажа и вырабатывающий код более высокий. При продвижении вверх информация убывает количественно так как на каждом этаже происходит абстрагирование, отсечение множества несущественных деталей, присутствующих в низшем коде, но переходит в более высокое качество.

Например, код молекул слишком низок для человека. Воздействие отдельной молекулы не может нами непосредственно восприниматься. Зато согласованное квазипериодическое движение множества молекул воздуха, проходя несколько этажей обработки, воспринимается нами как звук, затем - как слово, а на верхнем этаже переходит в понятие.

Абстрагирование в этом случае заключается, например, в том, что при выделении слова из звука для нас несущественным становится тембр голоса говорящего, а при переходе к понятиям мы отвлекаемся от отдельных слов. Высший код может быть разложен на знаки низшего кода, так как каждый знак высшего кода является результатом соединения определенным образом в пространстве или во времени некоторого числа низших знаков. Но заменить высший код низшим нельзя, так как переход от низшего кода к высшему есть качественный скачок.

Остановимся на характеристике процессов регулирования и управления в кибернетических системах как живых, так и технических. Общей чертой всех кибернетических систем является то, что на протяжении всего периода существования они защищают сами себя от внешних возмущений А10 , А11 , Б19 . К этой защитной функции может быть так или иначе сведен обширный спектр более частных функций. Покажем, что основу и сущность данной функции составляют информационно-отражательные процессы.

Под возмущением понимают воздействие на систему, стремящееся перевести ее из одного состояния в другое. Возмущения могут быть как внешними, так и внутренними, связанными с нарушением функционирования какого-либо органа внутри системы. Поскольку состояние системы характеризуется информационным содержанием разнообразием, то действие возмущения есть изменение разнообразия системы. Очевидно, не всякое изменение состояния системы совместимо с ее существованием. Так, при воздействии системы кошка на систему мышь последняя уничтожается теряет свое прежнее качество. Таким образом, существование системы возможно лишь в определенном диапазоне изменения ее состояний.

Если под воздействием определенных возмущений система остается в пределах допустимых состояний сохраняет свою качественную определенность, говорят, что она устойчива по отношению к данному типу возмущений. Устойчивость системы может быть достигнута двумя путями во-первых, если на пути разнообразия возмущений ставится пассивная преграда, во-вторых, если возможна активная защита от него. Первый способ защиты применяется, в основном, сравнительно примитивными животными.

Примерами могут служить всевозможные раковины и панцири. Однако основным способом сохранения устойчивости кибернетических систем является активная защита, состоящая в том, что между источником возмущений и системой ставится регулятор. Основная функция регулятора - в ответ на разнообразие возмущений вырабатывать контрразнообразие компенсирующих действий.

Процессы, происходящие во всех типах регуляторов, подчиняются фундаментальному закону, называемому законом необходимого разнообразия У. Росс Эшби. Суть его состоит в следующем. Для того чтобы ответная реакция регулятора была адекватна возмущению, необходимо, чтобы регулятор сначала воспринял, отразил возмущение, вычленил существенную информацию о нем. А это означает, что информационная емкость разнообразие состояний регулятора должно быть не меньше, чем разнообразие возмущений.

В процессе эволюции живых существ преимущество получили не панцири, а мозги. Совершенствование технических устройств также шло по линии от пассивной к активной защите. Наиболее общим механизмом активной защиты является управление по принципу обратной связи. Возмущения - это, по большей части, непредсказуемые, случайные процессы. Система, как правило, узнает о возмущении лишь после того, как подвергнется его действию и окажется переведенной в другое состояние, отличное от запланированного.

Различие между заданным и действительным состоянием между целью и результатом оказывается сигналом для приведения в действие регулятора. Цель регулирования заключается в том, чтобы уменьшать данное различие отрицательная обратная связь. Рассмотрим обобщенную схему системы с обратной связью см. рис. Б14 . Стрелками показаны направления передачи информации. Система получает информацию о внешнем мире M и обрабатывает ее, после чего воздействует на внешний мир, передает ему часть информации N . Известно, что только такая структура позволяет хранить и накапливать информацию.

В ряде случаев количество информации, заключенной в системе, будет увеличиваться не непосредственно в результате внешнего воздействия на систему, а в результате взаимодействия потоков информации внутри самой системы. А именно, проходящий сквозь систему поток M-A-B-N взаимодействует с внутренним потоком B-C-D-A таким образом, что общее количество информации увеличивается.

Информация, циркулирющая по замкнутому контуру A-B- C-D-A, называется к связанной информацией, и может считаться частью структуры системы. Это устойчивые знания системы о внешнем мире, те знания, которые постоянно нужны для поддержания функционирования системы. Именно накопление связанной информации противостоит естественному процессу возрастания энтропии и обусловливает прогрессивное развитие системы, т.е. закономерное усложнение ее структуры, повышение уровня организации. Как видно из схемы, связанная информация может накапливаться в результате переработки свободной информации, т.е. той информации, которой система обменивается с внешним миром M-A-B-N . Системы, способные обмениваться информацией с внешним миром, подобно показанной на рис называются открытыми.

Системы можно классифицировать по их способности к взаимодействию и способности использовать информацию. см. табл. Открытые системы Системы, способные воспринимать, хранить, терять, накапливать и использовать свободную и связанную информацию Информационные системы Системы, способные передавать свободную информацию и терять связанную информацию Неинформационные системы Закрытые системы Системы, способные лишь терять связанную информацию Управление в ибернетических системах можно разделить на три типа самосохранение, саморазвитие и самовоспроизведение А11 . Эти типы управления связаны с различными классами разнообразия и с различными видами генетического тождества.

В случае самосохранения конечная цель управления заключается в сохранении целостности, качественной определенности системы.

Примером может служить относительная неизменность любого организма в его зрелом возрасте, нормальное функционирование кибернетических устройств, работающих по принципу обратной связи. Характерная черта этого типа управления - сохранение информационного содрежания структуры кибернетической системы и постоянство цели управления. При самосохранении кибернетическая система остается тождественной самой себе в структурном отношении.

Назовем этот тип тождества генетическим тождеством первого рода. Саморазвитие - более сложный тип управления. С точки зрения самосохранения необязательно совершенствование, прогресс системы. Саморазвитие же предполагает накопление структурной информации, а значит и изменение структуры. Система, саморазвиваясь, уже может изменять свой тип целостности, качественной определенности, оставаясь в то же время сама собой. Этот, более высокий тип тождества можно назвать генетическим тождеством второго рода. Примером саморазвивающихся систем могут быть эмбрионы, молодые, не достигшие зрелости организмы, а также самообучающиеся кибернетические устройства.

Еще более сложный тип управления - самовоспроизведение. Он свойствен живым организмам и обществу экономике, науке, культуре и т. д Имеются и первые искусственные самовоспроизводящиеся системы - компьютерные вирусы, относящиеся не к классу устройств, а к чисто информационным образованиям. Общим для всех процессов самовоспроизводства является то, что при сохранении или даже увеличении информационного содержания одной системы ею прождается другая система, как правило, способная к саморазвитию.

Иными словами, информация от первой системы не отбирается, а дублируется, причем частично. Потомок создается не как законченная и точная копия предка, а как заготовка, наследующая лишь главные особенности структуры и способная самостоятельно накапливать информацию. Предок и потомок - это две различные системы, занимающие различные области в пространстве и существующие в различные промежутки времени.

Поэтому то тождество, которое существует между ними генетическое тождество третьего рода, имеет еще более высокий тип. Общий вывод из приведенного рассмотрения состоит в том, что управление всегда связано или с сохранением, или с увеличением структурной информации системы. Впрочем, этот вывод нельзя абсолютизировать и считать, что если система имеет управление по принципу обратной связи, то ее информационное содержание не может уменьшаться.

Дело в том, что управление в системе осуществляется лишь в отношении определенных возмущений, а другие возмущения не устраняются. В случае действия непредусмотренного возмущения, от которого система не может защититься, ее информационное содержание может снижаться. Таким образом, управление связано с сохранением или повышением количества информации лишь в определенном отношении и в определенных пределах. Отражение и информация в кибернетических устройствах имеют ряд черт, присущих отражению и информации в неживой природе А6 . Это связано с тем, что субстратом отражательных процессов, элементами кибернетических устройств являются неживые объекты, функционирующие по закоам физики.

Однако организация этих устройств принципиально отличается от организации систем неживой природы, ибо они воплощают замысел человека. В неживой природе информационные процессы не выделены из энергетических. Любая неживая система участвует в информационном процессе целиком, всей своей структурой.

У нее нет специального органа, отдела, который бы отвечал за информацию. В отличие от этого, кибернетические системы обладают такой структурой, благодаря которой они способны выделить информационое содержание из несущего его потока вещества или энергии. Специфической чертой отражения в кибернетических устройствах является то, что при помощи свойства отражения, присущего неживым объектам моделируются информационно-отражательные процессы, присущие живой природе и даже обществу.

Процессы отражения в неживой материи при создании кибернетических устройств организуются и упорядочиваются таким образом, чтобы сопутствующие им информационные процессы были изоморфны в общем случае гомоморфны информационным процессам, протекающим в биологических и социальных системах. Материальные носители низших форм отражения несут информационную нагрузку, свойственную высшим формам отражения. Эта особенность отличает отражение в кибернетических устройствах от прочих форм отражения и позволяет говорить об особой кибернетической форме отражения А10 .