История и методология науки и производства в области автоматизации

Именно свойство инвариантности математических преобразований при составлении уравнений движения по существу и косвенно лежит в основе универсального подхода теории управления к различным по своей физической (химической, биологической и т.п.) природе задачам управления. Однако дальнейшая формализация этого подхода привела в настоящее время к непомерной математизации современной теории автоматического управления (СТАУ). С одной стороны, это позволяет опереться на фундаментальную математическую базу и привлечь к решению задач СТАУ мощные аналитические и численные методы с применением современных и перспективных ЭВМ. С другой же стороны, чрезмерная формализация, например линейной, ТАУ фактически превратила ее в одну из областей алгебры - теории матриц или, по меньшей мере, в область теории дифференциальных уравнений.

Обратимся теперь к фундаментальному понятию "оптимальная система". Само по себе введение термина "оптимальность" - это попытка отразить оценочное свойство через некоторое количественное соотношение, т.е. объективизировать, выразить количественно то качество, которое желательно придать синтезируемой системе. На наш взгляд, введение в СТАУ методов оптимального управления, как базовых и составляющих ее математическую основу, является лишь первым шагом к новому пониманию прикладных задач автоматического управления. Представляется достаточно очевидным, что следующим шагом должно быть введение в самую сущность прикладной теории управления фундаментальных естественных закономерностей, отражающих физическое (химическое, биологическое и т.п.) начало управляемого объекта. Необходимо синтезировать оптимальное управление с максимальным использованием естественных, природных свойств объекта. Это требование в полной мере согласуется с известным положением о том, что природа объекта определяет физическое и математическое содержание основной проблемы прикладной теории автоматического управления - синтеза, т.е. аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР).

Поставленная таким образом проблема СТАУ является принципиально новой и порождает крупные самостоятельные проблемы и задачи. При этом возникает труднейшая задача перехода от естественных принципов, учитывающих своеобразие объекта, к количественным, формализованным соотношениям. Для этого представляется перспективным использовать принципы (законы) сохранения, справедливые, как известно, для всех форм существования материи и являющихся инвариантами в тех предметных областях, к которым относится данный, конкретный объект управления.

Развитие основной проблемы СТАУ - синтеза оптимальных нелинейных систем - показало, что теория управления по многим признакам оказалась в плену редукционистских методов, когда путем "склеивания" локальных описаний системы пытаются построить ее глобальное поведение. Хотя эти методы оказываются иногда успешными, например, в линейном случае, однако перспективный путь развития прикладной нелинейной теории управления, по-видимому, лежит в русле холистических, глобальных подходов, отражаемых путем применения всеобъемлющих принципов сохранения в процедурах синтеза оптимальных систем. В этом смысле можно утверждать, что эпоха подлинного, естественно-физического (химического, биологического и т.д.) оптимального управления еще только наступает. Это означает, что в основу "подлинно оптимального" управления целесообразно положить не только математическое содержание, получившее значительное развитие, но и физическое начало задач управления, которое в настоящее время выдвигается на первый план. Остановимся на этом положении.

Математика, как известно, занимается общими формальными закономерностями, в то время как физика в первую очередь интересуется качественными свойствами и особенностями конкретных явлений. В то же время и в физике имеются такие обобщающие фундаментальные понятия, как законы сохранения, присущие всем физическим процессам и выраженные в основополагающем вариационном принципе. Этот принцип формально отражается в математической теории оптимального управления через критерии качества. Другими словами, в основу "подлинной оптимизации" нелинейных систем целесообразно положить не только математические конструкции стандартной теории оптимального управления, а в большей мере естественно-математические соотношения, отражающие, во-первых, фундаментальные физические закономерности, отражающие естественные свойства объекта и, во-вторых, технологические требования задачи управления в виде соответствующего критерия качества. Такой подход возвращает ТАУ к естественным источникам ее возникновения, но на новом, естественно-математическом витке ее развития. Именно введение в нелинейную теорию управления элементов физической (химической, биологической) естественности позволит по-новому подойти к построению процедур синтеза систем управления нелинейными объектами.

Наиболее общим физическим свойством всех объектов различной природы, как известно, является свойство сохранения - энергии, количества движения и др. Введение естественных физических (химических, биологических и др.) свойств объекта в процедуру синтеза наделяет замкнутую систему общими глобальными свойствами и позволяет выявить родство разнородных явлений, происходящих в объектах управления различной природы. Представление этих явлений на математическом языке отражает единство принципа сохранения в многообразии управляемых процессов. Этот новый естественно-математический подход к решению нелинейной проблемы оптимизации систем - основной проблемы СТАУ - глубоко связан с идеями физической теории управления, синергетики и теории нелинейных диссипативных систем.

5. Интегративный характер теории управления, как науки об общности принципов и процессов управления в объектах различной физической природы

5.1 Управление как наука и искусство

Управление - древнейшее искусство и новейшая наука. Специалисты в области управления сходятся во мнении, что управление является частью больших политических, экономических, технологических, социальных и этических систем и основывается на собственных концепциях, принципах и методах, т.е. имеет серьезный научно-методический фундамент.

Любая наука представляет собой совокупность знаний и непрестанного поиска новых данных о природе и обществе с целью понять и объяснить явления и законы природы, частью которой является сам человек. В новом сложном явлении наука стремится определить его основу, которая обычно бывает гениально проста, открыть закономерности, скрывающиеся в кажущемся хаосе. Главным в теории является не подробное описание исследуемого объекта, а изучение его основных свойств, выявление общих законов, связей для того, чтобы обеспечить принципиальную возможность установления новых знаний.

Теория управления имеет свой, только ей присущий предмет исследований - она изучает закономерности организации управленческого процесса и возникающие во время этого процесса отношения между людьми, определяет методологические приемы, соответствующие специфике объекта исследований, разрабатывает систему и методы активного воздействия на объект управления и определяет способы предвидения и прогнозирования изучаемых процессов. Регистрация и систематизация явлений, раскрытие закономерностей и определение причинных связей между ними для разработки практических выводов и рекомендаций - основная задача любой науки, в том числе и науки управления.

Практическая деятельность человечества не сводится только к общественному производству, она охватывает все стороны жизни, развивает материальную и духовную культуру общества. Наука обычно опережает запросы практики, позволяет предвидеть новые явления, но при всей своей самостоятельности теория во многом зависит от практики, ищет в ней подтверждений или опровержений своих концепций - великий процесс восхождения мысли от абстрактного к конкретному. Практика оперирует непреложными, объективно-истинными фактами, хотя сами по себе они не могут решить проблемы. Гипотезы, предположения, интуитивные догадки могут рассыпаться, не выдержав критерия практики, но факты, послужившие основой для построения гипотез, остаются незыблемыми и лишь переходят из одной системы знания в другую. История развития теории управления с ее находками и поражениями, созданием новых оригинальных гипотез и отторжением их практикой подтверждает эту мысль. Наука располагает мощными средствами познания мира - методом анализа, т.е. расчленения явления на его составные части, свойства, ступени развития, и методом синтеза - обобщения, составления цельной картины изучаемого процесса. Анализ предшествует синтезу, их объединяет органическая, внутренне необходимая связь.

Теория управления персоналом или наука об административном управлении далеко не всегда может, к сожалению, опираться на дедуктивные и экспериментальные методы исследований, так как изучаемые явления нельзя изолировать от влияния внешней среды и побочных факторов. Помимо анализа и синтеза наука (и особенно искусство) располагает еще одним удивительным, таинственным инструментом - интуицией. Несомненно, что интуиция базируется на эмпирическом и теоретическом знании изучаемого явления, но внезапность срабатывания механизма интуиции, "озарение", остается загадкой, и надежда, что интуиция, как универсальная отмычка, способна вскрыть сейфы кладовых знаний, совершенно иллюзорна. Интуиция - результат напряженной работы человеческой мысли, постоянного, настойчивого поиска решения проблемы. Так было и со знаменитым яблоком Ньютона, и со сном Менделеева, и с музыкальными находками композиторов. Интуитивной находке еще предстоит пройти сложный путь от замысла, идеи, гипотезы до вердикта практики.

Поскольку управление является не только наукой, но и искусством, то роль интуиции в принятии управленческих решений особенно велика и ответственна, тем более что эти решения обычно принимаются при остром дефиците времени и обычно отмене не подлежат. Сейчас, когда наша страна находится в стадии мучительных поисков политических и экономических решений, особо важно, чтобы руководитель любого уровня понимал - успешное управление фирмой, предприятием и, наконец, государством возможно лишь при знании научных основ управления и умении творчески применить эти знания, т.е. при владении искусством управления.

В практической деятельности управляющие находятся в постоянном контакте с изменяющейся средой и обязаны принимать решения с учетом случайных явлений и конкретных ситуаций, основываясь на собственном опыте и интуиции. Творческие поиски оптимального, нетривиального решения придают управлению характерные черты искусства. Более того, ряд крупных ученых и практиков (Г. Кунц, С. О'Доннел и др.) категорично настаивают на том, что управление в первую очередь является искусством: "Процесс управления есть искусство, суть которого состоит в применении науки (основ организованного знания в области управления) к реальностям любой ситуации". И далее, о роли науки в управлении: "Хотя деятельность по управлению - это искусство, лица, занимающиеся ею, достигнут лучших результатов, если будут понимать и использовать лежащую в основе этого искусства науку. Когда важность результативности и эффективности группового сотрудничества признается в любом обществе, можно смело утверждать, что управление - важнейшее из всех искусств".

Во всех сферах человеческой деятельности наука и искусство не исключают, а дополняют друг друга. В управлении, когда в результате групповой деятельности любое решение отличается от альтернативных вариантов (если не целью, то методами), умение найти разумный компромисс с минимальными потерями является проявлением искусства управляющего. Вполне объяснимо, почему среди достижений мировой управленческой мысли особое место занимает один из высших разделов теории управления - искусство управления. Действительно, не каждому дано овладеть этим искусством, как, впрочем, и любыми другими его видами, но знать основы искусства управления, стараться применять его важнейшие принципы и методы - обязанность каждого специалиста и руководителя любого уровня.

Грамотный инженер, хорошо знающий технику и технологию на своем участке работы, но не владеющий специальными знаниями и опытом управленческой работы, сможет в лучшем случае стать средним, заурядным руководителем, но если у него хватит решимости уйти от своего узкого, ограниченного профессиональными рамками мировоззрения специалиста, проявить настойчивость в изучении принципов и психологических основ управления, то, обладая талантом руководителя, он может стать настоящим организатором производства и признанным лидером своего коллектива.

Руководитель должен быть незаурядной личностью, мастерски владеющей искусством общения, убеждения, диалога, иметь острый, неординарный ум и солидную эрудицию во всех сферах жизни и знаний.

В широком смысле термин "искусство" применим к любой сфере человеческой деятельности, когда какая-либо работа выполняется умело, мастерски, искусно в технологическом, а часто и в эстетическом смысле.

Наука и искусство основаны на творчестве в отличие от репродуктивной деятельности, направленной на количественное воспроизведение достигнутого стандарта.

Теория управления не может дать готовые рекомендации для конкретных жизненных ситуаций, и каждый человек принимает решения, основываясь на интуиции и собственном опыте. Но любая импровизация опирается на глубокое знание законов, научно обоснованных и понятых человеком методов мастерства. В основе любого вида искусства лежат продуманные обобщения, возникающие в процессе творчества. По-настоящему можно понять произведение искусства, только постигнув законы композиции, законы творчества. Знание принципов управления делает выбор методов искусства управления более обоснованным и действенным. Кунц и О'Доннел в книге о системном и ситуационном анализе управленческих функций говорят: "Управление - это искусство, подобно медицине или композиторской деятельности, инженерному делу или футболу. Но всякое искусство использует лежащее в его основе организованное знание (концепции, теории, принципы, методы) и применяет его с учетом реальной обстановки для достижения желаемого практического результата".

Искусство управления - способность человека принимать нетривиальные решения в условиях дефицита информации и времени. В основе его лежат методология и принципы науки управления, которая, в свою очередь, является дисциплиной периода интеграции наук и опирается на достижения теории автоматического регулирования, теории информации, кибернетики, экономики и реагирует на изменения основных концепций политической жизни общества. Одновременно искусство управления впитало в себя мировые достижения психологии, логики, риторики, этики, философии, права, а также методы воздействия на алчность и социум различных религиозных конфессий (рис. 5.1).

Профессиональная подготовка кадров управления является одним из высокорентабельных вложений, поскольку лишь выполнив эту задачу, мы сможем подняться на уровень высших экономических достижений и преодолеть пропасть нищеты, в которую скатывается страна в последние годы. "В стране, которой хорошо управляют, стыдятся бедности.

Рис. 5.1. "Генеалогическое древо" искусства управления

управление автоматика энергия информация

В стране, которой управляют плохо, стыдятся богатства", -- говорил Конфуций две с половиной тысячи лет назад, и нам нужно научиться управлять страной хорошо.

Словом, для эффективного управления необходимо знать его теоретические основы, иметь практический опыт и уметь творчески использовать теорию и практику, т.е. владеть искусством управления.

5.2 Особая сложность и актуальность теории и практики управления

Итак, цель науки управления - изучение и совершенствование принципов, структур, методов и техники управления. Поиск оптимальных методов управления ведется постоянно и в большом диапазоне, от технологических (ручное, автоматическое, телемеханическое управление, АСУ) до экономических, административных и социально-психологических. Метод управления можно определить как способ воздействия на управляемую систему для реализации поставленных задач. Методы управления зачастую дополняют друг друга, выбор их ориентирован на экономическую целесообразность, своевременность и доступность каких-либо из основных методов.

Решение проблем управления связано со значительными трудностями, так как наряду с процессами, которые поддаются количественным измерениям (затраты ресурсов в количественном и стоимостном выражении, расход энергии, металлоемкость и т.д.), есть и такие, что не поддаются объективной количественной оценке:

- эффективность действующих методов воздействия на коллектив,

- воздействие моральных стимулов и системы мотиваций на производительность труда, значение административного предвидения и прогнозирования, психологический климат и т.п.

Анализ и оценка этих явлений возможны лишь после длительного экспериментирования с последующей математической обработкой полученных результатов.

Процесс управления технологическими объектами, машинами, станками имеет свои сложности, но физические объекты значительно надежнее выполняют команды управления, их действия, алгоритм поведения вполне предсказуемы, а вот управлять людьми значительно сложнее. Человек, вежливо улыбаясь, может продолжать бездельничать, несмотря на самые строгие приказы и предупреждения, - таков уж человек, не всегда можно быть уверенным в логичности, целесообразности и предсказуемости его поведения.

Рост сложности систем управления определяется постоянным повышением производительности труда и скорости обработки оперативной информации, вводом в эксплуатацию все более сложных и совершенствованием действующих технологических объектов (энергетических и транспортных систем, каналов связи и т.п.), увеличением количества взаимодействия между элементами экономических и государственных систем.

Результаты социологических исследований являются необходимой базой для проверки теорий и гипотез управления, основанных на единстве анализа и синтеза процессов и факторов управления. Сложность выполняемых экспериментов и их последующая математическая обработка требуют привлечения большого количества квалифицированных научных специалистов, разработки специальных методик и программ.

Рост масштабов производства, его усложнение постоянно увеличивают удельный вес и численность специалистов, в том числе и управленцев, в общей численности работников фирм и предприятий, требующих специалистов в области управления. Статистические данные показывают, что к 1996 г. в России функционировало около 1 млн. самостоятельных предприятий, фирм и организаций, объединенных сложными хозяйственными и информационными связями. Постепенно восстанавливаются производственно-хозяйственные связи. Сейчас, когда круг пользующихся техническими средствами обработки и передачи информации существенно расширился, необходимо при создании, закупке и эксплуатации технических и программных средств учитывать физиологические и психологические особенности и возможности людей. Весьма сложны и специфичны отношения как между руководителем и подчиненными, так и межличностные отношения внутри коллектива, которые должны быть под непрестанным, но ненавязчивым контролем. Эффективность функционирования этих сложных организационных систем во многом зависит от искусства руководителя, его таланта и знания законов управления. Труд квалифицированного менеджера оплачивается весьма высоко: средний оклад президента японской компании превышает заработок опытного рабочего в 11 раз, а в американских компаниях -- более чем в 30 раз. Не случайно, что проблема элитарности специалистов в области управления в последние годы стала обращать на себя все более пристальное внимание, хотя еще в 1941 г. эта проблема изучалась в работе крупного специалиста по управлению Дж. Бэрнхема "Менеджерская революция". Автор одним из первых обратил внимание на то, что лидирующее положение в обществе переходит от собственников предприятий к менеджерам, которые образуют вполне определенный элитарный социальный слой. Такая социально-экономическая ситуация объясняется тем, что именно в руках менеджеров сконцентрирована фактическая власть, позволяющая им контролировать практически все технологические, социальные и финансовые процессы и влиять на стратегическое будущее предприятия. Растет и количество специалистов, осуществляющих функции управления

5.3 Управление как система

Развитие общества и народного хозяйства невозможно без реализации определенного свода законов, правил, норм, алгоритма поведения общества в целом и его составляющих - производственных коллективов, неформальных объединений людей вплоть до семьи как первичной основы социума. Этот процесс воздействия на социум, на его материальное производство и является предметом изучения науки управления. Несомненно, что каждый объект управления (государство, отрасль, предприятие, коллектив, личность) характеризуется существенными особенностями, отличиями, но научные методы управления имеют в своем арсенале общие принципы и методы воздействия на любой управляемый объект. Теория, практика и искусство управления применяются руководителем для достижения цели своей деятельности и позволяют выработать стратегию, комплекс средств и методов для решения поставленных задач при персональной ответственности за принимаемые управленческие решения. Определение целей, стратегии управления и осуществление принятых решений с помощью производственного коллектива составляют основной комплекс функциональных обязанностей руководителя.

Каждый из управляемых объектов является системой, состоящей из отдельных, но взаимосвязанных частей, элементов. Причем система приобретает новые свойства, которыми не обладают составляющие ее элементы. Так, толпа - это не сумма отдельных личностей, это новое образование, новый организм со своими особенностями, который подчиняется иным законам, чем составляющие ее отдельные люди. В общем случае система состоит из множества взаимосвязанных элементов, каждый из которых обладает присущими ему свойствами, но в целом все они действуют целенаправленно. Информационные связи между элементами системы исследуются логическим и математическим аппаратом кибернетики.

Управление обеспечивает непрерывное и целенаправленное воздействие на управляемый объект, которым может быть технологическая установка, коллектив или отдельная личность. Управление есть процесс, а система управления - механизм, который обеспечивает этот процесс. Любой динамический процесс, в котором могут участвовать и люди, состоит из отдельных процедур, операций и взаимосвязанных этапов. Их последовательность и взаимосвязь составляют технологию управленческого (в нашем случае) процесса. Строго говоря, технология управления состоит из информационных, вычислительных, организационных и логических операций, выполняемых руководителями и специалистами различного профиля по определенному алгоритму вручную или с использованием технических средств. Технология управления -- это приемы, порядок, регламент выполнения процесса управления.

Часто технологический процесс управления осуществляется в условиях неопределенности, при неполноте исходной информации. Однако дефицит информации не является непреодолимым препятствием для принятия прогнозного управленческого решения. Например, при изменении условий внешней среды предприятие, стремящееся к выживанию и достижению максимальной прибыли, будет адекватно реагировать на эти изменения и механизм адаптации предприятия, принимаемые управленческие решения могут быть многовариантными (невольно напрашивается аналогия с естественным отбором в биологической эволюции).

Управление производством, как и управление коллективом, является процессом, характеризующимся совокупностью операций и методов воздействия управляющей подсистемы на управляемую.

Управленческая операция - законченное и целесообразное действие, направленное на выполнение конкретной задачи технического, организационного или социального характера. Каждая операция выполняется в соответствии с определенными правилами, инструкциями и должна быть увязана с предыдущими и последующими операциями технологического цикла. Прохождение операций во времени и пространстве и составляет процесс управления (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Порядок выполнения операций: а - последовательный; б - параллельный; в - параллельно-последовательный

При последовательном сочетании операций каждая последующая начинается после окончания предыдущей, при параллельном - одновременно выполняются отдельные процедуры, что ускоряет процесс и создает условия для групповой обработки информации. Системы управления должны быть динамичными и детерминированными, т.е. обеспечивать реакцию на изменения окружающей среды и взаимосвязь элементов, подразделений органов управления. Если в организационной структуре есть элемент, действия которого не влияют на поведение системы и не реализуют ни одну из целей ее функционирования, то это является верным признаком ненужности этого элемента.

Управление не может претендовать на статус точной науки, поскольку процесс управления протекает в условиях значительной неопределенности и для него характерно множество внешних и внутренних переменных. Однако наука управления позволяет систематизировать, анализировать управленческий процесс и разрабатывать рекомендации по его оптимизации. Принципиально процесс управления характеризуется двумя основными составляющими: управляющей системой и объектом управления. Этими составляющими могут быть руководитель и подчиненный, диспетчер и заводские цехи, человеческий мозг и управляемые им через нервную систему органы. Основная особенность процесса управления - единство и взаимосвязанность его составных частей, что обеспечивается обратной связью. В этом случае управление осуществляется по замкнутому циклу.

Рис. 5.3. Принципиальная схема управления

Информация о состоянии управляемого объекта по каналу обратной связи поступает в орган сравнения (ОС) системы, который может внести необходимые коррективы в процесс управления.

Различают технические системы (энергосистемы, нефте-, газопроводы, информационно-вычислительная сеть, технологический процесс и т.д.), социально-экономические системы (отдельные предприятия, отрасли, транспортные системы, сфера обслуживания и торговля и т.п.) и отдельно выделяют особо сложные системы - организационные, основным элементом которых является человек - элемент сам по себе сложный, активный и далеко не всегда предсказуемый.

Для оптимизации и особенно автоматизации управления необходимо разрабатывать формализованные модели, но составить модель организационной системы весьма трудно, а иногда и просто невозможно. Однако в организационных системах именно человек принимает управляющие решения, и потребность в формализации его действий особенно велика. Организационные системы находятся в состоянии постоянного развития, которое связано с появлением новых потребностей, с постоянным изменением хозяйственного механизма, внутренних и внешних условий, а это влечет за собой изменение связей между элементами системы и всей системы в целом. Можно констатировать, что основной задачей организационной системы является динамическое управление совокупностью взаимосвязанных объектов с изменяющейся структурой.

Для удобства изучения и совершенствования систем выполняется декомпозиция систем, т.е. их расчленение на группы элементов, объединяемых по какому-то определенному признаку и называемых подсистемами.

Если процесс управления осуществляется человеком (оператор, диспетчер, в общем случае - руководитель), то такая система называется неавтоматической (рис. 5.4). Воздействие на управляемый объект в таких системах может осуществляться различными способами: механическим или электрическим (гидравлический или пневматический привод, изменение величины тока, напряжения или частоты переменного тока, комбинация электрических импульсов - системы телемеханики и т. д.), по телефону или с помощью другого устройства связи, если управляемый объект имеет исполнителей. Все эти средства передачи сигналов управления образуют цепь управления объектом.

Рис. 5.4. Схема неавтоматического (ручного) управления объектом

Для целесообразного управления объектом руководитель должен иметь информацию о его состоянии с помощью приборов или через исполнителей. Эта информация поступает руководителю по каналу обратной связи, сравнивается с требуемым режимом работы, и в случае необходимости на управляемый объект посылаются сигналы регулирования. Следует подчеркнуть, что объектом управления может быть не только техническое устройство, технологическая линия, но и такие сверхсложные управляемые системы, как коллектив, семья, личность. В этом случае управление системой часто бывает весьма трудным, требующим большого опыта, знаний и искусства, так как ее реакции на команды управления зачастую неадекватны, иногда даже непредсказуемы и парадоксальны.

В автоматических системах управления технологический процесс осуществляется без непосредственного участия человека (рис. 5.5). В этих случаях роль человека передается регулятору, который на основании полученной информации принимает соответствующее решение (эта антропоморфная, "человекоподобная" терминология прочно укрепилась в науке и технике, хотя, естественно, регулятор не "думает" и не "принимает решений").

Рис. 5.5. Схема автоматического управления объектом

Функции одного из самых совершенных регуляторов обычно выполняет компьютер с его колоссальным быстродействием и практически неограниченной памятью. И очень существенно, что решения компьютера абсолютно объективны, он не знает состояния похмелья, ему нельзя предложить взятку, он не реагирует ни на голубые, ни на карие глаза и не подвержен стрессам.

Комплексная автоматизация является основным направлением научных и практических исследований, имеющих целью повышение производительности труда, принципиальное увеличение надежности работы систем и создание новой информационной технологии. Области применения автоматизированных систем постоянно расширяются, они поглощают все новые и новые сферы привычной деятельности человека. Им поручается управление особо сложными технологическими процессами, доверяются системы контроля и управления системами жизнеобеспечения, автоматические системы незаменимы для управления быстро протекающими во времени или опасными для жизни человека технологическими процессами. Ведь кто-то сейчас, в эту минуту, управляет технологическим процессом производства взрывчатых веществ - пороха, динамита, тринитротолуола, нитроглицерина, кто-то занят производством высокотоксичных, ядовитых медицинских препаратов - во всех этих производственных процессах участие человека крайне нежелательно. Весь комплекс космических исследований, наведение ракеты на стратегическую цель, управление сложными энергетическими системами, где процессы протекают практически мгновенно, системы защит, блокировок, ввода резерва - ведение всех этих технологических процессов, как и многих других, совершенно невозможно без автоматических систем управления. И магистральный путь современной науки и техники - передать из ненадежных рук человека управление возможно большим количеством объектов системам комплексной автоматики, чтобы не повторились аварии и катастрофы типа чернобыльской. Из всего спектра автоматических систем (информационных, обработки информации, советующих) наиболее перспективными являются автоматизированные системы принятия решений, в которых вариант решения, рассчитанный компьютером и сверенный с системой целей, принимается к исполнению автоматически через соответствующие исполнительные механизмы.

Любопытно сравнить автоматическую систему управления с системой управления и регулирования, действующей в живом организме (нам нужны будут эти аналогии). Великий русский физиолог И.П. Павлов писал: "Животный организм как система существует среди окружающей природы только благодаря непрерывному уравновешиванию этой системы с внешней средой, т.е. благодаря определенным реакциям живой системы на попадающие на нее извне раздражения, что у более высших животных осуществляется преимущественно при помощи нервной системы в виде рефлексов". Центральная нервная система (спинной и головной мозг), выполняющая функции регулятора, связана через двигательные нервы с органами, являющимися управляемыми объектами (рис. 6.6).

Рис. 5.6. Схема управления органами живого организма

Рассматривая приведенные схемы управления, можно сделать вывод об их существенном структурном сходстве и о совпадении функций аналогичных элементов различных систем управления. Во всех рассмотренных системах, где роль управляющего объекта выполняет человек, регулятор или мозг, имеется замкнутый контур управления, по которому циркулирует информация, - канал связи. По каналам связи информация может быть передана различными способами: механическим, пневматическим, электрическим или с помощью нервных коммуникаций в живых организмах. Это удивительное подобие процессов управления и регулирования в машинах, живых организмах и даже в обществе (причем не только в человеческом, но также среди животных, насекомых) уже давно было отмечено учеными различных отраслей знания, изучалось ими, и можно было предвидеть выход на новые рубежи знания.

6. Проблема целостного понимания окружающего мира как единого эволюционного процесса

Как известно, в основе научно-фундаментальных знаний бакалавра и магистра лежит та научная картина мира, которая формируется в процессе изучения принятой в настоящее время базовой парадигмы естествознания. Очевидно, что сейчас чрезвычайно актуальна проблема целостного видения и понимания окружающего мира - природы, техники, человека и общества - как единого эволюционного процесса. Именно синтез гуманитарных и естественных наук, возврат к изначально единой культуре человека и есть тот путь к новому пониманию природы, человека, техники и общества как к единому эволюционному процессу, который должен быть сформирован у будущего выпускника университета. До сих пор многие вузы выпускали, по большей мере, "широких специалистов" в весьма узких областях, а чаще - "узких специалистов" для вертикального бурения "колодцев специализации". В науке уже давно бытует метафора о шахтном способе добычи различных специальных знаний. Эта метафора фактически существует с момента зарождения классической науки. Великий Ньютон писал: "Тот, кто копается в глубоких шахтах знания, должен, как и всякий землекоп, время от времени подниматься на поверхность подышать свежим воздухом". Очевидно, Ньютон тогда, на заре классической науки, не предполагал, что именно такой, казавшийся весьма эффективным, способ получения знаний, приведет через 300 лет к своей противоположности, т.е. станет фактически преградой на пути развития науки. Сейчас всем ясно, что именно узкая специализация приводит к перепроизводству информации, т.е. ведет к неожиданному парадоксу: чрезмерно большое количество частных результатов приводит к информационному голоду в разных областях знания.

И, как это ни покажется странным, именно компьютер - великое изобретение человека - в немалой степени способствует информационному голоду. Дело в том, что современный компьютер, оперируя с огромным количеством данных, создает у неискушенного студента иллюзию всеохватности изучаемой проблемы. В действительности же компьютер способствует размножению деталей и частностей рассматриваемого явления, придавая важную роль "дико частным" случаям. Знаменитый кибернетик С. Бир еще в 1970 г. писал: "Данные - это злокачественная опухоль, новейшая разновидность загрязнения окружающей среды". К сожалению, положение с тех пор только усугубилось. Современная повальная шизофреническая увлеченность компьютерами уводит студента от качественного мышления и целостного восприятия окружающего мира. Наивные любители компьютерных забав, среди которых немало тех, кто ни разу в своей жизни не встречался с реальными явлениями, "пудрят мозги" студентам о всесильности компьютеров, транслируя свою научную инфантильность на новое поколение. Этим "ученым" следовало бы знать и правдиво сообщить студенту, что никакого компьютерного интеллектуального прорыва, к глубокому сожалению, вовсе не произошло. Человечество продолжает "топтаться" возле старых принципиально трудных задач. Современные суперкомпьютеры так и не решили многие из "вечных" и широко известных задач, например, задачу полного исследования динамики трех (всего лишь!) тел или задачу среднесрочного (несколько месяцев!) прогноза погоды и т.д. Интеллектуальная "мощь" человечества уперлась в динамическую задачу третьего порядка. В этом смысле человечество все еще остается "темным" - в мифологиях многих народов по поводу размерности проблем говорится: "Один, два, а дальше - тьма!". Так, что компьютеры пока еще не вывели нас из многовековой интеллектуальной тьмы и, похоже, в обозримом будущем они этого не сделают. А ведь нас окружают сплошь высокоразмерные нелинейные проблемы, не решив которые мы останемся в положении "интеллектуального дикаря" с компьютером. Отсюда понятно, что всякая суета с информатизацией высшего образования в России, как новой панацеи от всего и вся, - это, по меньшей мере, нелепость и некомпетентность ее лукавых приверженцев. Россия уже проходила этапы всеобщей электрификации, химизации, АСУ-шизации и т.д.

В основе информатизации лежат так называемые "новые информационные технологии" (НИТ), т.е. нечто зыбкое, непрерывно меняющееся и, следовательно, частное. Однако, как известно, базовыми постулатами высшего образования являются универсальность и фундаментальность, т.е. то, что не подвержено суетливости и сиюминутному модному поветрию. Это означает, что НИТ не могут в принципе явиться базисом или концепцией современного образования. Компьютер и НИТ - это, конечно, замечательный и весьма удобный технологический инструмент, который, однако, не может быть "героем" высшего образования по своей сущности. Для формирования концепции университетского высшего образования, очевидно, следует опираться на нечто более фундаментальное, а именно на новые универсальные закономерности современного естествознания. "Мы унаследовали, - говорил великий физик Э. Шредингер, - от наших предков острое стремление к объединяющему, всеохватывающему знанию. Самое название, данное высочайшим институтом познания - университетом, напоминает нам, что с древности и в продолжение многих столетий универсальный характер знаний был единственным, к чему могло быть полное доверие".

Итак, современная концепция высшего российского образования заключается вовсе не в простейшей информатизации. Основоположник синергетики и известный физик Г. Хакен говорил: "Информацию, перегруженную огромным количеством деталей, затемняющих существо дела, необходимо сжать, превратив в небольшое число законов, концепций и идей". И в этой связи возникает вопрос: учитывая непомерную специализацию прикладных и технических наук, на какой единой научной базе формировать у студента указанный целостный взгляд на окружающий нас мир? Оказалось, что в последние годы в силу самой логики развития науки в ней начались и сейчас значительно ускорились интеграционные процессы, связанные с кооперативными явлениями. Указанное обобщающее направление о сложных процессах различной природы - синергетика - базируется на современных физико-математических подходах, существенно отличающихся от классических методов, на которых основано современное образование, свойством самоорганизации в нелинейных системах. В настоящее время формируется новая интегральная наука - синергетика, изучающая коллективные вопросы самоорганизации, охватывающие практически все современные отрасли знаний о косной и живой природе, технические и экономические науки. Эта обобщенная наука основана на нелинейной динамике и теории самоорганизации, как базовых научных дисциплинах. Учитывая обобщенный характер синергетики как единой теории самоорганизации систем любой природы, она непременно должна изучаться всеми магистрами и аспирантами современного университета.

Буквально на глазах, в течение короткого времени синергетика - теория самоорганизации - превращается во всеобщую теорию развития, имеющую весьма широкие мировоззренческие последствия. Смысл и содержание этой новой интегральной науки состоит в том, что в открытых системах, обменивающихся с внешней средой энергией, веществом и информацией, возникают процессы самоорганизации, т.е. процессы рождения из физического (биологического, экономического, социального) хаоса некоторых устойчивых упорядоченных структур с новыми свойствами систем. Это общее определение справедливо для систем любой природы. Подчеркнем два фундаментальных свойства высокоэффективных синергетических систем любой природы - это, во-первых, обязательный обмен с внешней средой энергией, веществом и информацией и, во-вторых, непременное взаимосодействие, т.е. когерентность поведения между компонентами системы. Об этих кардинальных свойствах синергетических систем следует знать как современному руководителю коллектива, так и специалисту в конкретной области деятельности.

Синергетика, по существу, является тем эволюционным естествознанием, которое позволяет теперь уже говорить о возникновении единого метаязыка инженера, естественника и гуманитария и, следовательно, осуществить возврат к целостному пониманию природы на основе единой научной концепции. Эта концепция современного естествознания, ставшая общепризнанной и у нас, и за рубежом, должна быть включена в структуру научно-фундаментального образования выпускника технического университета. На основе данной концепции можно построить новое отношение к процессу интегрального познания и самой науки; разрушить барьеры, установленные между отдельными отраслями высшего образования, науки и техники в виде специальных терминов и узкого профессионализма. В настоящее время общим признаком, характерным для многих отраслей знания, является выявление и формирование самоорганизующихся устойчивых структур, отражающих фундаментальные принципы современной науки.

7. Роль вычислительной техники и информатики в теории и технике управления

7.1 История развития вычислительной техники и информатики

Появление и развитие электронной вычислительной техники во второй половине ХХ века оказало и продолжает оказывать огромное влияние на мировое общество и мировую экономику. Значимость информационных технологий на основе компьютеризации носит глобальный характер. Их воздействие касается государственных структур и институтов гражданского общества, экономической и социальной сфер, науки и образования, культуры и образа жизни людей.

В наше время жизнь каждого отдельного человека и всего социума в целом тесно связана с компьютером. Электронно-вычислительная техника всё шире входит во все сферы нашей жизни. Компьютер стал привычным не только в производственных целях и научных лабораториях, но и в студенческих аудиториях и школьных классах. Непрерывно растёт число специалистов, работающих с персональным компьютером, который становится их основным рабочим инструментом. Ни экономические, ни научные достижения невозможны теперь без быстрой и четкой информационной связи и без специального обученного персонала.

В продолжение всей истории вычислительной техники дискутируется проблема специализации средств вычислительной техники (СВТ) и вычислительных систем (ВС) в постановке: альтернатива это или дополнение к направлению развития универсальных компьютерных систем. Станет ли "универсальная" ВС "специализированной", если в ее состав будет включен, например, специализированный процессор? Вместе с тем, любая конкретная универсальная ВС ограничена сферой своего целевого назначения и вследствие этого приобретает свойства специализированности (по крайней мере, на уровне прикладного программного обеспечения).

Академик В.М. Глушков подчеркивал: "… требования увеличения эффективности оборудования, а также упрощения программирования и облегчения общения с человеком ведут к специализации процессоров, хотя каждый из таких специализированных процессоров будет оставаться алгоритмически универсальным и потому в принципе пригодным и для других применений"

Кроме того, успешная реализация ряда современных проектов, связанных с разработкой и производством современных военных систем, позволяет говорить о серьезном прорыве в традиционных подходах к формированию технической и бизнес-политики создания компьютерных систем. Основу этого прорыва составляет то, что для реализации военных проектов широко использованы готовые аппаратные и программные технологии открытого типа, ранее широко апробированные и стандартизированные на рынке общепромышленных гражданских приложений. Это так называемые COTS-технологии (Commercial Off-The-Shelf - "готовые к использованию"). Нормативная база COTS-технологий развивается и поддерживается как в рамках международных (IEC/МЭК, ISO) и национальных (ANSI, DIN, IEEE, ГОСТ) организаций по стандартизации, так и в рамках крупных профессиональных консорциумов (ARINC, PCISIG, VITA, PICMG, Group IPC и т.д.). Стандартизация ведется совместными усилиями большого числа конкурирующих компаний: Motorola, HP, IBM, Sun, производящих совместимую серийную технику.

7.2 Тенденции развития вычислительных систем

Информатика и её практические результаты становятся важнейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общества. Её технической базой являются средства обработки и передачи информации. Скорость их развития поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Можно утверждать, что история вычислительной техники уникальна, прежде всего, фантастическими темпами развития аппаратных и программных средств. В последнее время идет активный рост слияния компьютера, средств связи и бытовых приборов в единый набор. Будут создаваться новые системы, размещенные на одной интегральной схеме и включающие кроме самого процессора и его окружения, еще и программное обеспечение.

Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам - вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким диапазоном функциональных возможностей и характеристик.

Наиболее перспективные, создаваемые на основе персональных ЭВМ, территориально распределенные многомашинные вычислительные системы - вычислительные сети - ориентируются не столько на вычислительную обработку информации, сколько на коммуникационные информационные услуги: электронную почту, системы телеконференций и информационно-справочные системы.

Специалисты считают, что в первой четверти XXI в. в цивилизованных странах произойдет смена основной информационной среды. Удельные объемы информации, получаемой обществом по традиционным информационным каналам (радио, телевидение, печать) станут катастрофически малы по сравнению с объемами получаемой информации посредством компьютерных сетей.

Прогнозируется дальнейший рост массового производства и распространения персональных ЭВМ, встраиваемых микропроцессоров, создания глобальных и региональных сетей обмена информацией. Примером здесь является развитие сети Internet.

Уже сегодня пользователям глобальной сети Internet стала доступной практически любая находящаяся в хранилищах знаний этой сети не конфиденциальная информация.

Электронная почта Internet позволяет получить почтовое отправление из любой точки Земного шара (где есть терминалы этой сети) через 5 с, а не через неделю или месяц, как это имеет место при использовании обычной почты.

В Массачусетском университете (США) создана электронная книга, куда можно записывать любую информацию из сети; читать эту книгу можно, отключившись от сети, автономно, в любом месте. Сама книга в твердом переплете, содержит тонкие жидкокристаллические индикаторы - страницы с бумагообразной синтетической поверхностью и высоким качеством "печати".

При разработке и создании собственно ЭВМ существенный и устойчивый приоритет в последние годы имеют сверхмощные компьютеры - суперЭВМ и миниатюрные, и сверхминиатюрные ПК. Ведутся, как уже указывалось, поисковые работы по созданию ЭВМ 6-го поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре, - нейрокомпьютеров. В частности, в нейрокомпьютерах могут использоваться уже имеющиеся специализированные сетевые МП - транспьютеры.

Транспьютер - микропроцессор сети со встроенными средствами связи. Например, транспьютер IMS T 800 при тактовой частоте 30 МГц имеет быстродействие 15 млн. оп/с (операций в сек.), а транспьютер Intel WARP при тактовой частоте 20 МГц - 20 млн. оп/с (оба транспьютера 32-разрядные).

Ближайшие прогнозы по созданию отдельных устройств ЭВМ:

1. Микропроцессоры с быстродействием 1000 MIPS (MIPS - скорость операций в единицу времени) и встроенной памятью 16 Мбайт.

2. Встроенные сетевые и видеоинтерфейсы;

3. Плоские (толщиной 3-5 мм) крупноформатные дисплеи с разрешающей способностью 1000x800 пикселей и более;

4. Портативные, размером со спичечный коробок, магнитные диски емкостью более 100 Гбайт. Терабайтные дисковые массивы на их основе сделают практически ненужным стирание старой информации.

Повсеместное использование мультиканальных широкополосных радио-, волоконно-оптических, а в пределах прямой видимости и инфракрасных каналов обмена информацией между компьютерами обеспечит практически неограниченную пропускную способность (трансфер до сотен миллионов байт в секунду).

Широкое внедрение средств мультимедиа, в первую очередь аудио- и видеосредств ввода и вывода информации, позволит общаться с компьютером на естественном языке. Мультимедиа нельзя трактовать узко, только как мультимедиа на ПК. Можно говорить о бытовом (домашнем) мультимедиа, включающем в себя и ПК, и целую группу потребительских устройств, доводящих потоки информации до потребителя и активно забирающих информацию у него.

Этому уже сейчас способствуют:

1. Зарождающиеся технологии медиа-серверов, способных собирать и хранить огромнейшие объемы информации и выдавать ее в реальном времени по множеству одновременно приходящих запросов;

2. Системы сверхскоростных широкополосных информационных магистралей, связывающие воедино все потребительские системы.

Названные ожидаемые технологии и характеристики устройств ЭВМ совместно с их общей миниатюризацией могут сделать всевозможные вычислительные средства и системы вездесущими, привычными, обыденными, естественно насыщающими нашу повседневную жизнь.

Специалисты предсказывают в ближайшие годы возможность создания компьютерной модели реального мира, такой виртуальной (кажущейся, воображаемой) системы, в которой мы можем активно жить и манипулировать виртуальными предметами. Простейший прообраз такого кажущегося мира уже сейчас существует в сложных компьютерных играх. Но в будущем можно говорить не об играх, а о виртуальной реальности в нашей повседневной жизни, когда нас в комнате, например, будут окружать сотни активных компьютерных устройств, автоматически включающихся и выключающихся по мере надобности, активно отслеживающих наше местоположение, постоянно снабжающих нас ситуационно необходимой информацией, активно воспринимающих нашу информацию и управляющих многими бытовыми приборами и устройствами.