KURZUS: Rendszer és irányítás

MODUL: III. modul: Az irányítás

4. lecke: A kibernetika

| A rendszer és az információ után eljutottunk a 3. alapfogalom, az irányítás tárgyalásához. Látszólag ezt sem kellene magyarázni, hiszen mindenki tudja, hogy mit jelent valamit irányítani. Az élet minden területén találkozunk vele, kezdetben, mint irányított, később esetleg irányítóként, és az esetek jelentős részében mind a két funkciónak alanyai vagyunk.
Valamit irányítani - vezetni - azonban nem csak a fogalom felületes ismeretét igényli. Nem akarjuk túldimenzionálni a kérdést - elvégre ez nem vezetőképző tananyag - de ahhoz, hogy hatékonyan működő informatikai rendszereket fejleszthessünk, alapvetően szükséges az irányítási folyamatok, rendszervizsgálati módszerek átfogó ismerete.
Ebben a modulban megismerkedünk a kibernetika alapfogalmaival, a kibernetikai rendszerek vizsgálatával és az irányítás műveleteivel. Bár a kibernetika műszaki alapon jött létre, de törvényszerűségei minden rendszer-környezetben érvényesek.
Cél: A lecke célja, hogy a hallgató megismerje és megértse a kibernetika létrejöttét, szerepét, alapvető fogalmait és folyamatait. Az alapfogalmak a tananyag további részének elsajátítása során segítik azok részletesebb kifejtését, megértését.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes
definiálni a kibernetika alapfogalmait, ismeri a kibernetika vizsgálati módszereit, képes példákon szemléltetni a módszereket.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 30 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
kibernetika, Wiener, modellmódszer, feketedoboz módszer.
1. Bevezetés
Norbert Wiener a XX. század egyik legjelentősebb tudósa. Munkásságának legismertebb eredménye a kibernetika fogalmának definiálása, a tudományág alapjainak lefektetése. A kibernetika létrejöttét Wiener matematika-statisztikai alapon végzett információelméleti kutatásai és II. VH-s tevékenysége tette lehetővé. Wiener a háborút megelőző években és a háború alatt légvédelmi rendszerek irányításának kérdéseivel foglalkozott. 1948-ban a MIT professzoraként, "CYBERNETICS or Control and Communication in the Animal and the Machine" című könyvében tette közzé e téren elért eredményeit. Ez az időpontot, illetve művet tekintjük a kibernetika megszületésének. (Ajánlott irodalom: 7)
A kibernetika megszületése gyakorlatilag egybeesik a számítástechnika korszakának kezdetével. (Az 1930-tól zajló kutatások és fejlesztések - útkeresések - eredményeként 1946-ban készült el az ENIAC, az első elektronikus, digitális számítógép.) Kezdetben gyakorlatilag a kibernetika a számítástechnikát is jelentette, amely azonban - bár a szoros kapcsolat ma is fennáll - később önálló tudományterületté vált.
Az első kiadás borítója
1. ábra
Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/ Cybernetics:_Or_Control_and_Communication_in_the_Animal_and_the_Machine
A kibernetika szó a görög - micsoda véletlen! - cybernetics - κυβερνητική (cybernetice, kübernétész) - irányítás, kormányzás, vezetés jelentésű szóból származik. Angol nyelven az eredeti görög szó latin betűs formáját használják, más nyelvekben - pl. német: die Kybernetik vagy francia: cybernétique - felismerhető az eredeti alak.
2. Mi a kibernetika?
Wiener könyvének címe - Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine - a kibernetika definíciójának is tekinthető. Magyar fordításban: szabályozás és kommunikáció élőlényekben és gépekben. Értelmezve: ember-gép rendszerek működésének és irányításának a törvényszerűségeivel foglalkozó tudomány.
A kibernetika tárgya a rendszer és az információ, célja az információ felhasználásával a rendszer működésének szabályozása.
A kibernetikát sokan a műszaki rendszerek irányításával azonosítják, mivel az elmúlt évtizedek során a vezérlés és a szabályozás fogalmak alapvetően műszaki rendszereknél voltak használatban. Anélkül, hogy a kibernetika műszaki vonatkozásait tagadnánk, ki kell emelnünk, hogy a kibernetika nem csak ezen a területen, hanem bármely rendszer-információ-irányítás összefüggésben értelmezett fogalom. Manapság, amikor az informatikai rendszerek a társadalom és a gazdaság számos területét uralják, észre kell vennünk, hogy pontosan olyan ember-gép rendszerek működtetéséről van szó - nem beszélve a jövő (de részben már a jelen) MI-, AI-alapú megoldásairól vagy a robotika várható hatásairól - amely a Wiener által megfogalmazott kibernetika definíciónak tökéletesen megfelelnek. Ha ez nem lenne, akkor a kibernetika tárgyalását mellőzhetnénk az informatikus tananyagban.
A kibernetika segítségével rendszereket vizsgálunk és irányítunk.
A kibernetika alkalmazási területei:
Elméleti kibernetika: rendszerelmélet, játékelméletet, információelméletet és automaták elmélete. Alkalmazott kibernetika: műszaki kibernetika, biokibernetika, közgazdasági kibernetika, ...
A kibernetika főbb kutatási területei:
szabályozás, vezérlés, információfeldolgozás, információtovábbítás, automaták, tanulás.
A kibernetika dinamikus rendszerek vizsgálatával foglalkozik. Dinamikusnak azt a rendszert tekintjük, amelyek a külvilággal való kölcsönhatás során változnak. Ahhoz, hogy egy rendszer megfeleljen a dinamikus rendszer feltételének, kapcsolatban kell lennie a külvilággal, tehát a rendszer észlelje a környezet hatásait - információáramlás!
3. Technikatörténeti kitérő - előzmények
Mint láttuk, a kibernetika alapvetően a műszaki rendszerek irányításának diszciplínája. Az emberiség évezredek óta alkot - időnként meglehetősen komplikált - műszaki berendezéseket, amelyek korábban is irányítottak folyamatokat, illetve a berendezések maguk igényeltek irányítást. Hogy-hogy csak 1948-ban jött létre ez a tudományág? Wiener előtt nem foglalkoztak vele?
A válasz meglehetősen összetett. A történelem - különösen késő közép- és az újkori történelem során - rengeteg olyan műszaki alkotás született, amelyet joggal tekinthetünk kibernetikai rendszernek. Ahhoz viszont, hogy egy interdiszciplináris új tudományág létrejöjjön, sok más területen is el kellett érni a fejlődés egy bizonyos szintjét. A kibernetika esetében mindenekelőtt a matematikának kellett képesnek lenni az új műszaki találmányok tudományos igényű modellezésére. Ezt a matematika területén - egyebek mellett - főleg a valószínűségszámítás és statisztika XX. századi fejlődése jelentette. Meg kellett születni a rendszerelméletnek, az információelméletnek, szükség volt a technika ugrásszerű fejlődésére és nem utolsó sorban fel kellett ismerni a tudósoknak az összefüggéseket.
Nagyon messzire vezetne, ha minden eszközt, megoldást, ami összefüggésbe hozható a kibernetikával, megpróbálnánk górcső alá venni. Számos olyan műszaki- és tudományos alkotás van, amelyik több területhez - pl. számítástechnika, távközléstechnika, gépgyártástechnika stb. - is köthető. Hogy döntsük el pl., hogy Jacquard szövőgépe - amelynél lyukkártyás vezérlést használt - a számítástechnika vagy a kibernetika előfutára-e? Sok ilyen példát lehetne még hozni, de nincs szükség egy-egy találmány "kisajátítására", hiszen mind a számítástechnika, mind a kibernetika interdiszciplináris tudományok, amelyek ráadásul egymással - és még több másikkal - igen szorosan épülnek egymásra, mondhatjuk, szimbiózisban élnek.
A kibernetika előfutáraként így gyakorlatilag a XVII-XX. század szinte valamennyi jelentős tudományos és műszaki "produktumát" megemlíthetnénk.
Így ide kívánkozik:
a 2-es számrendszer (Leibniz, 1679), a Boole-algebra (G. Boole, 1854) vagy a már említett szövőgép (J. M. Jacquard, 1801), illetve az 1930-as évektől kezdődő számítógép-fejlesztések.
A távközléstechnika területéről is számos eseményt emelhetnénk ki, mindenekelőtt magának a távközléstechnikának a megjelenését, hiszen ez alapozta meg az információ fogalmának és szerepének létrejöttét, az információval kapcsolatos kutatások elindulását.
Nem folytatjuk, mivel szinte abbahagyni sem lehetne a felsorolást, csupán három, a kibernetikával nagyon szoros összefüggésbe hozható előzményt említenénk meg.
1. | A XVII. században a szélmalmok malomköveinek távolság-szabályozására már használták a centrifugál regulátort.
2. | J. Watt 1788-ban szintén centrifugál regulátort tervezett a gőzgép szabályozására. Ő ezt "centrifugal governor"-nak nevezte el.
3. | Végül a szabályozástechnika egyik első - máig alapművének tekintett - publikációt említünk. Maxwell, James Clerk (1868). "On Governors". Proceedings of the Royal Society of London.
Watt regulátora (Forrás: https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_governor)
2. ábra
4. A kibernetika vizsgálati módszerei
A kibernetika a rendszerek működését vizsgálja annak érdekében, hogy a rendszerek működését megfelelő irányba vigye. Ehhez először is a rendszer működését kell feltárni.
A rendszer megismerésére a kibernetika tudomány két módszert használ:
1. | feketedoboz-módszer és
2. | modellmódszer.
4.1. A feketedoboz-módszer
A feketedoboz-módszer esetén nem magukat a folyamatokat vesszük vizsgálat alá, hanem a rendszer bemeneteit és az azokra adott válaszokat vizsgálva következtetünk a rendszer - illetve a folyamatai - működésére.
Nem tudjuk vagy nem akarjuk szétszedni a rendszert, de ismernünk kell a működését. Nem a belső szerkezetét, hanem a működését! A módszer lényege, hogy meghatározunk egy bemeneti jelhalmazt, amelyet a rendszer bemenetére küldünk, és megfigyeljük a kimeneten a rendszer reakcióját. Arra vagyunk tehát kíváncsiak, hogyan működik a rendszer, de ezt a bemenő jelekre adott reakciók, az input-output összefüggések vizsgálata alapján állapítjuk meg.
Első olvasásra ez furcsának tűnhet, hiszen ott van, "megfoghatjuk, megnézhetjük ..., akkor miért kell következtetni?! Nos, azért, mert "ott van", de nem látunk bele. Olyan megoldást kell találni, amelyik ennek ellenére lehetővé teszi, hogy "belelássunk". Wiener matematikus volt, a matematika eszközeivel kereste a választ ezekre a problémákra. Mint korábban említettük, statisztikai módszerekkel kísérletezett, és találta meg a megoldást.
Számtalan példával érhetővé lehet tenni a feketedoboz-módszert, de talán a legegyszerűbb, hétköznapi példa, ami kiválóan szemlélteti, az a villanykapcsoló.
Mitől gyullad ki a lámpa?
3. ábra
Nem az a kérdés, hogy mi van a kapcsolón belül. Nem érdekel, hogy "kicsi manók" vagy valamilyen technikai megoldás - nem is kell értenem az elektromossághoz - irányítóként (vezetőként) arra vagyok kíváncsi, hogy ha fényt akarok a szobába, akkor milyen utasítást kell kiadnom annak - jelen esetben a kapcsolónak - aki ezt végre fogja hajtani. Tehát kapcsolgatok. Kellően sok kísérlet után megállapítom, hogy ha felkapcsolom fény lesz, ha lekapcsolom, sötét.
A célomat a vizsgálattal elértem, hiszen anélkül, hogy bonyolult rendszereket meg kellene részletesen ismernem, tisztába lettem azzal, hogy tudom irányítani a rendszert.
4.2. A modellmódszer
A modellmódszer lényege - nomen est omen - a modellkészítés. Akkor alkalmazzuk, amikor nem tudjuk a valós rendszert vizsgálni, mert (pl.):
túl nagy - nem fér el pl. a laborban, túl költséges lenne a működés közbeni vizsgálat, nem áll rendelkezésre, még nem létezik - pl. most szeretnénk létrehozni, de előzetesen vizsgálnánk, nem lehet "éles" körülmények között vizsgálni - kicsit morbid, de pl. élő embert nem igazán "illik" boncolni, a rendszer fizikailag nem vizsgálható, a modellen történő vizsgálat rövidebb ideig tart stb.
A modell nem feltétlenül fizikai modellt jelent - bár természetesen az is lehet, gondoljunk csak a szélcsatornás vizsgálatokra - lehet matematikai, gazdasági stb. A lényege, hogy a vizsgálandó rendszert kellő precizitással reprezentálja.
A két módszer közötti alapvető különbség:
a modell módszernél ismerjük a vizsgálandó rendszer struktúráját, a fekete doboz módszernél pedig nem, csak következtetni próbálunk rá.

| Ellenőrző kérdések
1. Mivel foglalkozik a kibernetika?
2. Melyek a kibernetika vizsgálati módszerei?
3. Melyek a kibernetika főbb területei?
4. Ismertesse a feketedoboz-módszer lényegét!
5. Milyen eredetű szó a kibernetika?
6. Mikor használjuk a modellmódszert?
7. Határozza meg a dinamikus rendszer fogalmát!
8. Mondjon egy példát, amikor a feketedoboz-módszert alkalmazná egy rendszer vizsgálatánál!
9. Mi a két vizsgálati módszer közötti különbség lényege?
10. Mit tekintünk a szabályozástechnika első írott dokumentumának?