Лекция Введение

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 19

Ім'я файлу: kurs_istoriya_informatiki.rtf
Розширення: rtf
Розмір: 1212кб.
Дата: 26.10.2020
скачати
Пов'язані файли:
p1_0.docx

Курс «История информатики»

Лекция 1.

Введение.
Информатика – наука молодая. Началом информатики принято считать 1948 год, год издания книги Норберта Винера “Кибернетика, или управление и связь в животном и машине”. Примерно в это же время были созданы первые электронные цифровые вычислительные машины. Возраст информатики – немногим более 50 лет. Тем не менее, эта наука имеет свою неповторимую, необычайно интересную историю.

Изучение истории науки – важнейшая часть подготовки специалиста, необходимая для правильного понимания сущности данной науки и для верного выбора направления и форм своей личной деятельности. Знакомство с историей научных открытий и технических изобретений может благотворно повлиять на результаты сегодняшних специалистов. История позволяет учиться на уроках прошлого и таким образом совершенствовать свою деятельность.

Изучение истории информатики является первостепенной задачей для дальнейшего успешного развития современных информационных технологий. На Западе преподавание истории информатики студентам соответствующих специальностей (Computer Science, Computer Technology, Software Engineering, Information Systems) становится правилом. Для этих специальностей разработаны различные учебные курсы и методические материалы по истории информатики.
Если рассматривать историю с общекультурных позиций, то она дает человеку широкие перспективы в его профессиональной области. Она позволяет исследовать внутренний мир и побудительные причины замечательных людей прошлого.

Академик А.Л. Яншин говорил: “Развитие науки невозможно без изучения её истории. Почти у всех выдающихся ученых есть труды по истории научных идей в той области знания, где они работают”.

Вот что пишет об историческом образовании академик А.Д. Александров: “Главным в общем образовании … должно быть, мне думается, образование историческое. Оно должно давать изложение развития жизни народов, их материальной и духовной культуры, науки в частности, содержать яркие описания драматических событий … и выдающихся личностей. История – это великая драма, которую играют и творят люди. Это тысячи сочиненных и разыгранных ими драм Шекспира и романов Толстого. Она потрясает, вдохновляет и дает нам глубокие поучения”.

История информатики должна рассматриваться как часть понимания человека и понимания того, как развитие информатики повлияло на человеческую жизнь.

Известны рассуждения некоторых историков и философов о роли личности. Нас в этом курсе будет интересовать роль личности в истории науки, и мы покажем, что вся информатика в целом – это создание небольшого числа выдающихся личностей. Какой бы раздел нашего курса мы ни взяли, весь материал этого раздела концентрируется вокруг определенных имен: Норберт Винер, Алексей Ляпунов, Сергей Лебедев, Андрей Ершов и др.

Мы называем таких ученых лидерами. Среди них были академики и лауреаты различных премий, отечественных и международных. Многие из них награждены почетным званием “Computer Pioneer”, которое учредило американское общество IEEE Computer Society.

Информатика и её история имеют ценный научно-образовательный и воспитательный потенциал. Особую роль в деле распространения высоких нравственных принципов может сыграть знакомство с биографиями выдающихся ученых и инженеров. Как правило, они сочетали блестящие творческие способности с высокой нравственностью и гражданским мужеством. Жизнь и деятельность этих людей – нравственный пример для молодого поколения. Аксель Иванович Берг, академик и адмирал, первый председатель Научного совета АН СССР по проблеме “Кибернетика” писал: “Восхищение незаурядными людьми вызывает естественное желание подражать им”.

Как мы знаем, борьба за признание кибернетики, а затем – информатики, в нашей стране увенчалась полным успехом. В 1955 году советская кибернетика, можно сказать, “вышла из подполья”, и началось ее свободное развитие. Интерес к новой науке был чрезвычайным. А источников информации – практически никаких.

В этой ситуации важную роль играл основанный в 1954 г. А.А. Ляпуновым “Большой” кибернетический семинар в МГУ.

Лидеры советской кибернетики А.А. Ляпунов и А.И. Берг, также как их соратники, придавали очень серьезное значение подготовке и изданию научной и популярной литературы по кибернетике.

В 1956 г. в Издательстве иностранной литературы выходит (под редакцией А.А. Ляпунова) русский перевод сборника “Автоматы”. Важно отметить, что оригинальное издание этой книги вышло в США в том же 1956 году.

В подготовке литературы важную роль играл Игорь Андреевич Полетаев (1915–1983). В 1956 году в издательстве “Советское радио” вышла под его редакцией книга Ф.М. Морза и Д.Е. Кимбелла “Методы исследования операций”, а в 1960 году – книга Дж.Д. Вильямса “Совершенный стратег, или Букварь по теории стратегических игр”.

В конце 1955 года, на одном из совещаний у А.И. Берга, И.А. Полетаев сообщил о своих планах издания научно-популярной книги по кибернетике. Берг горячо поддержал эту идею и, пользуясь своим влиянием, настоял на том, чтобы включить книгу Полетаева в план издательства “Советское радио”, которое находилось в ведении Министерства обороны.

А.А. Ляпунов направляет в издательство серьезное письмо, поддерживающее книгу Полетаева, организует ее обсуждение на заседаниях Большого семинара. Осенью 1958 г. в издательстве “Советское радио” выходит книга И.А. Полетаева “Сигнал” с подзаголовком “О некоторых понятиях кибернетики”. Это была первая отечественная монография по кибернетике.

В конце 1958 года в том же издательстве вышел первый русский перевод “Кибернетики” Н. Винера, а в Издательстве иностранной литературы – “Кибернетика и общество” Н. Винера.

В 1958 году выходит дополнительный, 51-й том второго издания Большой советской энциклопедии, в котором впервые появляется статья “Кибернетика”, написанная А.Н. Колмогоровым, а также статья “Винер” (В.В. Иванов, М.К. Поливанов, В.А. Успенский).

В этом же году А.А. Ляпунов издает первый выпуск своего знаменитого сборника “Проблемы кибернетики”.

В 1959 г. Издательство иностранной литературы выпускает перевод монографии У. Эшби “Введение в кибернетику” под редакцией В.А. Успенского и с предисловием А.Н. Колмогорова.

В 1961 году в Государственном издательстве физико-математической литературы была издана еще одна оригинальная монография “Автоматы и живые организмы”. Она принадлежала перу известного советского кибернетика и историка науки Модеста Георгиевича Гаазе-Рапопорта (1919–1996).
К 1958 году стала очевидной необходимость создания некоторой организационной структуры для координации и развития нового научного направления – кибернетики. Эту идею активно обсуждают друзья-единомышленники, стоявшие у истоков кибернетических исследований – А.А. Ляпунов и А.И. Берг. Берг предлагает создать специальный Научный совет при Президиуме АН СССР. В январе 1959 г. Президиум поручает Бергу сформировать комиссию для подготовки аналитического доклада, который мог бы служить основой для принятия решения. Берг пригласил в эту комиссию 20 ведущих ученых различных специальностей: математиков, биологов, лингвистов и др. В очень короткие сроки эта комиссия разработала самым серьезным образом обоснованную проблемную записку “Основные проблемы кибернетики”.

А.И. Берг использует эти материалы для подготовки своего доклада “Основные вопросы кибернетики”, с которым он выступил 10 апреля 1959 г. на заседании Президиума АН СССР. Он четко формулирует главное: “Задачей кибернетики является повышение эффективности деятельности человека во всех случаях, когда ему необходимо осуществлять управление”, и завершает свой доклад словами: “Если будет создан Научный совет по кибернетике Академии наук СССР, он будет считать это своей основной задачей”.

Президиум АН СССР одобрил доклад. Совет по кибернетике был создан. Руководителем его был утвержден академик А.И. Берг, его заместителем – профессор А.А. Ляпунов.

Совет по кибернетике под руководством А.И. Берга в течение 20 лет (!) с большим успехом занимался организацией исследовательских работ в области кибернетики и ее приложений в масштабе всей страны. В 1977 году, в одном из своих докладов, А.И. Берг говорил:

“Особо следует сказать о наших Секциях – основном структурном подразделении Научного совета. Как известно, секции Научного совета строят свою работу на общественных началах … К работе секций на общественных началах привлечено более 800 человек, в том числе 11 академиков АН СССР и союзных республик, 22 члена-корреспондента АН СССР и союзных республик, около 200 докторов наук, свыше 350 кандидатов наук”.
Итак, наш курс посвящен истории информатики. В последнее время информатику определяют как “фундаментальную науку, изучающую общие свойства информации, методы и системы её создания, накопления, обработки, хранения и передачи с помощью средств вычислительной техники и связи”.

Часто спрашивают: почему сейчас не употребляется слово “кибернетика”?

Как известно, этот термин ввел в 1948 году Норберт Винер для обозначения нового научного направления, изучающего в наиболее общей форме процессы управления и связи.

В 60-е и 70-е годы прошлого века область кибернетики быстро расширялась. По мере развития научных направлений, входивших в кибернетику, возникали новые задачи и теории, формировались направления исследований, охватывающие теорию алгоритмов, теоретическое и прикладное программирование, теорию компьютеров и информационных сетей, базы данных, компьютерную лингвистику, искусственный интеллект и т. д. В то же время, бурное развитие микроэлектроники и средств связи создавало новые возможности.

Без преувеличения можно сказать, что информатика – одно из величайших достижений науки и техники. Сейчас информационные технологии пронизывают все сферы человеческой деятельности и оказывают сильнейшее влияние на формирование общества. Мы являемся свидетелями новой технической революции.

В 70-е годы термин “кибернетика” в нашей стране употреблялся все реже, а в начале 80-х для обозначения рассматриваемой области прочно вошел в обиход термин “информатика”, воспринимаемый обычно как синоним английского “Computer Science”.

Ещё одна возможная причина изменения терминов – естественная эволюция живого языка. Есть много примеров. Так, мы всегда употребляем слово “компьютер”, но вряд ли вы услышите сейчас “ЭВМ”.

Мы будем использовать, главным образом, термин “информатика”, заменяя его иногда словом “кибернетика”, если речь идет о соответствующем периоде времени.
Информатика в современном понимании ограничивает носители данных электронными, а системы – информационными системами, обеспечивающими обработку данных с помощью компьютерных и телекоммуникационных средств. Средства и методы такой обработки формируются на трех взаимосвязанных уровнях: вычислительная техника, информационные технологии и их программное обеспечение. Успехи в развитии вычислительной техники влияют на прогресс информационных технологий и создают предпосылки для улучшения методов разработки программ. В свою очередь, расширение сферы применения информационных технологий стимулирует совершенствование вычислительной техники и повышает требования к качеству программного обеспечения.

Информационные технологии поддерживают практическое применение информационных систем в различных видах деятельности, использующих базы данных, требующих анализа, поиска и переработки информации при управлении процессами, реализованными на базе вычислительной техники. Программирование специализируется на создании и исследовании программ, обеспечивающих надежную и безопасную работу информационных систем при их применении и развитии информационных технологий.

Всё это дает основания изучать историю информатики, начиная с истории кибернетики, включая совместный ход истории вычислительной техники информационных технологий и программирования. Традиционно периоды истории информатики ассоциируют с поколениями вычислительной техники, операционных систем и языков программирования.

В Западной Европе и в США систематически издается литература по истории кибернетики, информатики, компьютеров, биографии пионеров этой области знания и т. д. В России эта литература практически недоступна. Однако, многие публикации по интересующей нас тематике можно найти в виртуальных источниках, которые иногда называют “компьютерными музеями”.
Надо иметь в виду, что в зарубежных источниках история российской информатики не обсуждается. В то же время, за последние годы в России издан ряд книг, посвященных именно отечественной истории.

В 2004 году на сайте Новосибирского государственного университета авторами, при участии сотрудников НГУ, был создан “Виртуальный архив по истории отечественной кибернетики и информатики”: http://cshistory.nsu.ru, который содержит в настоящее время свыше 3000 единиц хранения, в том числе, около 500 статей и документов, 400 писем, 300 исторических фотографий. Архив продолжает пополняться. Он представляет собой уникальный информационный ресурс для очного и дистанционного преподавания истории информатики.
Несколько лет назад инициативная группа научных сотрудников Сибирского отделения РАН обратила внимание на проблему преподавания истории информатики. В 1998 году в Новосибирске была опубликована монография “Очерки истории информатики в России”, которая получила высокую оценку читателей и специалистов. Сейчас эта книга, наряду с другими монографиями, подготовленными нами в дальнейшем, используется студентами Новосибирского государственного университета в качестве учебных пособий при изучении курса “История информатики”. Упомянутые информационные ресурсы обеспечили необходимую информационную базу, необходимую для постановки такого учебного курса. Начиная с 2004/2005 учебного года, в НГУ для магистрантов Физического факультета читается обязательный курс “История информатики”. Курс состоит из 16 двухчасовых лекций (блоков) и заключительного экзамена. Конкретное использование этих блоков на лекциях зависит от намерений преподавателя и заданных целей обучения.

Авторы разработали подробные учебные материалы по основным блокам курса. В рамках проекта НГУ “Всесибирская Заочная Школа Информационных Технологий” подготовлен данный учебник, в котором активно используются электронные документы и публикации.

Все рассматриваемые работы по подготовке образовательных ресурсов и организации преподавания истории информатики выполнены, в основном, в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН и Институте систем информатики СО РАН. Необходимо подчеркнуть, что в конце 2005 года Комиссия РАН по проверке научной деятельности ИВМ и МГ записала в своем Заключении:

“Комиссия особо отмечает, что в Институте инициативно развивается уникальное направление по исследованию истории информатики в России, что является важным вкладом в воспитание молодых научных кадров”.
Предлагаемый курс знакомит с ключевыми страницами истории информатики и показывает непростой путь становления этой новой науки. Основной материал курса освещает начальный период истории информатики. В дальнейшем предполагается дополнить курс до годового объема и более подробно изложить историю программирования.

Вопросы:

Перевод слова “кибернетика” с греческого?
Этимология слова “кибернетика”?
Что изучает “кибернетика” как наука?
С какой точки зрения кибернетика изучает живые организмы и их объединения?
Что именно кибернетика понимает под управлением и связью?
В каких случаях можно сказать, что машина или организм обладают органами обратной связи?
В каких случаях говорят о регулировании деятельности машины или организма?
Как определяют предмет кибернетики как науки?
Что в определении кибернетики показывает центральное значение понятия “информация”?
С каким понятием физики принято сравнивать понятие “количество информации”?
Кто ввел понятие “количество информации”?
Приведите примеры природных механизмов хранения и переработки информации?
Приведите примеры природных механизмов хранения огромного количества информации в ничтожных объемах?
Приведите примеры природных механизмов восприятия огромного количества новой информации с ничтожной затратой энергии?
Приведите примеры природных механизмов сложной переработки огромного количества информации за ничтожно короткое время?
Кто основал в 1954 г. “Большой” кибернетический семинар в МГУ?
В каком году вышел под редакцией А.А. Ляпунова русский перевод сборника “Автоматы”, почти одновременно с оригинальным изданием этой книги в США?
Как называлась первая отечественная монография по кибернетике? Кто ее автор?
Когда вышло первое русское издание книги Н. Винера “Кибернетика”? В каком издательстве?
Когда вышел дополнительный, 51-й том второго издания Большой советской энциклопедии, в котором опубликована статья “Кибернетика”? Кто написал эту статью?
В каком году началось издание знаменитого сборника “Проблемы кибернетики”?
Кто автор предисловия к переводу монографии У. Эшби “Введение в кибернетику”, выпущенного в 1959 г. Издательством иностранной литературы
Назовите автора оригинальной монографии “Автоматы и живые организмы”, изданной в 1961 году в Государственном издательстве физико-математической литературы.
Назовите руководителей Научного совета по кибернетике при Президиуме АН СССР.
Как долго Совет по кибернетике под руководством А.И. Берга занимался организацией исследовательских работ в области кибернетики и ее приложений в масштабе всей страны?
Какое количество специалистов было привлечено к работе Совета по кибернетике?

Лекция 2
Предыстория информатики
Информатика не возникла вдруг, на пустом месте. К моменту появления ее предшественницы – кибернетики (40-е годы прошлого века) в целом ряде естественнонаучных и технических дисциплин были получены отдельные теоретические результаты, накоплены многочисленные знания и факты, которые можно назвать истоками или корнями кибернетики.

Ниже мы выделим основные корни кибернетики и систематически рассмотрим состояние соответствующих знаний к моменту зарождения идей, которые можно назвать кибернетическими, т. е. к 30–40-м годам 20-го века.
Известно, что термин “кибернетика” для обозначения науки об управлении общественными системами использовали французский физик А.М. Ампер¹ (1775–1836) и польский ученый Ф.Б. Трентовский² (1808–1869), ученик Гегеля.

Можно считать, что корни кибернетики, в основном, относятся ко второй половине

19-го века, и существовали они сравнительно самостоятельно до конца первой половины 20-го столетия. Корни эти представляют собой как элементы чисто инженерного знания, так и некоторые локальные обобщения – результат развития теоретического знания в отдельных естественнонаучных и научно-технических дисциплинах. Это:

– системы автоматического регулирования и управления, теория автоматического регулирования;

– элементы моделирования и локальные теории моделей для различных областей техники;

– счетно-решающие приборы и математические инструменты;

– цифровые вычислительные машины;

– элементы программирования для ЦВМ;

– релейно-контактные схемы управления и защиты, элементы теории релейно-контактных схем;

– средства связи и некоторые вопросы теории связи;

– биомедицинские исследования, такие, как биомеханика, общая физиология, физиология высшей нервной деятельности;

– вопросы административного и производственного управления, элементы общей теории систем;

– элементы психологии труда и инженерной психологии;

– математическая логика как часть математики.
Рассмотрим теперь каждый из этих корней.

Автоматическое регулирование и управление. Потребности развития техники, требования к поддержанию в заданных пределах различных величин, характеризующих функционирование технических устройств, привели к изобретению и последующему развитию разнообразных регуляторов. Первым технически применявшимся прибором такого рода, в котором использовался несформулированный еще принцип управления по отклонению (обратная связь), был регулятор Уатта – он служил для регулирования скорости паровой машины путем воздействия на количество поступающего в нее пара. В дальнейшем появились и другие виды подобного рода устройств.

Распространение регуляторов, потребность в повышении точности их работы, в устранении явления неустойчивости (автоколебаний) привели к теоретическому осмыслению принципов их работы, к выработке математического описания их функционирования и созданию методов соответствующих инженерных расчетов. Первые теоретические исследования систем автоматического регулирования с обратной связью связаны с именами Дж. К. Максвелла, И.А. Вышнеградского и А. Стодолы³.

Примерно до середины 30-х годов 20-го века теория регулирования развивалась в рамках отдельных технических дисциплин, таких, как “регулирование машин”, “регулирование электродвигателей”, “гидравлические регуляторы”, “электропривод”

и т. п. Само понятие “обратная связь”, пронизывающее всю теорию автоматического регулирования, вошло в нее лишь после появления электрических и электронных элементов и построенных на их базе разнообразных следящих систем, называвшихся ранее сервосистемами или сервомеханизмами.

С конца 30-х годов началось интенсивное проникновение следящих систем во все отрасли техники, включая радиотехнику, электронику и счетно-решающие устройства; по этой тематике стали выпускаться журналы, сформировались соответствующие коллективы специалистов. Сложившаяся к этому времени общая теория автоматического регулирования связана с именами А.В. Михайлова, Г. Найквиста, А.А. Андронова, Б.Н. Петрова, М.А. Айзермана, А.А. Фельдбаума и многих других советских и зарубежных ученых.

Теория автоматического регулирования явилась одной из важнейших основ кибернетики, и после возникновения последней вошла в нее как одна из существенных составных частей.

Моделирование. Моделирование также развивалось в рамках конкретных научно-технических дисциплин уже в первой половине 19-го века, а в некоторых областях и того ранее. Речь идет главным образом о построении уменьшенных действующих моделей различных технических систем и устройств до воплощения их в натуральных размерах. Такое моделирование называют натурным или масштабным. Примерами могут служить известная модель деревянного одноарочного моста через Неву, построенная И.П. Кулибиным, модели паровых машин и паровозов, выполненные их конструкторами (Дж. Уатт, Р. Тревитик, Дж. Стефенсон и др.) в порядке подготовки практической реализации своих изобретений. В настоящее время такого рода модели (судов, самолетов и т. п.) изучаются в опытовых бассейнах, аэродинамических трубах и пр.

Зарождение моделирования в науке связано с появлением понятия “подобие”, использовавшимся главным образом для решения ряда задач строительной механики, а затем проникшим в другие области техники. Развитие этого вида моделирования привело к созданию соответствующей теории, называемой иногда теорией подобия.

Использование одной системы в качестве модели для изучения другой, являющееся и одним из основных методов кибернетики, получило интенсивное развитие после широкого распространения электрических цепей, когда благодаря законам токораспределения Кирхгофа удалось установить, что поведение этих цепей описывается системами дифференциальных уравнений. Изменение параметров цепей означало, по сути дела, изменение параметров соответствующих уравнений (систем уравнений), а изменение структуры цепей – изменение формы уравнений. Так электрические цепи (схемы) превратились в удобный модельный инструмент для изучения процессов в разнообразных системах.

Модельные исследования первоначально развивались автономно в рамках отдельных технических дисциплин; изучалось “электрическое моделирование акустических систем”, “моделирование механических систем” и т. п. То, что все эти виды моделирования основываются на аппарате дифференциальных уравнений, описывающих процессы различной природы, привело к “универсализации” электрических (электронных) моделей, и их начали использовать в качестве инструмента для решения дифференциальных уравнений и их систем, вне зависимости от того, какие реальные системы и процессы этими уравнениями описываются. Так было положено начало развитию аналоговых вычислительных машин (АВМ) и так называемому математическому моделированию.

Примерно к этому времени, т. е. к 30-м годам 20-го века, усилиями ряда ученых (Л.И. Гутенмахер, Г.Л. Полисар и др.) было показано, что электрические сети могут применяться для моделирования более сложных систем, для решения уравнений в частных производных. Появились сеточные электрические модели, которые стали применяться для решения задач строительной механики, теории упругости, гидродинамики и др. В развитие электромоделирования и в создание электронных аналоговых машин, называвшихся также интеграторами, кроме упомянутых выше Л.И. Гутенмахера и Г.Л. Полисара, большой вклад внесли многие советские и зарубежные ученые – А.А. Фельдбаум, В.Б. Ушаков, Г.И. Петров, Г. Крон и др.

Счетно-решающие приборы и математические инструменты. Строго говоря, счетно-решающие приборы можно рассматривать как разновидность моделирующих устройств. Истоки их относятся к древности. При решении землемерных и астрономических задач возникла потребность в решении треугольников и других геометрических проблем. Родилась идея, что задачи эти можно решать в уменьшенном масштабе – “на бумаге” – в виде графических построений, а далее – с помощью механических устройств, в которых длины и углы поворота отдельных деталей соответствуют реальным расстояниям и углам, непосредственно получаемым при измерениях изучаемых объектов. Так появились первые астрономические инструменты, с помощью которых, помимо непосредственного измерения углов, модельным путем – с использованием принципа геометрического подобия – определялись неизвестные линейные размеры объектов. Аналогичные принципы использовались для определения расстояний на земле.

В дальнейшем принцип геометрического подобия стал применяться для выполнения простых математических операций (сложение, вычитание, умножение) и их комбинаций; математические величины вводились в приборы в соответствующем масштабе в виде углов, перемещений, длин и иных чисто механических носителей.

Проблемой, затруднявшей использование подобных устройств, являлась трудность достижения необходимых точностей чисто механическими средствами. Поэтому интенсивное их развитие, главным образом для решения военных задач (военные приборы), началось лишь в 20-м веке, когда прогресс технологии позволил создавать достаточно прецизионную технику. На механических принципах были созданы довольно сложные приборы для управления артиллерийской зенитной стрельбой (ПУАЗО), управления торпедной стрельбой и стрельбой корабельной артиллерии. Важной особенностью такого рода счетно-решающих приборов было то, что они работали в “натуральном масштабе времени”, т. е. результаты получались непрерывно, без задержки, при непрерывном же вводе исходных данных.

Развитие электротехники и электроники привело к введению в описываемые приборы электрических и электронных элементов (потенциометрические схемы, решающие усилители, вращающиеся трансформаторы), а затем к появлению счетно-решающих устройств, полностью построенных на такого рода элементах; эти устройства начали интенсивно разрабатываться в 40-е годы и в значительной степени стимулировали развитие аналоговых моделирующих устройств.

Все это воздействовало на развитие инженерной мысли в области точного приборостроения. Помимо вопросов точности механизмов, которыми занимались такие ученые, как Н.Г. Бруевич и 3.Ш. Блох, возник ряд специальных инженерных дисциплин, связанных с отдельными аспектами теории и методики проектирования систем и устройств, решающих определенные группы математических задач. Кроме упомянутых выше ученых, исследования в этой области вели Б.И. Станиславский, А.А. Папернов, А.Л. Лившиц, Л.Н. Преснухин, В.С. Семенихин и др., а также многие зарубежные специалисты (в их числе были Н. Винер, Л. Заде, Д. Рагаззини и др.).

Развитие цифровых, дискретных устройств типа арифмометров, сначала на основе механических принципов, а затем электромеханических и электронных, привело к включению цифровых элементов в счетно-решающие приборы, а затем и к созданию цифровых счетно-решающих устройств – специализированных ЦВМ, – работавших в натуральном масштабе времени.

Существенным является то, что развитие счетно-решающей техники обусловило переход от управления отдельными объектами (станок, орудие, батарея и т. п.) к управлению их комплексами, т. е. выдвинуло задачу управления техническими системами сложной природы. Иначе говоря, возникли подходы кибернетического плана. Примечательно, что работы Н. Винера в области теории ПУАЗО и счетно-решающих приборов помогли ему сформулировать ряд идей, которые вошли в его первую книгу о кибернетике.

Математические инструменты. Их развитие началось с упоминавшихся выше астрономических инструментов и тоже шло по пути создания точных приборов аналогового типа; развитие это отличается разве что меньшей интенсивностью и тем, что принцип работы в натуральном масштабе времени здесь не использовался, так как эти приборы предназначались, главным образом, для решения статических задач, таких, как измерения геометрических объектов, площадей, длин, для интегрирования и дифференцирования графически заданных функций и т. п.

Не останавливаясь подробно на истории математических инструментов – она достаточно освещена в литературе,⁴– заметим, что в их конструкции часто использовались принципы и решения, разработанные в теории счетно-решающих приборов, и наоборот, ряд принципов и решений, применимых в математических инструментах, нашли успешное использование в счетно-решающих устройствах. Научно-исследовательский семинар по точности механизмов, которым руководил Н.Г. Бруевич (40-е–50-е годы), значительное время занимался почти исключительно проблемами, связанными с точностью математических инструментов, и, тем не менее, сыграл заметную роль в развитии теории счетно-решающих приборов.

Цифровые вычислительные машины. ЦВМ также имеют достаточно большую историю. Многие вопросы этой истории подробно освещены в литературе⁵. Мы остановимся, поэтому, лишь на некоторых основных аспектах развития ЦВМ. Первым шагом здесь является создание – еще в древности – абака, разновидностью которого являются русские конторские счеты. В этих простейших приборах уже используется кодирование десятичных цифр с помощью дискретных единиц-костяшек и осуществляется реализация простейших арифметических действий. Следующий шаг – это создание арифмометров, т. е. механических устройств для выполнения операций арифметики. 19-й век ознаменован арифмометром с колесом Однера (1874); позже выпускались счетно-клавишные машины ВК, “Мерседес”, “Рейнметалл” и др. Затем появилось множество разнообразных клавишных электронных калькуляторов, способных выполнять относительно простые вычислительные процедуры. Изменилась техника – от механических систем произошел переход к электромеханическим, а затем к электронным; изменился источник энергии – ручной привод заменился электродвигателями, а затем электронными источниками питания. Однако основной принцип работы – составление на бумаге плана расчета и пошаговое последующее его выполнение – остались.

Принципиально новой идеей, восходящей к работам Ч. Бэббиджа, явилось использование бумажного носителя информации – перфокарт, примененных ранее Ж. Жаккаром для управления ткацким станком,– с целью реализации фиксированных последовательностей арифметических операций, т. е. вычислительного процесса. Эта идея привела к зарождению элементов программирования, заключавшегося в изготовлении управляющих перфокарт, а также позднее к коммутации на наборных досках и вылилась в то направление вычислительной техники, которое связывают с именем Г. Холлерита и называют счетно-перфорационной техникой. Существенным в счетно-перфорационных машинах является то, что для “программирования” последовательности операций используются не перфокарты, а коммутационные доски со штеккерными соединениями. На перфокартах же кодируется числовая информация.

Комплекты счетно-перфорационных машин в 30-е–40-е годы сыграли существенную роль в решении массовых вычислительных задач для народного хозяйства и обороны страны. В разработку методов их использования внесли вклад работы Л.Я. Нейшуллера, И.Я. Акушского, С.К. Неслуховского и других ученых.

Существенным этапом, с которого началось развитие современных ЦВМ, явилась разработка в начале 40-х годов релейных и электронных схем для хранения в машинах цифровой информации – промежуточных данных и результатов вычислений. Началось развитие одного из важнейших устройств ЭВМ – блока памяти. Развитие науки и техники, особенно электроники, привело в дальнейшем к использованию целой гаммы принципов построения запоминающих устройств – регистровых, на магнитных барабанах, лентах и дисках, электронно-лучевых, ферритовых, пленочных, оптоэлектронных – что существенным образом сказалось на развитии ЭВМ и росте их производительности.

К началу формирования кибернетики как научного направления (конец 40-х годов) относится революционная идея Дж. фон Неймана относительно “единства” информации, используемой на всех этапах работы ЦВМ, и, в частности, о хранении в памяти машины, помимо текущей информации, связанной с решаемой задачей, также и информации программной. Идея эта – важнейшая в комплексе принципов, составивших то, что обычно называют фоннеймановской структурой ЭВМ, и в значительной степени сохранившая свою жизненность до наших дней, привела к возможности оперировать с командами программ так же, как и с числами: осуществлять в машине их преобразования, выполнять над ними логические и арифметические операции. В концепции фон Неймана автоматический цифровой вычислитель выступил как устройство для переработки информации любой природы, не обязательно числовой.

Уже к концу 40-х годов на развитие ЭВМ и их теории существенное влияние оказывали и такие составные части (“корни”) кибернетики, как теория релейно-контактных схем и автоматов, математическая логика; возрастающее значение стали приобретать вопросы программирования. Необходимо, однако, отметить, что ЭВМ и их теорию нельзя отождествлять с кибернетикой: они лишь частично смыкаются с ней, выступая в качестве ее технической базы.

В самом деле, “ипостаси” ЭВМ многообразны. Эти машины являются мощным средством выполнения сложнейших математических расчетов, решения разнообразных научных и инженерных задач; это не всегда имеет непосредственные связи с кибернетикой, но, безусловно, относится к прикладной математике. В силу высокого быстродействия ЭВМ являются мощным инструментом информационного (не обязательно математического!) моделирования разнообразных объектов, систем, процессов и явлений; в качестве универсального инструмента моделирования они, естественно, используются для решения задач собственно кибернетического плана; в этом смысле ЭВМ являются одним из основных инструментов кибернетики. Далее, ЭВМ входят в качестве ведущей компоненты в сложные управляющие и информационные системы, изучаемые в кибернетике. Наконец, архитектура, возможности, теория и принципы совершенствования ЭВМ являются объектами кибернетического рассмотрения.

Программирование для ЦВМ. Родоначальником программирования считается Ада Лавлейс – дочь знаменитого поэта Дж. Г. Байрона,– которая составляла первые программы для “аналитической машины” Бэббиджа. Однако серьезно о программировании стало возможным говорить лишь с момента появления первых ЭВМ и внедрения фоннеймановского принципа ввода и хранения программ в памяти машины.

К моменту зарождения кибернетики уже накопился некоторый опыт составления программ для ЭВМ. Так, в начале 50-х годов элементы программирования были включены С.А. Лебедевым в лекции по вычислительной технике, которые он читал в Московском энергетическом институте. Первый в СССР самостоятельный курс программирования был прочитан в это же время А.А. Ляпуновым⁶. Накопление опыта программирования привело к возникновению элементов теории программирования, к разработке вопросов программирования невычислительных задач, к попыткам использования ЭВМ для автоматизации программирования, что сразу же стало объектом исследований возникавшей в это же время кибернетики. Именно поэтому теорию программирования для ЭВМ, тесно связанную с использованием методов математической логики и дискретной математики, следует считать одним из “корней” – и составных частей – кибернетики.

Релейно-контактные схемы и их теория. Переключательные элементы, позже получившие название “реле”, появились в начале 19-го века, истоки же их – аналогичные элементы неэлектрической природы – создавались еще ранее. Первые конструкции электромагнитных реле можно обнаружить уже в пишущем устройстве телеграфного аппарата С. Морзе. Впоследствии, с развитием электротехники и электросвязи, многообразие релейных устройств резко возрастает. Релейные, или, точнее, релейно-контактные схемы начинают применяться в средствах защиты электротехнических систем, в связи, в системах автоматики, телемеханики и телеуправления. В первой половине 20-го века релейная техника продолжает быстро развиваться; появляются телемеханические системы различного назначения, широко использующие релейные схемы.

Теоретические исследования этого времени ограничиваются вопросами расчета и проектирования реле как самостоятельных устройств. Исследований, связанных с построением таких схем из реле, которые обладали бы заданными свойствами и выполняли требуемые функции, не было. Каждая релейная схема, разработанная для практических задач, не основывалась на теоретической модели, а была отдельным изобретением. В середине 30-х годов 20-го века начала зарождаться теория релейно-контактных схем, т. е. схем, состоящих из нескольких релейных элементов. В нашей стране слово в этой области было сказано В.И. Шестаковым. В его диссертации (1938 г.) – она называлась “Некоторые математические методы конструирования и упрощения двухполюсных схем класса А” – для анализа и расчета релейно-контактных схем были использованы методы алгебры логики. Работы Шестакова, по-видимому, опередили аналогичные исследования, выполненные известным специалистом по информатике и кибернетике Клодом Шенноном (США).

Большая роль в развитии логико-математических методов анализа и синтеза релейно-контактных схем и в их внедрении в инженерную практику принадлежит М.А. Гаврилову, его последователям и ученикам (В.Н. Рогинский, В.Г. Лазарев, П.П. Пархоменко и др.). В 1943 г. М.А. Гаврилов выпустил первый отчет о своей работе и начал активную деятельность по привлечению научных сил к этой проблеме. Он явился основателем школы исследователей, работающих в области релейно-контактных схем и теории автоматов,– школы, которую называют “гавриловской”.

В настоящее время многие идеи и результаты М.А. Гаврилова⁷ заняли прочное место в соответствующих учебных курсах, но не так было в 40–50-е годы, когда его работы не всегда встречали понимание, и надо было обладать мужеством и научной убежденностью, чтобы противостоять оппонентам, выступавшим против логико-математических методов в инженерной практике: М.А. Гаврилову ставили в вину “формализм” и даже идеализм. Несколько позже, уже в русле чисто кибернетических исследований на базе математической логики, существенные результаты в данной области были получены С.В. Яблонским, О.Б. Лупановым и другими советскими математиками.

Таким образом, к моменту выдвижения концепции кибернетики Н. Винером (1948 г.) уже были заложены основы теории, показывающей, в частности, что положения алгебры логики, созданной в прошлом веке, “воспроизводятся” с помощью релейно-контактных схем и что, наоборот, релейно-контактные схемы описываются алгебро-логическими методами. Этот теоретический “задел” явился базой для развития теории автоматов и вместе с последней вошел в качестве составной части в кибернетику; в дальнейшем он составил теоретическую основу анализа и рационального проектирования логических схем цифровых вычислительных машин⁸.

Устройства связи и теория связи. Технические средства связи – подобно часам, методам и средствам измерений – в идейном плане представляют собой наиболее древние прообразы кибернетических систем. Действительно, если любые технические системы могут характеризоваться коэффициентом полезного действия, т. е. отношением полезной энергии или вещества к энергии или веществу, затраченным для получения требуемого эффекта, то задачей систем связи и измерительных систем является получение сведений, сообщений, сигналов, т. е. того, что ныне получило общее наименование информации и является одним из основных понятий кибернетики. Сигнальный, информационный характер измерительных приборов и средств связи делает их прямым предшественником кибернетических систем. Ибо в их основе лежит понятие сигнала, знака. Почтовое или телеграфное сообщение ценно не благодаря его вещественному или энергетическому содержанию, а из-за смысла, информации, в нем заложенной; можно идти еще дальше и считать отдаленными корнями кибернетики язык и письменность – первые системы, в которых знаковый, информационный характер является “оправданием” их существования.

Вернемся, однако, к системам связи. Развитие их привело к появлению таких важных для кибернетики понятий, как кодирование сообщений, канал связи, источник и приемник информации, помехи, шумы и т. п. Интересно отметить, что первый пример научного – а именно статистического – подхода к кодированию связан с именем С. Морзе, который при разработке (1838 г.) телеграфного кода, названного его именем, учитывал частоты встречаемости различных букв в англоязычных текстах. Можно вспомнить о другом “эпизоде” дешифрирования сообщений – типично кибернетической задаче! – который фигурирует в известном рассказе Эдгара По “Золотой жук”, относящемся еще к 1843 г.

Прогресс систем связи, появление радио, электронных схем и таких специфических информационных средств, как радиолокация, повлекло за собой развитие теории связи, ее выделение в самостоятельную научно-техническую дисциплину, вошедшую в состав кибернетики. Большое влияние на последующее развитие оказали работы академика В.А. Котельникова, которые позволили установить связь между непрерывными сигналами и их дискретными кодами и возможность представления любого непрерывного сигнала в дискретной форме.

Системы передачи цифровых (дискретных) данных являются необходимой основой большинства современных сложных управляющих систем, требующих наличия развитой структуры каналов и сетей передачи управляющей информации. Развитие теории релейно-контактных схем и средств вычислительной техники сыграло большую роль в совершенствовании современных средств связи, особенно при решении задач коммутации, кодирования и декодирования сообщений.

Биомедицинские исследования. Биология и медицина, темпы развития которых непрерывно возрастают, также оказали заметное влияние на возникновение кибернетических идей. Прежде всего это относится к общей физиологии и физиологии высшей нервной деятельности.

Еще в 19-м веке предпринимались попытки привлечения научных знаний из области механики для изучения движения живых организмов. Исследования кровотока привели к открытию ряда законов гидродинамики (А. Навье, Дж. Г. Стокс). Физиологические исследования (Н.А. Белов, М.М. Завадовский, Н.А. Бернштейн, а затем П.К. Анохин) привели к установлению существенной роли принципа обратной связи в функционировании живых организмов.

Модельные представления при исследовании физиологических процессов привлекались еще И.М. Сеченовым (1829–1905); широко известные работы И.П. Павлова (1849–1936) раскрыли роль сигнальной информации в высшей нервной деятельности животных и человека. В работах У. Б. Кеннона, сформулировавшего в 1929 г. положение о гомеостазе, были рассмотрены основы устойчивого функционирования физиологических систем, которые после изобретения У. Р. Эшби гомеостата⁹ легли в основу одного из кибернетических направлений – гомеостатики. К этому же времени было установлено наличие в организме сложных взаимосвязанных регулирующих систем, поддерживающих – несмотря на изменение внешних воздействий – в определенных пределах ряд жизненно важных параметров организма, как, например, температуру тела, давление и химический состав крови, частоту пульса, дыхания и т.д.

Исследования высшей нервной деятельности и морфологии нервной системы и головного мозга, изучение функционирования нервных клеток позволили установить роль электрических (ионных) процессов в функционировании нервной системы, дискретный – на определенном уровне “срабатывания” – характер работы нейронов; была раскрыта грубая структура некоторых зон мозга, в частности анализаторных. Выяснилось, что в первом приближении нейроны работают по принципу “все или ничего”, т. е. в определенной степени аналогично релейным переключательным элементам.

К 30-м годам 20-го века относятся кибернетически значимые исследования Н.А. Бернштейна и П.К. Анохина. Последним, в частности, было постулировано существование в живых организмах “акцепторов действия” (синоним известного в технике упреждающего механизма – “предиктора”), а в дальнейшем сформулирована идея функциональной системы и показано, что введение этого понятия проливает свет на природу целесообразного функционирования физиологических систем организма и его целенаправленного поведения.

Сложность биологических образований и процессов, большое число и разнообразие связей между их элементами и подсистемами, трудности изучения таких систем традиционными методами привели в это же время к зарождению элементов “общей теории систем” (Л. фон Берталанфи), которая в первое время развивалась параллельно кибернетике, а в дальнейшем практически слилась с нею.

Элементы теории управления в социальных структурах. Своеобразным корнем кибернетики, относительно мало заметным на первых этапах ее исторической подготовки и становления, явились попытки научного рассмотрения проблем управления социальными и экономическими системами. Здесь следует отметить упоминавшиеся выше работы Ф.Б. Трентовского, который задолго до Винера пользовался термином “кибернетика”, а также опубликованный в 10–20-х годах 20-го века трехтомный труд А.А. Богданова “Тектология”¹⁰, в котором предпринималась попытка, говоря современным языком, системно-кибернетического анализа некоторых вопросов функционирования социальных структур и управления ими.

Работы А.А. Богданова (1873–1928) и Л. фон Берталанфи представляют собой первые попытки построения “общей” теории больших и сложных систем, какими являются биологические и социально-экономические системы, рассмотрения этих систем со структурно-информационной точки зрения, при существенном отвлечении от их “субстратного” состава.

К моменту “оформления” кибернетики также был выполнен ряд исследований, в которых математические методы использовались для анализа экономических систем и для решения ряда народнохозяйственных задач. Одной из первых работ этого рода явилась работа Л.В. Канторовича “Математические методы организации и планирования производства”¹¹, относящаяся к 1939 г. Необходимо также отметить шедшие в аналогичном русле исследования В.С. Немчинова (1894–1964), В.В. Новожилова (1892–1970), М.К. Гавурина, В.А. Залгаллера, а в США – В.В. Леонтьева (1906–1999) – ученых, которым, в частности, принадлежит инициатива в использовании модельных подходов в экономике и в построении ряда экономических моделей, сыгравших существенную роль в развитии математической экономики, называемой также экономической кибернетикой.

Заметим, что на первых порах формирования кибернетики социальные, и в том числе экономические, структуры в силу их сложности и трудности формализации не рассматривались еще как объекты кибернетического и информационного анализа. Эти работы, часто неявно, уже содержали некоторые общие принципы и положения, которые впоследствии вошли в концептуальный аппарат кибернетики (обратная связь, информация, целостность системы и др.).

Инженерная психология и психология труда. Развитие автоматизированных управляющих систем, технических средств управления отдельными объектами и сложными техническими комплексами привело к исследованию возможностей человека в работе с такими системами, в выполнении функций “элемента” в так называемых человеко-машинных системах.

Исследования по изучению свойств и особенностей человека-оператора, работающего с техническими управляющими системами, которые охватываются понятием инженерной психологии, стали активно развиваться с конца 30-х годов 20-го века. В известной мере эти исследования продолжили работы по психологии труда, в которых изучалась общая проблема взаимодействия человека с техническими устройствами. Эти работы активно проводились в нашей стране уже в начале 20-х годов и связаны с именами А.К. Гастева¹² (1882–1941) и его учеников, а также Н.А. Бернштейна, С.Г. Геллерштейна и др. Анализировались проблемы управления движениями человека, изучались его механические и психофизиологические характеристики, определяющие возможности и успешность его работы с техникой, вопросы обучения соответствующей трудовой деятельности и пр.

Человеко-машинные системы по своему характеру и по функциям, ими выполняемым, полностью относятся к управляющим системам, и поэтому естественно, что с возникновением кибернетики инженерная психология, не перестав быть разделом психологии, стала во многом также и ответвлением кибернетики.

Математические корни кибернетики. Некоторые математические направления, развиваясь в рамках своей науки, стали необходимым и важным инструментом кибернетических исследований. Среди этих направлений следует прежде всего указать на теорию обыкновенных дифференциальных уравнений и особенно на вопросы их устойчивости (А.М. Ляпунов), а также на проблематику оптимизации сложных динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями и их системами.

Характерным для кибернетики явилось использование таких экзотических в свое время разделов математики, какими являются математическая логика и теория алгоритмов. Возникшие в рамках “чистой” математики, эти ее разделы традиционно связывались лишь с общими вопросами обоснования математики; долгое время считалось, что они не имеют прикладного значения. И только появление теории релейно-контактных схем, использование в ЦВМ двоичной системы счисления (удобной для технических реализаций), тесно связанной с двоичной же алгеброй логики (булевой алгеброй), потребности в разработке и оптимизации логических и вычислительных элементов и узлов ЦВМ сделали математическую логику, а в известной степени и всю дискретную математику, одним из эффективных инструментов кибернетических исследований. То же можно сказать и о теории алгоритмов и рекурсивных функций, возникшей в рамках математической логики в связи с проблемами вычислимости и доказуемости, но по мере развития программирования превратившейся в его теоретическую основу и инструмент дальнейшего развития.

Существенно отметить, что развитие кибернетики, в свою очередь, оказало стимулирующее влияние на исследования в области математической логики, теории алгоритмов и всей дискретной математики. Здесь следует упомянуть идеи и результаты А. М. Тьюринга (1912–1954), Э. Поста (1897–1954), А.А. Маркова (мл.) (1903–1979), С.А. Яновской (1896–1966) и других отечественных и зарубежных математиков и логиков, работы которых сформировали математический фундамент кибернетики.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 19

скачати