Техническая кибернетика

Техническая кибернетика (ТК) – научное направление, связанное с применением единых для кибернетики идей и методов при изучении технических систем управления. ТК — научная основа комплексной автоматизации производства, разработки и создания систем управления на транспорте, ирригационных и газораспределительных системах, на атомных электростанциях, космических кораблях и т.п. Проблема «человек — машина», охватывающая вопросы рационального распределения функций между человеком и автоматически действующими устройствами в сложных системах управления (в которых человек принимает непосредственное участие как обязательное звено системы), является одной из главных в ТК. Наибольшее объединение функций человека и автомата достигается в так называемых киборгах («кибернетических организмах»), то есть устройствах с высокой степенью симбиоза в физических и интеллектуальных действиях человека и технических средств автоматики. Киборги, так же как и роботы-манипуляторы, находят все более широкое применение при управлении объектами в недоступных или опасных для жизни человека условиях. Участие человека в работе автоматизированных систем управления привело к тому, что, кроме физиологических особенностей человека-оператора, существенное значение стало приобретать его психологическое состояние. Так возникло новое направление научных исследований, теснейшим образом связанное с ТК, — инженерная психология, важнейшей задачей которой является разработка методов использования психофизиологических особенностей человека при проектировании и эксплуатации сложных человеко-машинных систем управления.

При решении многих задач (таких, например, как навигация судов и летательных аппаратов, создание измерительных и контрольных устройств, разработка читающих автоматов и др.) специалисты в области ТК стремятся использовать применительно к технике управления пути и приемы, выработанные природой; это привело к формированию большого самостоятельного направления, пересекающегося с ТК, — бионики.

Одним из направлений ТК является распознавание образов. Распознающие системы применяют не только при создании читающих автоматов, но и при распознавании и анализе ситуаций, характеризующих состояние технологических процессов или физических экспериментов, а также при разработке медицинских автоматических средств диагностики и пр. К ТК относится и идентификация объектов управления, т. е. определение динамических характеристик управляемых объектов на основе наблюдения и измерения некоторых их параметров и внешних возмущающих воздействий. Разработка и исследование различных методов идентификации представляет собой самостоятельное направление в ТК. К ТК можно отнести также и исследования в области теории прогнозирования и разработки автоматических прогнозирующих устройств.

Характерной особенностью развития ТК в конце 1960—начале 70-х гг. является широкое использование вычислительной техники в технических системах управления и в том числе автоматизированных системах управления предприятием (АСУП). Создание таких систем — задача сложная и многогранная; ее научной базой служит ТК, системотехника, теория информации, экономическая кибернетика, причем часто невозможно указать грань между этими научными направлениями. ТК проводит исследования и решает задачи, относящиеся главным образом к нижним уровням управления производством (агрегатом, технологическим процессом и цеховой системой), а системотехника делает упор на средние уровни управления (административно-организационное управление предприятием, комбинатом или отраслью), а также на автоматизацию процессов проектирования и автоматизацию сложных научно-экспериментальных работ (например, при геофизических и гидрофизических исследованиях и т.п.). Все уровни управления тесно взаимосвязаны. Поэтому к созданию автоматизированной системы управления подходят как к единой целостной проблеме, комплексно решая задачи проектирования, разработки, изготовления, испытания, наладки и эксплуатации. При этом принимают во внимание как чисто технические, так и административно-организационные, экономические, социальные, правовые и этические аспекты этой целостной проблемы. Создание АСУП требует большой предварительной организационной и технической подготовки. Организационная подготовка — это прежде всего алгоритмизация процессов и составление алгоритмов управления подсистемами и системой в целом. Техническая подготовка заключается в выборе стандартных или (при необходимости) разработки новых технических средств (вычислительных машин, устройств изображения информации, пультов управления и т.д.), необходимых для эффективного функционирования АСУП.

Вследствие большой насыщенности систем управления разнородными техническими средствами возросло значение автоматического контроля как средства повышения надежности функционирования систем. Решение этой задачи, так же как и общей задачи повышения эффективности АСУП, в значительной мере связано с предоставлением человеку-оператору необходимой обобщенной визуальной информации. Для этой цели созданы различные средства отображения информации с учётом психофизиологических особенностей человека, предоставляющие ему возможность активно участвовать в процессе управления.

В большинстве технических систем управления отсутствует априорная информация, необходимая для оптимального управления, и человек-оператор должен накапливать её в процессе эксплуатации системы. Поэтому изучавшиеся в теории автоматического управления различные адаптивные системы имеют не меньшее значение и при разработке АСУП. В этом проявляется преемственность и даже некоторое совпадение задач теории автоматического управления и ТК. Это же утверждение относится к исследованию динамических свойств АСУП (устойчивости, точности управления и т.д.), т. е. к проблематике, определяющей научное содержание как ТК, так и теории автоматического управления.

Наличие человека в системе управления потребовало решения многих новых задач, которые при изучении систем автоматического управления (САУ) не возникали. В частности, появилась необходимость изучить интеллектуальную деятельность человека в процессе управления (логическое описание его функционирования, методы описания целенаправленного поведения, процесса обучения и пр.) В связи с многообразием задач, возникающих при изучении человеко-машинных систем управления, потребовалось найти обобщающие методы исследования, с единой тоски зрения охватывающие многие из этих задач. Поэтому с 1970-х гг. ТК стала развиваться в направлении построения и изучения абстрактных моделей сложных систем управления.

Большое значение в ТК приобретают методы решения задач устойчивости, оптимальности, распознавания образов, исследования конечных автоматов, а также экономико-математических задач, основная трудность которых заключается в наличии очень большого числа взаимодействующих элементов (подсистем), входящих в соответствующую сложную систему. Основные пути преодоления этих затруднений — методы декомпозиции и методы агрегатирования. Большое значение в ТК имеет также проблема многих критериев, заключающаяся в выборе таких значений управляющих воздействий, при которых всякое оптимальное значение, найденное для каждой из подсистем, было бы оптимальным (или субоптимальным) и для системы в целом. Аналитические методы изучения сложных систем имеют большое значение для исследования реальных систем управления производством, транспортом и т.д. В отличие от традиционных методов моделирования — аналогового, цифрового или гибридного (цифро-аналогового), широко распространённых при исследовании систем автоматического управления, при моделировании систем «человек — машина» создаются специальные моделирующие комплексы и даже моделирующие центры. В их состав, помимо аналоговых и цифровых вычислительных машин, входят различные устройства отображения информации, специализированные пульты, средства связи и др., позволяющие создать для человека-оператора условия функционирования, наиболее приближённые к реальным.