Доктор Винер и кибернетика

Вклад доктора Винера в разгром японских агрессоров

В статье Михаила Ваннаха совершенно верно сказано, что "задача повышения эффективности ПВО была решена с помощью новейших теоретических методов" и что в их разработке участвовала группа доктора Винера. (Справедливости ради нужно отметить, что аналогичными работами довольно успешно занимались тогда ученые многих стран мира, в том числе Англии, СССР, Германии, - уж очень задача была актуальной.)

Но в чем была суть этой теории? Как это связано с кибернетикой? Наверное, это будет полезно уточнить, тем более что в статье был сделан упор на "железо", которое на самом деле было вторичным в этой проблеме. Главным же была реализация новой математической модели управления системой ПВО.

Традиционная схема управления зенитками выглядела следующим образом. На основе наблюдения за параметрами полета самолета производился расчет его прогнозируемой траектории (экстраполяция кривой по данным замеров) и выполнялся выстрел в точку, где должен находиться объект в данный момент (будем считать, что проблему попадания в нужную точку и установки дистанционного взрывателя артиллеристы умеют решать отлично). Решение такой задачи требует некоторого аппарата расчетов и управления. Охотник использует в основном личный опыт, а на кораблях и береговой артиллерии в начале двадцатого века, когда дальность стрельбы стала очень приличной (до двух десятков километров), уже стали применять специальные приборы для замеров дальности и скорости движения и соответствующий математический аппарат с использованием артиллеристских таблиц.

Проблема с самолетами заключалась в том, что они летали в трехмерном пространстве и существенно быстрее: потребовались новые методы наблюдения за ними (радиолокаторы), более сложные алгоритмы расчетов, с одновременным повышением скорости их выполнения, а также автоматизацией процедуры наводки орудий. Не говоря уже о проблеме управления дистанционными взрывателями для поражения самолета осколками (такого охотникам и морякам вообще не приходило в голову). Это, конечно, очень важная задача, но к ее решению, по моим сведениям, др. Винер не имел отношения. Он разрабатывал новую теоретическую модель ПВО.

Алгоритм управления огнем, о котором говорилось выше, отлично работает, если имеется один самолет и одна зенитка. Но если по самолету стреляют десять орудий, то теоретически получается, что в одну цель попадет сразу десять снарядов, хотя достаточно и одного, что не очень эффективно. А для повышения эффективности необходим переход от детерминированных математических моделей к стохастическим (вероятностным).

Суть проблемы заключается в том, что на самом деле предсказать траекторию полета самолета можно лишь с определенной степенью вероятности. На это влияют самые разнообразные погрешности, например, данных наблюдений и математического метода экстраполяции. Не говоря уже о том, что летчик может выполнить противозенитный маневр. Таким образом, поведение самолета описывается функцией P(x,y,z,t) - вероятности того, что он будет находиться в данной точке в данный момент времени. Раньше все стреляли в точку, где эта вероятность была максимальной. А теперь ставилась другая задача: разные орудия должны стрелять в разные точки пространства таким образом, чтобы зоны поражения не пересекались и при этом суммарная вероятность "накрытия цели" была максимальной. Обратите внимание, что такая постановка задачи позволяет оптимизировать и использование ресурсов (орудий) - расчеты смогут сразу показать, что для практически стопроцентного поражения цели достаточно и пяти зениток.

Соответственно менялась и задача при защите от атаки нескольких самолетов. Если раньше каждое орудие (или их группа) отслеживало отдельную цель, то теперь методом суперпозиции определялась общая функция всех самолетов P(x,y,z,t) и стрельба велась по этой "виртуальной цели".

Сложность решения такой математической задачи является совершенно очевидной, особенно если учесть, что такими же стохастическими функциями характеризуются также все элементы самой системы ПВО

(зенитки). Кроме того, нужно учитывать параметры действенности (поражения) каждого конкретного орудия, степень опасности разных целей и пр.

Эффективность предложенной модели управления зенитками ни у кого не вызывала сомнения. Но ее практическая реализация была задачей непростой. Например, обозначилась проблема надежности ее функционирования. Новая модель подразумевала переход к централизованной системе управления - для вывода из строя всех орудий было достаточно было уничтожить центральный пульт управления. (На самом деле, конечно, все зенитки могут работать и в автономном режиме.) Но самое главное, уже тогда стало очевидным, что реализация такого мощного математического аппарата традиционными для 40-х годов аналоговыми вычислительными средствами была весьма проблематичной.

(Для справки: советские суперкомпьютеры 70-80-х годов серии "Эльбрус" разрабатывались именно для решения задач ПВО/ПРО страны.)

Мышь проела ход в кибернетику

Обратите внимание, что решенная доктором Винером задача в общем-то не выходит из традиционного круга математических задач и никакой идеологической подоплеки не несет. Кроме того, нужно подчеркнуть также, что само понятие "кибернетика" является довольно расплывчатым. По крайней мере в семидесятые годы, когда я учился в МИФИ на факультете "Кибернетика" ("буржуазной лженаукой" она перестала быть за 10-15 лет до этого), такого предмета в учебном расписании не было (насколько я знаю, нет и до сих пор). Это название присутствовало только в курсе "Техническая кибернетика", который читался преподавателями с факультета автоматики и объединял давно известные предметы - "Теория автоматического регулирования" и "Системы автоматического управления".

По сути дела, кибернетика является некоторым научным направлением, связанным с решением математических задач управления, и включает целый набор довольно автономных разделов: теории оптимального управления, теория автоматов, теории алгоритмов, исследования операций и пр. Однако качественно новый этап в развитии этих довольно традиционных дисциплин наступил в 40-50 годах в связи с тем, что задачи управления стали рассматриваться с использование сравнительно нового тогда понятия "информации". Соответственно, одной из центральных дисциплин кибернетики стала "Теория информации", а основой решения задач управления - сбор, хранение и обработка информации. Именно "информация" позволила увязать воедино проблемы управления ПВО, экономикой, живыми механизмами.

Не углубляясь в теоретические дебри, следует отметить, что при всей употребимости термина "информация", четкого ее определения не существует. Оно относится к аксиоматическим понятиям (точка, плоскость), которые характеризуются некоторыми свойствами. У информации имеется два противоречивых свойства. С одной стороны, это некоторый объем данных, который существует объективно и независимо (например, данные в памяти компьютера). С другой стороны, польза этих данных определяется тем, что они будут понятны людям в определенном контексте и смогут повысить их знания. Соответственно, оценка "информативности" конкретных данных является сугубо субъективной - она зависит от объема знаний конкретного индивидуума. Например, тривиальный факт, что 2х2=4, является для первоклассника некоторым откровением, а уже через год становиться банальностью.

Ключевым элементом теории автоматического управления всегда было наличие обратной связи. Это подразумевало возможность коррекции поведения механизма управления в зависимости от анализа результатов его текущей деятельности (температура в печи повысилась - снизить подачу газа, понизилась - увеличить). Но ранее никогда не ставилась задача "самообучения" автоматических систем управления - возможности накопления данных о своей предыдущей деятельности и формирования на основе них знаний, которые можно использовать для повышения эффективности своей работы. Крамола "Кибернетики" Винера для ортодоксальной советской идеологии заключалась не только в том, что управление обществом и, в частности, экономикой нужно вести не на уровне лозунгов "Решения КПСС (Microsoft?) в жизнь!", но и с учетом некоторых научных основ. Главное - в ней была высказана "антиматериалистическая мысль" о том, что самообучающиеся системы могут быть реализованы не только в виде людей, но и неких неживых автоматов. Раньше считалось, что любые автоматы (в том числе и компьютеры) могли только быстрее повторять уже решенные человеком проблемы и алгоритмы. Теперь же объявлялось о теоретической возможности того, что ученик может превзойти учителя и в решении нетривиальных, новых (то есть творческих) задач.

Примером этого стал хрестоматийный пример Винера с мышью (не путать с Microsoft Mouse!). Идея была простой: передвигаясь по лабиринту, мышь бегала по его ходам, утыкалась в тупики, возвращалась обратно. При этом она запоминала "неправильные ходы", никогда не повторяла их и в результате приходила к цели. Но самое главное в другом: при повторном прохождении лабиринта мышь достигала цели кратчайшим путем. То есть она училась, использовала накопленный опыт.

Эти же идеи "самообучения" были положены в основу исследований в области искусственного интеллекта, в частности, при разработке теории распознавания образов, которая также стала одним из разделов "Кибернетики". В связи с этим совершенно естественным стал интерес к познанию механизмов и алгоритмов деятельности человеческого мозга: неизмеримо уступая компьютерам в решении численных задач, любой ребенок может легко отличить кошку от собаки (любой породы), что не под силу пока даже самому мощному вычислителю.

А вот в шахматах мы уже дожили до времени, когда компьютер выигрывает у чемпиона мира. Разумеется, это стало возможным благодаря росту мощности вычислительной техники. Но здесь важнее другое: одна и та же шахматная программа может играть все лучше и лучше по мере накопления опыта (собственного и чужого) - она построена по принципу обучения.

Так что родоначальником винеровской кибернетики все же по праву нужно считать не модель системы управления ПВО (задача сама по себе грандиозная), а его "мышь в лабиринте".