Kybernetika

Kybernetika (z řeckého κυβερνητικός (kybernētikós, „týkající se kormidla, řízení“) z κυβερνάω (kybernáō, „kormidluji, řídím“))[1] je věda, která se zabývá obecnými principy řízení a přenosu informací ve strojích, živých organismech a společenstvích. K popisu používá zejména matematický aparát. Je založena na poznatku, že některé procesy probíhající v živých organismech jsou popsány stejnými rovnicemi jako analogické procesy v technických zařízeních. Za zakladatele je považován Norbert Wiener, americký matematik, který vydal v roce 1948 knihu Kybernetika aneb Řízení a sdělování u organismů a strojů.

Dle Akademického slovníku je rovněž kybernetika naukou, která se zabývá studiem složitých informačních systémů.

Úžeji a historicky je kybernetika vědou o technické reprezentaci lidských biologických schopností a vice versa hledá biologické obdoby již známých technických řešení. Návaznost na biologii platí obecně, nicméně se nejčastěji zabývá biologickými schopnostmi člověka, je tedy často antropomorfní, a to už svými definicemi (např. kandela), ze kterých je až následně lidský faktor odstraňován. Například se nejprve řešila elektronizace lidského vidění, až později došlo i na jiné organismy: Např. psi (černobílé), různé gamuty (IR, UV u včel a některých ptáků) vs. strašek s až 12 barvami oproti lidským pouhým třem (RGB). Pro účely kybernetiky jsou v přírodě hledány nejjednodušší příklady základních evolučních řešení: Jako modely se používají háďátko, octomilka, švábi (už i jako kyborgové: s uťatou hlavou, ovšem jen makroskopicky formou vivisekce) a další. Vrcholnou metou praktické kybernetiky je elektro-biologický interface, rozhraní pro oboustranný přenos informace mezi tělem a elektronikou, naší nejzvládnutější technologií. Tím by se plně otevřela oblast bioniky, s praktickým použitím nejen v protetice.

Dějiny kybernetikyEditovat

Za praotce kybernetiky je označován Hérón Alexandrijský (1. st. n. l.). Ve svém díle Automata se věnuje automatizaci a toto dílo tak bývá označováno za první knihu o kybernetice. Popisuje v něm různá zařízení, např. olejovou lampu, do které se automaticky doléval olej, automatický pohyb loutek, samočinně zavírané dveře chrámu a dokonce automat na antickou limonádu (někdy je uváděno na svatou vodu), do kterého se vhazovala mince.[2]

Norbert WienerEditovat

Vize Norberta Wienera zahrnuje tak odlišné světy, jako je živá příroda a stroje vytvořené člověkem. Navíc, je zde značný rozdíl v nástrojovém vybavení věd, které tyto světy mají v kompetenci. Stroje vytvořené člověkem zcela podléhají exaktní vědě, s jejími mohutnými, matematikou vytvořenými jazykovými nástroji a efektivním nástrojem formální inference viz Exaktní věda, tam příklad inference. Živá příroda má takové nástroje k dispozici jen parciálně, tam je dominující popisná věda odkázaná na přirozené lidské poznání. Dalším faktorem komplikujícím porovnání těchto světů, je typ zpracovávané informace. Exaktní věda (a tak i technika) je postavena na předpokladu, že informace je exaktní, tedy její interpretace má nulovou vnitřní vágnost, lidská (živočišná) psýcha, jako nejvyšší vrstva živého světa, poznáním získává a tak zpracovává informaci inherentně vágní, tj. s neodstranitelnou vágností. Myšlenky Norberta Wienera poskakují mezi materiálním světem a informací v něm proudící, používá lehké pojetí obtížného úkolu, ale při širokém záběru je obtížné dělat hluboký zářez. Jak tedy obhájit Wienerovu vizi, která porovnává tak, v mnoha ohledech odlišné světy, která ale byla přeci jen v mnoha oborech plodnou pohnutkou?

Vidění reálného světa jako světa interakcí, je obecný model jeho vidění současnou vědou (např. [3]). Vidění toku informace v něm, je speciální pohled, který je v některých případech vhodnější pro pochopení dění, vidění jiných souvislostí, jsou to dvě možné interpretace. Názorně k tomu slouží orientované grafy: bloková schémata [4], či grafy signálových toků [5], [6]. Tyto grafy vytvořené přepisem matematického modelu do grafického schématu, svojí názorností přímo nabízejí použít vhodnější z obou interpretací.

Obou interpretací se již dlouhý čas vědomě používá v návrhu soustav sdělovacích a soustav automatického řízení[7], [8] v teorii elektrických obvodů, ale někdy i v počítavé simulaci různých jevů materiálního světa. Informace je jen jiný pohled na materiální dění, jiná interpretace. Ustavila se na ní i kybernetika[9], těžící i z toho, že tato interpretace je použitelná napříč obory. Potud podpora nástrojů exaktní vědy. Jejich silou odhalená myšlenka dvojí možné interpretace, se rozšířila i mimo svět exaktní vědy.

S dvojí interpretací napříč obory (příklady): Třeba interakci čichového orgánu brouka s molekulami feromonu, můžeme chápat jako informaci, jinak je to ale interakce. Podobně můžeme říci, že genetický kód je informací pro vývoj buňky, přitom je jedním článkem z řetězce biochemických interakcí. Je možno ale uplatnit (modelovou) interpretaci, že je nositelem informace, pokud je to výhodnější pro pochopení jevu. Vhodně strukturované elektromagnetické pole, detekované a zpracované mobilním telefonem můžeme interpretovat jako SMS zprávu, nebo jako řetězec interakcí.

Nevíme dnes přesně, jak to tehdy Wiener myslel, ale myslel to, aspoň v jistém nadhledu (v detailech je to odlišné), dobře.

Moderní kybernetikaEditovat

se vyvíjela odlišně v různých zemích. V západních zemích víceméně splynula s obecnou teorií systémů a řada oborů, které byly považovány za součást kybernetiky, se vyvíjí jako samostatné obory – například informatika, umělá inteligence nebo neuronové sítě. V zemích východního bloku byla nejprve kybernetika považována za „buržoasní pavědu“, z čistě ideologických důvodů.[10] Začala být znovu přijímána až v polovině 50. let. Pak se naopak stala zastřešující disciplínou pro mnoho oborů, které se v zemích mimo východní blok osamostatnily. Za součást kybernetiky byla považována například i informatika.

Základní pojmy kybernetikyEditovat

Obory kybernetiky - použitíEditovat

Procesy různé povahy se dají sledovat jako získávání, uchování, zpracování a interpretace informací.

Nejdůležitější principy kybernetikyEditovat

  • Zpětná vazba: Princip zpětné vazby byl znám již dříve v regulační technice a používal se při návrhu zpětnovazebních zesilovačů pro účely sdělovací techniky. Zakladatelé kybernetiky ale rozpoznali, že jde o velmi obecný princip. Je především zásluhou kybernetiky, že se stal obecně známým a umožnil vysvětlit řadu dějů odehrávajících se v nejrůznějších dynamických systémech.
  • Informace: Postupně vznikla exaktní teorie informace jako odnož teorie pravděpodobnosti. Informace doplnila náš fyzikální obraz světa v tom smyslu, že jde o stejně důležitou entitu, jako je hmota či energie. Informace je zřejmě nejfrekventovanějším pojmem, který kybernetika přinesla. Zpracování informace se stává stále důležitějším a pomalu ale jistě mění charakter našeho života.
  • Model: Systematické studium různých systémů vedlo k poznatku, že systémy různé fyzikální podstaty mohou mít velmi podobné chování a že chování jednoho systému můžeme zkoumat prostřednictvím chování jiného, snáze realizovatelného systému ve zcela jiných časových či prostorových měřítcích. Ukázalo se, že mnohé systémy mechanické, hydraulické, pneumatické, tepelné a jiné jsou formálně popsány stejnými diferenciálními rovnicemi jako elektrické obvody. Tento poznatek vedl k vytváření speciálních elektrických obvodů sloužících jako analogové počítače, jež však byly vytlačeny symbolickými modely na číslicových počítačích.
  • Zákon nutné variety: Zákon zjednodušeně říká, že chceme-li pomocí řídícího systému odstranit neurčitost v proměnných řízeného systému, pak množství neurčitosti odstraněné za jednotku času je nejvýše kapacita řídícího systému jako komunikačního kanálu. Jinak řečeno, pro dobré řízení musí být řídící systém v jistém smyslu modelem řízeného systému.

Rozdělení kybernetikyEditovat

Z praktického hlediska můžeme kybernetiku rozdělit na následující části podle přístupu i aplikací:

  1. teoretická kybernetika
  2. aplikovaná kybernetika

Teoretická kybernetikaEditovat

Teoretická kybernetika studuje především obecné vlastnosti a chování systémů. Zabývá se obecným popisem vlastností a chování systémů. Z tohoto pohledu zahrnuje teoretická kybernetika teorii systémů a teoretickou informatiku.

SystémEditovat

Systém lze definovat různým způsobem, základní definice jsou:

  1. Systém je daná množina veličin.
  2. Systém je daná množina variací veličin v čase.
  3. Systém je časově invariantní vztah mezi současnými a předchozími nebo budoucími hodnotami veličin.
  4. Systém je daná množina prvků spolu s jejich chováním a množina vazeb mezi těmito prvky a okolím.
  5. Systém je množina stavů a množina přechodů mezi stavy.

Podle toho, jaký přístup volíme, bude ta která definice více či méně vhodná. Např. definice č. 1 a 2 budou vhodné při prvním studiu složitých systémů, definice č. 3 bude vhodná při návrhu regulace, definice č. 4 při kybernetickém přístupu v biologii nebo ve fyzice a definice č. 5 v teoretické informatice.

Aplikovaná kybernetikaEditovat

Aplikovaná kybernetika představuje použití kybernetického přístupu při analýze, modelování a simulaci a návrhu systémů, dále aplikuje poznatky kybernetiky do dalších oblastí. Aplikovaná kybernetika zasahuje do mnohých oblastí lidské činnosti - zahrnuje totiž mj. následující obory:

  • technická kybernetika jako hlavní aplikační oblast
  • informatika
  • biokybernetika
  • ekonomika
  • management jako teorii řízení
  • sociologie

a mnohé další.

Model systémuEditovat

Modelem systému nazýváme jakýkoliv zjednodušený popis systému, který v sobě akumuluje důležité vlastnosti systému. Žádoucí je, aby model umožňoval i predikci chování systému v zatím neověřených podmínkách.

ReferenceEditovat

  1. REJZEK, Jiří. Český etymologický slovník. Verze 1.0. Leda, 2007. Heslo „kybernetika“
  2. Ivan Štol, Dějiny fyziky, Prometheus s.r.o., Praha 2011, dotisk 1. vydání, str. 87, ISBN 978-80-7196-375-2
  3. https://www.youtube.com/watch?v=HQgIZl9TpM4 Petr Kulhánek: Mikrosvět a makrosvět
  4. Zítek P.: Simulace dynamických systémů. SNTL Praha 1990
  5. Mason, S.J.: Feedback Theory: Further Properties of Signal Flow Graphs. Proc. IRE, Vol. 44, No. 7, pp. 920-926, 1956.
  6. Biolek D.: Grafy signálových toků pro analýzu obvodů (nejen) v proudovém módu
  7. Švec J., Kotek Z.: „Teorie automatického řízení“. SNTL, Praha, 1969
  8. Balátě J.: „Automatické řízení“. BEN - technická literatura. 2004.
  9. Mareš M.: Dvojité výročí kybernetiky, Vesmír 88, 270, 2009/4, https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2009/cislo-4/dvojite-vyroci-kybernetiky.html
  10. Ivan M. Havel: Kybernetika; Vesmír

Související článkyEditovat

Externí odkazyEditovat