INTERNACIONALNI UNIVERZITET TRAVNIK SAOBRAĆAJNI FAKULTET TRAVNIK
KIBERNETIKA SEMINARSKI RAD
Predmet: Informatika Mentor: Doc. dr. Muharem Kozić
Student: Romana Ibrahimi Broj indeksa: S-05/12-I
1
Travnik, decembar, 2012.
SADRŽAJ UVOD......................................................................................................3. I. POSTANAK KIBERNETIKE..............................................................4. II. DEFINICIJA KIBERNETIKE.............................................................6. III. KONCEPT STABILNOG SISTEMA.................................................8. IV. MODEL...............................................................................................8. V. OTVORENI, ZATVORENI, RELATIVNO OTVORENI SISTEMI...................................................................................................9. VI. DEFINICIJA INFORMACIJA..........................................................11. VII. TEORIJA HAOSA...........................................................................12. VIII. UPRAVLJANJE..............................................................................13. IX. KIBERNETIKA KAO ZAKONITOSTI............................................14. ZAKLJUČAK...........................................................................................17. LITERATURA..........................................................................................18.
2
UVOD Kibernetika je nauka o općim zakonitostima procesa upravljanja i regulacije te dobivanja pretvorbe, pohranjivanja i prijenosa informacija u sistemima, koji su neovisni o njihovoj fizikalnoj prirodi. Riječ kibernetika dolazi od grčke riječi kibernein što znači upravljati. Kibernetika je sintetska naučna disciplina koja omogućava dublji uvid u različita područja nauke, a pronalaženjem općih zakonitosti pridonosi daljnjem razvoju nauke i prenošenjem spoznaje iz jednog naučnog područja u drugo. To je naučna disciplina koja se posebno bavi proučavanjem upravljanja u dinamičkim sistemima. Nastala je neovisno od opće teorije sistema, ali su njene tendencije, metode, te način naučnog pristupa u rješavanju određenih problema slični metodama i načinu razmišljanja u teoriji sistema. Područje primjene kibernetike je vrlo široko, pa su se razvile i različite grane kibernetike kao što su: teorija informacija, teorija kodiranja, teorija formalnih jezika i gramatika, matematička logika, teorija algoritama i programiranja, matematički modeli i instrumenti, automatsko vođenje i regulacija, robotika i mnoge druge. Praktični problemi teorije sistema mogu se svrstati u dvije glavne skupine: 1. izgradnja i usavršavanje sistema; 2. održavanje, razvoj i upravljanje sistema. Prvi problemi, tj. Izgradnja i usavršavanje sistema spadali bi prvenstveno u područje teorije sistema. Drugi problemi. tj. Održavanje razvoj i upravljanje dinamičkim sistemima, spadali bi u područje kibernetike. Tehnička kibernetika bavi se teorijom i primjenom vođenja tehničkih sistema i čini osnovu širokom području tehničkih disciplina. Ona uz ostalo obuhvaća sistem automatskog vođenja, daljinskog mjerenja i upravljanja, elektronička računala. Konstrukcija uređaja koji će sam učiti 3
i zapamćeno logički povezivati, jedan je od ciljeva tehničke kibernetike.
I. POSTANAK KIBERNETIKE
Otac kibernetike, tj. pronalazač i osnivač kibernetike je američki naučnik Norbert Wiener 1948. godine. On je ustanovio da postoje granična područja između svih naučnih disciplina, i takva područja je nazvao "NIČIJOM ZEMLJOM" i smatrao da su upravo ona najplodnija. Smatrajući da je problem razumijevanja i komunikacije između učenjaka raznih naučnih profila od presudnog značaja za razvoj nauke, krug naučnika, među kojima je i Wiener, došao je na ideju da taj problem pokuša riješiti pomoću nekog zajedničkog naučnog jezika. Takav naučni jezik mogao je biti samo matematika jer su matematički simboli i pravila univerzalni. Iako matematika do danas nije postala opći i univerzalni jezik, napor na njegovom traženju nije bio uzaludan jer je diveo do stvaranja nove naučne discipline kibernetike. Problem razvoja nauke i problemi komuniciranja među stručnjacima možemo pojednostavljeno prikazati pomoću crteža I a). i I b).
Slika I. Prikaz razvoja nauke
4
Na slici I. a). je razvitak ljudskog znanja i formiranje struka i naučnih disciplina prikazan dvodimenzionalno, a na slici I. b). trodimenzionalno.
Ako na apscisi dijagrama I.a). označimo vrijeme naučnog razvoja čovječanstva, a sa površinom koju omeđuju ordinata i apsicisa predstavimo količinu znanja, možemo pomoću krugova koji označavaju tok vremena načelno predstaviti količinu postojećeg znanja u određemom vremenskom razdoblju. Ideje i problemi koji su uočeni unutar kruga naučnika i Wienerov rad na ratnim zadacima doveli su do spoznaje da zakoni upravljanja ne zavise bitno od same prirode sistema, tj. da oni vrijede za sve stvarne sisteme. Isto tako Wiener je došao do zaključka da bi za proučavanje tih zakona trebalo formirati novu naučnu disciplinu koju je on formirao i nazvao KIBERNETIKA. Rođenjem kibernetike smatra se pojava Wienerove knjige: Kibernetika ili kontrola i komunikacija u živom biću i stroju.1 Wiener je dao odgovor na pitanja: 1. Čime se upravlja? Wiener je odredio da procesi upravljanja obuhvataju tri elementa: sistem, informacije i procese. 2. Pomoću čega se upravlja? Informacije predstavljaju instrumente pomoću kojih se upravlja. Informacijama se bavi Teorija informisanja i Informatika. 3. Kako se upravlja? Sistemima se upravlja tako što se pomoću povratne sprege utiče na njihovo kretanje u prostoru stanja sistema. Primjenom povratne sprege, pomoću informacija, sistem se kreće u prostoru stanja. Kibernetika je svojom pojavom i popularnošću doprinijela razvoju većeg broja naučnih disciplina i to prije svega tzv. sistematskih nauka, kao što su opća teorija sistema, teorija informacija i čitav niz drugih sistematskih teorija. Iako kibernetika nije postigla značajne rezultate na području rješavanja društvenih problema, ipak je značajna za mnoge struke kao što su tehnika, informatika, organizacija, ekonomija, vojne nauke i druge.
1 Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine.
5
II. DEFINICIJA KIBERNETIKE
Pod kibernetikom se smatra nauka koja se bavi: • razvojem robota i umjetnih ljudskih organa, kao što su umjetna ruka, srce itd.; • razvojem teorije regulacije; • razvojem teorije upravljanja u dinamičkim sistemima, u smislu postavljanja i postizanja nekih ciljeva. Norbert Wiener, začetnik kibernetike, daje njenu definiciju u naslovu svoje prve knjige koji se može sažeti u:"Kibernetika je nauka o upravljanju i vezi u živim bićima i uređajima." W.R. Asby u uvodu svog klasičnog djela "Uvod u kibernetiku" piše: "Uistinu kibernetiku možemo definisati kao proučavanje ponapanja sistema koji su sa stanovišta energije otvoreni, ali sa stanovišta infomacija i upravljanja zatvoreni, kao takve sisteme koji informacije ne propuštaju. Da nikakva informacija ne može proći iz jednog dijela u drugi, a da to kao značajan događaj ne bi bilo registrovano." Na osnovu ovog možemo zaključiti da je kibernetika naučna disciplina sa sljedećim osobina: 1. osnovni predmet njenog proučavanja su upravljački sistemi; 2. način proučavanja je sistematski u smislu ranije opisanog sistematskog pristupa; 3. osnovni elementi pročavanja se odnose na informacije, stukturu sistema, ponašanje sistema i tokove informacija u sistemu; 4. osnovna metoda rješavanja problema je stvaranje apstraktnih modela na osnovu poznatih zakonitosti iz svih naučnih područja; 5. cilj kibernetike je proučavanje zakonitosti pojava u upravljačkim sistemima sa svrhom da se otkriju uzroci stanovitog ponašanja i da se konstruiraju bolji upravljački sistemi. Kibernetika se često naziva i TEORIJOM ZATVORENIH SISTEMA, nasuprot općoj teoriji sistema koja se naziva i TEORIJOM OTVORENIH SISTEMA.2 Sve definicije kibernetike sadrže bar tri elementa: 2 Bertalanffy
6
1. sistem – kao predmet kojim se kibernetika bavi; 2. proces upravljanja – oni izdvajaju kibernetiku kao posebnu naučnu disciplinu; 3. informacije – na osnovu kojih ili pomoću kojih se upravlja.
Kibernetika je svakako posebna naučna diciplina koja se znatno razlikuje od drugih naučnih disciplina , prvo po širini područja i drugo po tome što u njoj ima malo vlastitog. Uglavnom, kibernetika je većinu svojih postavki, pojmova, pa i metoda preuzela od drugih nauka. Istina, sve što je preuzlea interpretira na svoj način i daje svoje posebno tumačenje. Kibernetika je pod velikim utjecajem matematike što nije ni čudo jer je njen tvorac čuveni matematičar. S obzirom na interdisciplinarnost kibernetike, naučnicima različitih profila se čini da definicije njihovih kolega ne odgovaraju onoj svrsi i onim potrebama koje kibernetika izaziva u njihovim domenima i djelokrugu rada. Da bi se kibernetika konstituisala, bilo je potrebno izgraditi (1) nov metodološki pristup, (2) niz novih metoda, (3) razviti određene tehnološke pretpostavke. • • • • •
Teoretsku osnovu kibernetike čine sljedeće naučne discipline: teorija sistema; teorija informacija; teorija regulacije; teorija igara; teorija algoritama.
Kibernetika je, prema Wienerovoj zamisli, trebalo da bude nešto što će uvesti stabilnost u procese upravljanja savremenim društvom, time što će uspostaviti i podržavati sve ono što omogućava stabilnost, što doprinosi ukidanju ekstrema, izvora sukoba i nestabilnosti – kao naučna disciplina koja će donijeti harmoniju.
7
III. KONCEPT STABILNOG SISTEMA Koncept stabilnog stanja sistema označava takav odnos između elemenata sistema u kojem dolazi do relativno maloh modifikacija u funkcionisanju sistema. Dinamička ravnoteža predstavlja najbolji raspored i odnos elemenata sistema u odnosu na željeno stanje. S obzirom na stalno djelovanje entropije i prilagođavanja sila negentropije prema silama entropije , sistem koji se nalazi u stanju dinamičke ravnoteže je sistem u kome se sile dezorganizacije poništavaju silama organizacije. Dinamička ravnoteža priznaje da u sistemu postoje sukobi, ali i da sistem može za njih naći rješenje.
Deterministički odnosi označavaju da pojava A uvijek izaziva pojavu B. Determinističke odnose je teško otkriti u složenim sistemima zbog velikog broja elemenata i međusobnih složenih odnosa. Složeni sistem je sistem koji ima veliki broj elemenata i, unutar sebe, složene odnose. Stohastičnost označava da promjene u elementu B zavise, sa većom ili manjom vjerovatnoćom, od promjena u elementu A, ali i moguće od elemenata C,D, itd.
IV. MODEL Da bi smanjila broj elemenata kojim upravlja u složenim sistemima , kibernetika koristi model. Model predstavlja preslikavanje realnosti u neki manji složeni virtulni sistem. Preslikavanje elemenata u sistemu može biti: • Izomorfno preslikavanje je preslikavanje većeg broja elemenata iz realnosti u manji broj elemenata u model; • Homomorfno preslikavanje je preslikavanje elemenata iz realnosti u manji broj 8
elemenata modela.
V. OTVORENI, ZATVORENI, RELATIVNO OTVORENI SISTEMI Sistemi se razlikuju u svom odnosu prema okruženju. Von Bartalanffy je u kibernetiku uveo razlikovanje tvorenih, zatvorenih i relativno otvorenih sistema. V. a). OTVORENI SISTEMI Otvoreni sistemi su sistemi koji sa okruženjem razmjenjuju informacije , materiju i energiju. S obzirom da otvoreni sistemi "komuniciraju" sa okruženjem, moguće je upoznati njihovu stukturu i dinamiku. Okruženje djeluje na sisteme tako što unosi dezorganizaciju, ali u isto vrijeme omogućava sistemu da, koristeći energiju, materiju u informacije koje dobijaju iz okruženja stabilizuju svoje dinamičko okruženje. Otvoreni sistemi su jedini sistemi za koje znamo da postoje. Biloški i društveni sistemi su uvijek otvoreni sistemi, jer oni mogu da opstanu samo uz visok stepen interakcije sa okruženjem. V. b) ENTROPIJA U ZATVORENOM SISTEMU Zatvoreni sistemi su oni koji s okruženjem ne razmjenjuju informacije, materiju i energiju. Oni postoje samo kao torijska konstrukcija , jer ne postoji nikakva informacija o njihovom postojanju. Nauka nema načina d aotkrije sistem koji ne komunicira sa svojom sredinom, jer ne može da dobije informacije o njegovom karakteristikama, pa prema tome ne može ni da ga odredi. Jedan od osnovnih pojmova kibernetike je entropija koja izražava nesigurnost, nesređenost i haos u sistemu. Pojam entropije usko je povezan sa pojmom vjerovatnoće i on izražava rirodnu težnju svakog stvarnog sistema da iz stanja manje vjerovatnoće pređe u stanje veće vjerovatnoće. Mjera vjerovatnoće zove se entropija, a karakteristična težnja entropije je da raste. Zakon entropija je temelj na kome se osniva kibernetika kao naučna disciplina. Kao teorijska konstrukcija, koncept zatvorenog sistema koristi se za proučavanje entropije, opće prisutnu tendenciju dezorganizacije u kosmosu. Pošto zatvoreni sistemi ne 9
komuniciraju sa okruženjem, oni nisu sposobni da iz tog sistema crpe energiju, informacije i materiju koji bi mogli u vidu negentropije da koriste za zaustavljanje i djelimično suzbijanje negentropije. Kibernetika nastoji entropiju upotrijebiti i kao mjeru neke opće valjanosti sistema. Najčešće se za izračunavanje entropije upotrebljava formula koju je postavio C.Shanon , tvorac teorije informacija. To je: V.b).
H = entropija izražena u bitovima − minus je zato da bi izračunata entropija bila matematički pozitivna veličina n = broj mogućih stanja nekog sistema pi = vjerovatnoća i-tog stanja sistema ld = dualni logaritam, tj. logaritam sa bazom 2. U kibernetici je entropija izraz za veličinu nereda ili dezorganizacije u sistemu, a informacija sredstvo kojim se nered u sistemu može smanjiti. U teoriji informacija entropija ima dvije interpretacije: 1. Mjera neizvjesnosti u vezi s ishodom nekog događaja; 2. Prosječna količina informacija koju nosi neko slovo ili skupina slova u tekstu. Entropija utječe na učinkovitost sistema. S povečanjem entropije u sistemu, učinkovitost sistema pada. Suprotan učinak entropijeimaju informacije . Da bi se porast entropije i njen utjecaj na učinkovitost smanjio moraju se povečati količina informacija i tokovi informacija u sistemu. V. c). ZNAČAJ KONCEPTA RELATIVNO IZOLOVANOG SISTEMA Relativno izolovani sistemi su podvrsta otvorenih sistema, oni samo preko određenih veza (konkretnih ploča) komuniciraju sa okruženjem. Da bi kontakti bili svrsishodni, da bi davali rezultate , da bi se unutar sistema uspostavljala stabilna ili dinamička ravnoteža , neophodno je da sistem vrši izbor kontakta koje ostaruje sa okruženjem.
10
VI. DEFINICIJA INFORMACIJA
Radi lakšeg sagledavanja snovnih karakteristika samo informacije, možemo govoriti o dva osnovna pravca u definisanju informacije: (1) Definisanje informacije kao kategorije izvan čovjeka a) kosmos; b) određene filozofske koncepte i relacije čovjeka i prirode – kao slike raznovrsnosti; c) neodređenost kao glavnu komponentu samo informacije. (2) informacije
Definicje koje informacije definišu u odnosu na čovjeka koji posmatra
a) u odnosu i interakciji sa čovjekom; b) sa stanovišta učenja; c) sa stanovišta ljudske svrsishodneaktivnosti. VI. a) MJERENJE INFORMACIJA Kada se radi o mjerenju informacija, mjerimo samo kvantitet informacija . Količinu informacija možemo mjeriti unutar informacionih sistema , jer se u njima mjeri protok informacija kroz kanale veze. Bit je jedinica mjere za informaciju. Bajt (8 bit), Kilobajt (1024 bita), Megabajt, Gigabajt.
11
VII. TEORIJA HAOSA
Najpoznatiji začetnici teorije haosa koji su uočili mogućnosti proučavanja haosa i dali osnovne metode i tehnike proučavanja te osnovne pojmove i termine te teorije su: E. Lorenz, Od njega potječe i pojam EFEKTA LEPTIROVIH KRILA.Pod tim pojmom podrazumijeva se da mali utjecaj može imati vrlo velike posljedice. B. Mandelbrot, Od njega potječe pojam FRAKTALA, pojam SAMOSLIČNOSTI i drugi pojmovi i neke tehnike koje su sastavni dio sadašnje teorije kaosa. D. Ruelle, hemičar koji je razvio metodu grafičkog prikaza gibanja dinamičkog sistema u vremenu u višedimenzionalnom faznom prostoru. Takve grafičke prikaze on je nazvao ATRAKTOR-ima. Fraktali Fraktali su likovi, tj. skupovi tačaka na grafu, koji se dobiju kompjutorskom iteracijom neke matematičke jednadžbe ili sistema matematičkih jednadžbi. Atraktori Atraktori su grafièki prikazi gibanja dinamièkog sustava u FAZNOM PROSTORU. Atraktori prikazuju ponašanje (ne oblik) nedeterminiranog dinamièkog sistema ako je on prepušten sam sebi. Atraktori prikazuju ponašanje haotičnih sistema, za razliku od fraktala koji prikazuju razvoj oblika haotičnih pojava.
12
VIII. UPRAVLJANJE Upravljati nekim sistemom u kibernetskom smislu znači na sistem djelovati tako da sustav iz postojećeg stanja stalno prelazi u niz vremenski raspoređenih željenih stanja. Unaprijed utvrđena i vremenski raspoređena poželjna stanja ili poželjni rezultati nazivaju se CILJEVI sistema. Ciljevi moraju biti: − valjani; − realni, tj. ostvarivi. Ciljevi su valjani ako njihovo ostvarenje služi nečemu korisnome, tj. ako su dobri i korisni.
13
IX. KIBERNETIKA KAO ZAKONISTOSTI Složenost i brzina odvijanja kibernetskih procesa izmiče k o n t r o l i č o v j e k a u s l j e d njegove ograničenosti tako da su se javljale ideje o konstruisanju takvih mašina koje bi izvršavale niz aritmetičko-logičkih operacija. Kibernetika se koristi matematičkom logikom, teorijom vjerovatnoće, numeričkomatematikom, teorijom informacije i teorijom sistema, pokušavajući da stohastičke sisteme prevodi u determinističke, nastojeći da tako stvori harmoniju dijela i cjeline. Zakonitost kibernetike počiva na pravilima: • opće teorije kibernetike (opća pravila upravljanja), • tehničke teorije (analogni i digitalni sistemi), i • primjene kibernetike (psihologija, ekonomija, medicina itd.) Metode kojima se bavi kibernetika u svom sistemskom pristupu zasnivaju se na tri ključne specifikacije: • • •
Metoda crne kutije; Metoda modeliranja; Metoda povratne sprege.
Kod upravljivih (regulišućih) sistema neophodno je prisustvo i poštovanje određenih zakonitosti preko kojih se ostvaruje funkcija upravljanja, čiji je zadatak da sve što u sebe primi, promoviše u nov kvalitet, što se može prikazati sledećom slikom;
14
Slika IX. i. Strukturalno i funkcionalno jedinstvo objekta upravljanja (OU), subjekta upravljanja( S U ) i m e đ u s o b n i h i n f o r m a c i o n i h v e z a ( I o , I s ) č i n i u p r a v l j i v ( r e g u l i š u ć i ) s i s t e m , t j . kibernetski sistem koji se pojavljivao kao: • • •
samoupravljivi; samoregulacioni; samoorganizirajući informacioni sistem.
Samoorganizirajući informacioni sistem funkcioniše prema zakonitosti zatvorenog kruga (povratna sprega), kako bi bio sposoban da stvara, primi, prerađuje, koristi i predaje informacije za stvaranje optimalnih uslova za funkcionisanje sistema. U funkcionisanju svakog sistema pojavljuju se smetnje koje skreću sistem sa cilja i mogu biti: • Interne smetnje, kao posljedica unutrašnjih uzroka; • Eksterne smetnje, nametnute iz okruženja; Smetnje otklanjamo stvaranjem brane oko sistema (izolacija) i stvaranjem rezervi u sistemu. Adaptivno upravljanje predstavlja upravljačke akcije kojima se ostvaruju promjene strukture i karakteristike objekata stanja sistema. Faze upravljačkih aktivnosti: • • •
Analiza željenog i stvarnog stanja; Odlučivanje o promjenama stanja; Kontrola provođenja akcija.
Adaptivni upravljački sistem se može definisati kao sistem sa povratnom spregom koji je dovoljno inteligentan da podesi vlastite karakteristike prema promjenama u okruženju, tako da može opersati na optimalan način shodno postavljenom kriterijumu.
15
Kibernetski sistem je ekvivalentan samoupravljačkom sistemu, gdje je objekat upravljanja baza, a upravljački subjekt nadogradnja organizovana kao informacioni , upravljački i izvršno kontrolni sistem , povezani u kibernetski redoslijed.
Funkcije procesa upravljanja: • • •
pripremanje odluke – nadležnost informacionog sistema; donošenje odluke – nadležnost upravljačkog sistema; izvršavanje i kontrola odluke – nadležnost izvršnog sistema; Između upravljačkog i upravljanog dijela postoji dvojna relacija:
• •
preko jedne upravljani dio daje informacije o svom stanju, preko druge upravljački dio djeluje na promjenu stanja.
Osnovna karakteristika kibernetskih sistema je da jedan brtoj elemenata odnosi na upravljačke, a drugi na upravljane objekte, između čijih elemenata postoji dvostruka relacija što se vidi na slici:
Slika IX. ii. Sa slike se vidi da preko jedne relacije upravljani dio daje informacije o svom stanju, a preko druge upravljački dio djeluje na njegovu promjenu, tako da se eventualne promjene stanja, pri konstantnim ulazima, jedino mogu izazvati izmjenom upravljanja. Procesi upravljanja uvijek formiraju jedno pravilo ili zakon po kojem se ostvaruje proces transformacije, odnosno prenosa funkcija sistema. Jednu klasu sistema koja posjeduje osobine dinamičnosti, otvorenosi i upravljivosti označavamo pojmom samoupravljivih, odnosno njima ekvivalentnih kibernetskih sistema.
16
Navedene osobine jednog sistema, da bio on bio kibernetski, služe i kao kriterijum identifikacije kibernetskih sistema npr. Vozilo sa vozačem kojeg uvijek treba posmatrati preko skupa svih ciljeva baze i nadogradnje kao nužnog tereta upravljanog dijela.
ZAKLJUČAK Može se pokazati da je priroda postala nepresušiv izvor ideja za tehničku kibernetiku, s ciljem da se pojave u prirodi izraze sredstvima tehnike. Proučavanjem fizioloških procesa, živčanog sustava i mozga, cilj kibernetike predstavlja konstrkcija stroja koji će sam učiti, a zapamćeno logički povezivati. Kibernetika je zapravo široko područje proučavanja, ali ključni cilj joj je razumijevanje i definiranje funkcija i procesa sustava koji imaju ciljeve i sudjeljuju u cirkularnim, uzročnim lancima koji djeluju na način da se prvo izvrši neki postupak ili akcija, zatim se osjetilnim putem percipira razultat te se on uspoređuje sa već određenim ciljem, nakon čega se opet vraća na isti ili idući postupak. Dakle možemo reči da kibernetika želi pretočiti ljudima prirođene osobine akcije i reakcije na sisteme koje je stvorio čovjek. Istraživanja u kibernetici pružaju načine proučavanja dizajna i funkcije bilo kojeg sistema, uključujući i društvene sisteme , kao što su poslovno upravljanje i organizacijsko učenje.
17
LITERATURA [1] Mikić, Đuro-prof.dr.: Sistemi, struktura i upravljanje, Prometej, Novi Sad, 1997. [2] Internet site: http://old.foi.hr decembar, 2012. http://autopoiesi.foi.hr decembar, 2012. http://scribd.com decembar, 2012.
18
19
