Что такое кибернетика?

Вычислительная техника в народном хозяйстве

Во многих разделах современной науки и техники, таких, как атомная физика или ракетная техника, решаются задачи, требующие вычислений, состоящих из многих миллиардов арифметических операций. Даже при помощи клавишных вычислительных приборов человек успевает в среднем выполнять за минуту лишь две арифметические операции над многозначными числами. А для выполнения одного миллиарда операций потребовалось бы тысяча лет непрерывной работы без сна и отдыха! В то же время современная электронная цифровая машина, например, БЭСМ-6, выполняющая 1 млн. арифметических операций в секунду, справится с этой работой за четверть часа! При таком росте производительности труда становится возможным решение задач, которые ранее были недоступны человеку.

Автоматизация расчетов нужна не только в новейших областях науки и техники. Так, в метеорологии только благодаря автоматизации удается вовремя выполнить сложные расчеты, необходимые для составления прогнозов погоды. В техническом проектировании внедрение автоматизации позволяет перейти от выбора лучших проектов из относительно небольшого числа вариантов к выбору наилучшего из всех возможных вариантов (так называемого оптимального проекта).

Рассмотрим, например, задачу выбора наилучшего варианта проекта железной дороги по заданному маршруту (трассе). Производя мысленный вертикальный разрез местности вдоль трассы, получим некоторую кривую, изображающую неровности рельефа (рис. 3). Проложить дорогу непосредственно по этому рельефу, как правило, нельзя: подъемы и спуски получаются слишком крутыми, и преодолеть их при эксплуатации уже построенной дороги либо окажется невозможно, либо потребуются большие затраты (снижение скорости и веса составов, использование нескольких локомотивов и т. д.).

Необходимо поэтому выровнять рельеф. Такое выравнивание проводят по нескольким выбранным отметкам. В нашем примере таких точек всего 5 (точки А, В, С, D, Е). Каждая точка, за исключением крайних - А и Е, находящихся на определенном уровне, может занимать 100 различных положений по высоте. У нас будет 100³= 1000 000 различных вариантов выравнивания рельефа.

Если просматривать их со скоростью два варианта в минуту, потребуется целый год. Если же число точек увеличивается до 100, то количество вариантов выражается единицей со 196 нулями, а количество лет, необходимое для их просмотра, - единицей с 190 нулями. В этом случае просмотреть все варианты практически невозможно не только для человека, но и для электронных вычислительных машин.

Необходимо поэтому разработать методы, позволяющие резко уменьшить количество просматриваемых вариантов, отбросить целые группы заведомо плохих. Разработкой такого рода методов занимается специальный раздел кибернетики - теория оптимальных решений.

В настоящее время разработан ряд методов для решения задач оптимального проектирования, планирования и управления. Для решения задач оптимального проектирования дорог, линий электропередач и др. удобен метод последовательного анализа вариантов. С помощью этого метода оптимальный вариант выравнивания рельефа для прокладки железной дороги в несколько сотен километров находится вычислительной машиной среднего быстродействия (10-12 тыс. операций в секунду) за 2-3 часа.

В ряде областей техники разрабатываются системы алгоритмов, позволяющие осуществить полную автоматизацию проектирования многих сложных объектов.

Не менее важно также оптимальное планирование и управление народным хозяйством. Эти вопросы выделяют обычно в специальный раздел кибернетики - экономическую кибернетику. Масштабы производства и темпы роста народного хозяйства в СССР так велики, что обычные неавтоматизированные методы планирования уже не могут нас удовлетворить. Практика показывает, что выбор оптимальных (наилучших) вариантов планов уже сейчас практически недоступен никакому человеческому коллективу, не пользующемуся электронными цифровыми машинами.

Электронные цифровые машины используются пока для решения лишь частных планово-экономических задач. Особенно успешно решаются с помощью методов линейного программирования,  так называемые транспортные задачи (нахождение планов перевозок с минимальными транспортными расходами), а также задачи о наилучшей загрузке станков и др. Экономия от такой автоматизации исчисляется обычно 10-15%, а в отдельных случаях доходит до 50-60%.

На рис. 4 дана схема перевозок грузов с заводов А, Б, В, Г на склады 1, 2, 3, 4. Минимальная . стоимость перевозок зависит от объема продукции каждого завода (цифры возле заводов, в тысячах тонн), от вместимости складов (цифры, проставленные около складов, в тысячах тонн), от стоимости перевозки единицы товаров с каждого завода на склад (цифры возле стрелок, в рублях). Красные линии показывают оптимальные маршруты перевозок.

Для решения этой задачи обычным способом нужно много времени. А если будет большее количество поставщиков и потребителей? С помощью же электронно-вычислительной машины решение можно найти за несколько минут.

На повестке дня сейчас полная автоматизация не только самих процессов планирования и управления экономикой, но и процессов сбора и систематизации необходимой первичной информации, учета и справочно-статистической работы. С этой целью создаются специальные вычислительные центры, имеющие иерархическую структуру, снабженные мощными электронными цифровыми машинами и соединенные между собой, а также с производством современными каналами связи для быстрой передачи необходимой информации.

Информация, поступающая от низовых ЭЦВМ по каналам связи в вычислительную машину высшего уровня, будет обрабатываться и выдаваться за несколько десятков минут, на что сейчас требуются годы. Обработанные результаты передадут в головную организацию (Госпланы республик, оттуда - в Госплан СССР). Если в дальнейшем возникнет необходимость вернуться к данным материалам для решения какой-либо новой экономической задачи, вся информация, хранящаяся в ЭЦВМ на местах, может быть вызвана через систему связи и систему машин, которые ее обрабатывали.

К задаче оптимального управления экономикой тесно примыкает задача оптимального управления производственными процессами. Сейчас еще во многих случаях диспетчер или группа диспетчеров управляет тем или иным сложным процессом далеко не лучшим образом. Дело в том, что человеческий мозг не успевает своевременно перерабатывать огромный объем необходимой информации. Помочь здесь могут только автоматизированные управляющие системы, основу которых составляют специально приспособленные для управления универсальные электронные цифровые машины.

Они называются обычно универсальными управляющими машинами. Эти машины снабжены особыми вводными и выводными устройствами, позволяющими автоматически собирать и выдавать информацию, необходимую для управления производством. Примером системы управления предприятием может служить система управления на Львовском телевизионном заводе, разработанная научными сотрудниками Института кибернетики АН УССР совместно со специалистами завода.

Техническую базу автоматизированной системы "Львов" представляет комплекс двух электронно-вычислительных машин типа "Минск-22", снабженных дополнительными устройствами, за счет которых значительно повышаются их эксплуатационные характеристики и эффективность комплекса в целом.

Машина составляет наилучшую программу работы для всех участков производства, следит за соблюдением технологии, выполнением графиков и при необходимости включает определенные механические комплексы. В любой момент можно получить всестороннюю объективную информацию о положении дел в цехах завода. Все это ведет к высокому уровню рентабельности предприятия. Внедрение автоматизированной системы "Львов" повышает эффективность использования капитальных вложений в три раза.

Универсальная управляющая машина "Днепр" предназначена для контроля и управления производственными процессами в различных отраслях промышленности. Машина успешно управляет выплавкой стали, газорезательными станками, производством химических и нефтепродуктов, движением поездов на железнодорожном транспорте, производством целлюлозы и бумаги и другими процессами.

Машина используется и для автоматизации научных и инженерных исследований, для сбора и обработки данных о результатах научных и инженерных экспериментов.

Так, установка на научно-исследовательском судне "Михаил Ломоносов" машины "Днепр" дала возможность обрабатывать результаты гидрофизических исследований непосредственно во время рейса, на что раньше затрачивались месяцы и даже годы работы по окончании экспедиции.

Для управления производственными процессами на значительных расстояниях можно использовать электронные цифровые вычислительные машины, установленные в вычислительных центрах в другом городе. Но создание управляющих машин лишь наполовину решает проблему автоматизированного управления производственными процессами. Не менее важно решить задачу алгоритмизации, т. е. найти эффективные алгоритмы для управления производственными процессами. Построением общей теории управления техническими (производственными) объектами занимается техническая кибернетика.