.
Меню сайта
|
Теория автоматов и «умные» машиныТеория автоматов и «умные» машиныЗначение этих результатов для кибернетики становится ясным при переходе от теории алгоритмов к теории автоматов. Основная задача теории автоматов — разработка методов построения преобразователей информации для реализации тех или иных алгоритмов, например машин для игры в шахматы, для автоматического перевода с одного языка на другой и т. п. Если существуют универсальные алгоритмические системы, то возможно в принципе построить универсальные преобразователи информации, способные реализовать любые алгоритмы. Подобные универсальные преобразователи уже построены и успешно работают. Это так называемые универсальные электронные цифровые машины. Цифровыми или вычислительными эти машины называются потому, что первым их назначением была реализация вычислительных алгоритмов. Информация, с которой они имели дело, была цифровой, т. е. набором чисел. Такие машины снабжаются так называемыми запоминающими устройствами (памятью), позволяющими им «запоминать» как перерабатываемую информацию, так и программу работы машины, т. е. записанный в условных кодах, называемых приказами, алгоритм, который должна реализовать машина. Изменение программы происходит без каких-либо переделок машины. Достаточно пропустить сквозь машину набор бумажных карточек с пробитыми на них в соответствующих местах отверстиями — перфокарты или ленту с отверстиями — перфоленту. Так вводится в машину новая программа, настраивающая ее на совершенно новый вид работы. Благодаря этому открываются широкие возможности для автоматизации различных видов умственной деятельности человека. Достаточно найти алгоритм, описывающий тот или иной вид подобной деятельности, перевести его в программу, или, как говорят, запрограммировать, и ввести в машину. На такой универсальной машине можно программировать любой алгоритм. Поскольку машина работает гораздо быстрее и точнее человека, она, как правило, выполняет заданный алгоритм гораздо лучше его. Отсюда понятно, какое большое практическое значение имеет кибернетика в автоматизации таких видов умственной деятельности, где человек уже сейчас не в силах справиться с переработкой информации за разумное время, например в научных и инженерных расчетах. Во многих разделах современной науки и техники, таких, как атомная физика и ракетная техника, решаются задачи, требующие вычислений, состоящих из многих миллиардов арифметических операций. Даже при помощи специальных клавишных вычислительных приборов человек успевает в среднем выполнять за минуту лишь две арифметические операции над многозначными числами. А для выполнения одного миллиарда операций потребовалась бы тысяча лет непрерывной работы без сна и отдыха! В то же время современная электронная цифровая машина, выполняющая 500 тыс. арифметических операций в секунду, справится с этой работой немногим более чем за полчаса! При таком росте производительности труда становится возможным решать задачи, которые ранее были просто недоступны человеку. Автоматизация расчетов требуется не только в новейших областях науки и техники. Так, в метеорологии только благодаря автоматизации удается выполнять к требуемому сроку сложные расчеты, необходимые для уточнения 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 получатся слишком крутыми, и преодолеть их при эксплуатации уже построенной дороги либо окажется вовсе невозможно, либо потребуются слишком большие затраты (снижение скорости и веса составов, использование нескольких локомотивов и т. д.). Необходимо поэтому проделать земляные работы, чтобы выровнять рельеф. Такое выравнивание проводят по нескольким выбранным отметкам (точки А, В, С, D, Е). Предположим, что таких точек всего 5, а каждая точка, за исключением крайних точек А и Е, находящихся на определенном уровне, может занимать 100 различных положений по высоте. В таком случае у нас будет 1003=1 000 000 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 с 196 нулями, а количество лет, необходимое для их просмотра, — единицей со 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. Многие из этих методов были предложены и обоснованы советскими учеными (метод линейного программирования Л. В. Канторовича, принцип максимума Л. С. Понтрягина и др.). Для решения задач оптимального проектирования дорог, линий электропередач и др. удобен метод последовательного анализа вариантов, разработанный в Институте кибернетики АН УССР. С помощью этого метода оптимальный вариант выравнивания рельефа для прокладки железной дороги в несколько сотен километров находится вычислительной машиной среднего быстродействия (10—20 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 так называемые транспортные задачи (нахождение планов перевозок с минимальными транспортными расходами), а также задачи о наилучшей загрузке станков и другие, решающиеся с помощью методов линейного программирования. Экономия, получаемая при такой автоматизации, исчисляется обычно 10—15%, а в отдельных случаях доходит до 50—60%. На повестке дня сейчас полная автоматизация не только самих процессов планирования и управления экономикой, но и процессов сбора необходимой первичной информации, автоматизация учета и справочно-статистической работы. С этой целью создаются специальные вычислительные центры, снабженные мощными электронными цифровыми машинами и соединенные между собой, а также с производством современными каналами связи для быстрой передачи необходимой информации. 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 автоматические управляющие системы, среди которых надо особо выделить специально приспособленные для управления универсальные электронные цифровые машины. Эти машины, называемые обычно универсальными управляющими машинами, снабжаются особыми вводными и выводными устройствами, позволяющими автоматически собирать и выдавать информацию, необходимую для управления производством. Одна из первых универсальных управляющих машин, разработанная в Киеве, изображена на рис. 4. Такая машина успешно управляет процессом выплавки стали, газорезательным станком и рядом других различных процессов. Для управления производственными процессами на значительных расстояниях можно использовать стационарные электронные цифровые машины, установленные в вычислительных центрах. Такие опыты успешно проводились в США, а также в СССР (Институт кибернетики в Киеве). Но создание технической базы, т. е. 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.
|
ПОИСК
Block title
|