Теория автоматов и «умные» машины

Теория автоматов и «умные» машины

Значение 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.

• ЧТО ТАКОЕ КИБЕРНЕТИКА?
• Управляющие системы    
• Информация и кодирование     
• Алгоритмы и автоматы    
• Теория автоматов и «умные» машины     
• Машина самосовершенствуется                                    Три „средних"
• Разумная машина — верный помощник человека  Как удлинялся«хвост» у числа π = 3,14159265...