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控制论:或关于在动物和机器中控制和通信的科学

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标签: 控制论

控制论

《控制论:或关于在动物和机器中控制和通信的科学》由导言和十个章节所构成。导言介绍了该书的基本思想形成的来龙去脉和发展边缘科学的基本方法。第一章“牛顿时间和柏克森时间”,作者通过对牛顿力学的相对性、局限性的分析,指出“即便在引力天文学中,也有逐渐衰减的摩擦过程。没有一门科学完全符合严格的牛顿式样”。为了给控制论建立一种统计理论,作者在第二章“群和统计力学”中分析批判了吉布斯的古典统计力学。指出这个统计力学所处理的是关于孤立系统的问题,而控制系统则不是孤立的,它是一个与周围环境密切联系的系统。第三章“时间序列、信息和通讯”讨论了时间系列的统计力学问题和处在统计平衡的时间系列的问题。在这里他提出了著名的预测和滤波的理论。该理论为设计自动防空控制炮火等方面的预测问题提供了理论依据,也为评价一个通讯和控制系统加工信息的效率和质量从理论上开辟了一条途径。接下来在第四章“反馈和振荡”中,作者对反馈系统的稳定性和计算机的记忆,运算和控制装置的特点进行了分析。在此基础上,第五章“计算机和神经系统”,又进一步讨论了神经系统活动的某些机制和病理学的问题。在第六章“完形和普遍概念”中,作者利用从电视扫描引申过来的概念讨论了视觉生理的某些问题和用一种感官来弥补另一种感官的缺陷的问题。第七章作者结合着对电子计算机工作可靠性的讨论,从控制论的观点设想了某些精神病理学现象的可能机制。最后在第八章“信息、语言和社会”中,作者试图运用控制论的观点去分析社会发展的一些根本问题,并对自动化所可能带来的社会后果战争和失业问题一一表示了担忧。第九章作者在指出了学习和自生殖这两种现象的内在联系的同时,从技术上论述了人造机器的学习和自我生殖能力的可能性问题。第十章作者认为是对第九章在生理学上的补充,在这里作者专门讨论了自行组织过程的一个关于脑电波问题的实例。

导言

在科学发展上可以得到最大收获的领域是边缘学科。每个人不仅应成为自己研究领域中的专家,而且应对与其邻近的研究领域有着正确的知识和理解。维纳认为控制论这个新发展对“为善”与“作恶”都有无穷的可能性。第一次工业革命使人手对机器竞争而贬值,那么现在的工业革命使人脑对自动机(以电脑为控制中枢)竞争而贬值,希望社会对此引起关注。书中对人类社会的未来表示悲观,对于以控制论观点发展经济学或社会学这一精密科学的可能性则表示失望。  [7] 

第一章  牛顿时间与柏格森时间

用牛顿力学基本定律描述一个动力学系统,则这些定律不因时间t改为-t而变更其形式,即过去与未来是对称的。所以说牛顿系统中时间是完全可逆的。在牛顿的绝对时间概念里,太阳系中星体的运动象一个轮子或几个轮子在转动那样,未来总是以过去的某种形式重复着,其中没有什么新事物出现。对此维纳指出,即使在时间完全可逆的牛顿系统中,当回答概率和预测问题时,也要发生过去和未来不对称的情况。

柏格森强调指出物理学的时间和进化论与生物学的时间是不同的。前者是可逆的,其中没有什么新事物出现,后者是不可逆的,其中总是发生着新奇的事物。热力学认为世界是从有序到无序的退化,是熵的增加。柏格森认为时间是熵减少的过程。它说明世界不是走向死亡,而是在生成、进化和创造。

维纳认为17世纪和18世纪初叶是钟表的时代,18世纪末叶和19世纪是蒸气机的时代,那么现代就是通讯和控制的时代,是自动机的时代。他认为每个时代都有它自己认为的自动机如钟表、蒸气机等。现代的各种自动机,如同动物一样,能通过对外界信息的接收和对自身动作的完成来适应外界的变化。它们包含有感觉器官,动作器官和一个相当于动物神经系统那样的传递信息的指挥器官。因此,近代自动机跟生命体一样,  都应是存在于柏格森的时间中。按照柏格森的观点,没有什么理由认为生命体活动的基本方式一定和模拟生命体的人造自动机有所不同。  [7] 

第二章  群和统计力学

维纳认为一个控制系统不是一个孤立系统,而是一个与周围环境密切联系的开放系统。特别是控制系统通过自己的反馈机构可以减少系统的熵。在控制系统中经常发生熵减少的过程。所以维纳认为吉布斯的统计力学不能直接用来研究控制系统,应给控制系统建立一种统计理论,即第三章提出的时间序列的统计力学问题。  [7] 

第三章  时间序列、信息和通讯

这一章首先明确了控制工程(如防空炮火控制系统)与通讯工程(如电话、电视系统)的问题是不能区分开来的。因为问题的关键不是围绕着电工、机械的技术问题,而是围绕着更为基本的消息概念,不论这消息是以电的、机械的或是动物神经的方式传递的,消息都是分布在时间上可量事件的离散的或连续的序列——确切地说,就是统计学家所谓的时间序列。所以,通讯、控制与统计力学的一系列核心问题,不管这些问题是存在机器中,还是活动机体中,其本质是统一的。就是从这些基本概念的突破——将动物与机器相提并论,将控制和通讯等量齐观,提出了控制论(Cybernetics)这一新的名词术语为该学科定了名。

维纳在用数学严格定义了信息概念,并推导出信息与熵的关系后,运用了第二章讨论过的各态历经定理,证明了在一定条件下,处在统计平衡的时间系列的时间平均等于相平均。有了这个前提,就可以从统计系统中的任一时间系列的过去数据,求出整个系统的任一统计参数的平均。即可以从统计上由过去预测未来。维纳正是根据这一点,提出了预测和滤波理论——维纳滤波。维纳提出了最优预测的公式,指出了如何使对统计参数的估算所产生的误差为最小。  [7] 

第四章  反馈和振荡

维纳认为如果不把反馈考虑在内就无法理解许多生理现象。反馈原理不仅在生理现象上是常见的,而且,生命体内的这种由于反馈控制达到的“稳态”(如体温恒定、血压恒定等)是延续生命绝对必要的条件。  [7] 

第五章  计算机与神经系统

维纳认为现代计算机应当是数字式的,而不是模拟式的,是二进制的,而不是十进制的,是电子管的,而不是机械的开关装置。维纳研究了人和动物的神经系统,了解到在做计算工作时,作为计算元件的神经元或神经细胞所能处的兴奋与抑制两种状态类似于继电器开启与关闭的两状态。并且神经脉冲沿轴突传输也服从“全或无”定律,即神经纤维在任何时刻只能处于两种状态之一:有脉冲,而且是最大可能幅度的脉冲,或无脉冲。用数学语言来说,就是有则为1,无则为0。并且只有以二进制为基础的0、1符号才能作为逻辑运算的基础,而十进制则不行。维纳认为要想提高运算速度,必须将全部运算程序和数据事先放在计算机中,让它在进行计算时,自动地按程序进行计算,直到最后把结果算出来为止,中间应该没有人干预。为此,所需的一切逻辑判断都必须由机器自身作出。现代计算机就是这种存贮程序式的自动机。它实质上也是对人进行运算工作时的模拟。维纳认为如同人的神经系统有一个很重要的功能——记忆那样,现代计算机也必需具有这个功能。它用来保存计算程序与运算的中间结果,待后来使用。  [7] 

第六章  完形和普遍概念

维纳认为人的感官如眼、耳或手住识别物体时都有二个过程:第一是对准过程。如眼睛要看清一个物体,先要通过控制眼球的肌肉,转动头部的肌肉,乃至转动身躯的肌肉,使之对准聚焦该物体。这种动作就是由视觉一肌肉(当然经过大脑)反馈系统来完成。类似地,耳朵听到呼唤也有转动头部,使双耳正对声源的动作等。这个过程的目的是把吸引注意力的对象放在标准的位置和方向上,从而使所形成的视象能够在尽可能小的范围内变化。这些并非是知觉事物的形态和内容的全部过程。但是它确实便利了人们为了达到这个目的而后来进行的一些过程。这个阶段类似自动摄影机的对准、定向和调焦距的过程,即使视觉得到一个完整形象(完形)的过程。第二是识别过程。这个过程是将眼睛所接收的讯息,在眼内以及大脑皮层进行变换,存贮和比较的过程。如人眼对辨识轮廓(如人面轮嘟)的能力特别强,原因是眼睛聚焦到某轮廓边缘时接受到了明暗不同的交替刺激。而视神经中有四分之三细胞只有在图像光有变化时才有反应,并且视神经还有增强明暗对比度的能力。因此,眼睛得到事物的最强烈印象的部位是在边界上,即在这阶段,轮廓被强调起来,所得视象就具有绘画素描的性质。

维纳进一步认为,人识别一个图像,不管它们怎样放置,脑中过去记忆都有这些标准的图像,当眼见到图像进入大脑后,即与标准图像进行比较。这时,大脑的比较过程类似于电视形成图像的扫描过程,也可以放大与缩小,还可以进行立体(三维)的旋转,即从各个角度去认识它。通过这些加工变换,使之与脑中标准图像联系起来,使人认识它。就是说人眼识别物体时,脑中有计算机图像识别的功能,对图像能形成一个普遍观念。  [7] 

第七章  控制论和精神病理学

维纳认为如同高可靠性的计算机那样,脑中的每一运算都同时交给两套或三套不同的机构去做,然后互相验证,去伪存真,神经系统的工作也是如此。焦虑性精神病患者的恶性忧虑就像计算机程序进入死循环一样。精神错乱患者的神经系统就像电话通讯网络中,用户过多,而线路太少,以致整个网络通讯阻塞的情况一样。从这些观点出发,维纳对许多医疗精神病的方案,如睡眠疗法、电击疗法和前额叶切除术等进行了类比和讨论。  [7] 

第八章  信息、语言和社会

维纳认为如同自动机,动物是由元件、细胞构成一样,社会也是由小组织组成的。并且社会也是依靠讯息将它们联系在一起的。动物靠身上的气味通过嗅觉传递讯息,而人主要靠语言传递讯息。因此维纳认为社会的稳定是与讯息的传播密切相关的。维纳对资本主义社会信仰自由竞争,认为自由竞争能使内部稳定提出了不同的看法。他提出:小而紧密地结合着的社会有极大程度的内部稳定性,不管是高度文明的社会,还是原始野蛮人的村落,都是一样。在一个过大的社会里由于通讯系统掌握在争权夺利的野心家们手中,因此引起争夺,争夺就是社会内部不稳定的因素。

维纳认为控制论的新思想会发生某种社会效用的想法是虚伪的希望,且认为把自然料学中的方法推广到人类学、社会学、经济学方面去,希望能在社会领域里取得同样程度的胜利是一种过分的乐观。  [7] 

第九章  关于学习机和自生殖机

第九章与第十章是维纳在1961年修订该书时补充的两章。

在第九章中,作者首先将个体的学习与种族生殖遗传进行了对比。认为种族遗传过程中的进化(通过变异与自然选择)就是学习,是系统发育的学习。所以,个体发育和系统发育的学习都是动物根据周围环境来调节自己的方式。这样,系统发育不仅包括了动物,也包括了植物。当然植物,动物、哺乳动物以至于人的个体发育学习,程度是大不相同的。人的个体发育学习和个体适应性被提到了最高的重要地位。维纳认为非线性反馈对上述两种学习过程是非常重要的。

维纳认为从哲学的观点来看,而不是从细节来考虑以下两个过程是非常类似的。以此证明机器能生殖自己。一个是以一个基因作为一个样板,从氨基酸和核酸的一种比例不定的混合物中,形成与它相同的另一基因分子,或者病毒把从它的寄主的组织和体液中形成的其它同种病毒分子引变成自己那种类型的病毒。这是生命体自己生殖的例子。另一个是用许多线性项的和来模拟任何未知的非线性变换器,其中每一个线性项都有固定的特性,并带上一个可调整的系数。具体地说,就是人们已经成功地制造了一个能模拟任何非线性变换器特性的白箱,然后,把它与一给定的黑箱变换器进行类比,方法是给两者加上同一随机输入,并把它们的输出以适当方式联接起来,使它们不需要人的干预就能达到一种适当的结合。这是机器能自己生殖的思路。它与前面生命体自生殖的例子非常类似。  [7] 

第十章  脑电波与自行组织系统

维纳认为脑动电流图或脑电波所反映的大脑是一种自行组织系统。它也是非线性特性起主要作用的系统。他应用频谱分析的方法,得出了脑电波的谱功率主要部分在10赫附近。维纳认为这与视觉接收信号有1/10秒延迟,大脑α波的近似周期也是1/10秒是有联系的。类似电子计算机中央时钟周期控制机器工作节拍一样,仿佛中枢神经系统每1/10秒能够接收一个进入脉冲,也仿佛是每1/10秒才有一个从中枢神经系统输出到肌肉的脉冲。

维纳将这个概念扩充至动物的其他现象。频率吸引的现象,在某些无生命的场合也有发生,而串联则不行,故串联系统通过自然选择被淘汰。一个引起频率吸引的非线性相互作用能产生一个自行组织系统,维纳认为这种自行组织的可能性不限于低频范围。在红外光、雷达波段甚至在分子辐射频率上对基因,病毒和确的作用上也有类似特性。这方面还有待于进一步研究。

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