Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Модель «черного ящика». Конечные автоматы




Каким бы совершенным ни был автомат, «искусственный разум», современные кибернетические устройства всегда работают по заранее определенной и введенной в память машины программе. Эта программа управляет деятельностью отдельных узлов и механизмов робота-манипулятора, стиральной машины-автомата, андроида. Она и называется управляющей программой или алгоритмом управления. Но прежде чем разработать программу, надо построить модель функционирования и модель управления деятельностью автомата. Именно поэтому модель – одно из важнейших понятий кибернетики.

Модель – понятие, которое сопровождает человека с первых лет его жизни. Ваши детские игрушки – не что иное, как модели предметов, с которыми предстоит столкнуться в жизни: кубики – модели кирпичей, из которых можно сложить дом, машинки – модели автомобилей, которые ездят по дорогам, куклы – модели людей. Играя, вы моделируете реальную жизнь: строите дома (пока игрушечные), укладываете куклу спать, запускаете самолетик. Читая книги, сталкиваетесь с моделями жизненных ситуаций, моделями человеческих отношений, порой очень непростых, в которых наверняка предстоит оказаться в жизни и вам.

А такие области человеческой деятельности, как обучение и познание, невозможно представить без использования моделей и создания моделей – моделирования. Исследование природных явлений, разработка сложных устройств, создание крупных сооружений никогда не обходятся без моделирования, которое помогает тщательно изучить объект и его возможное поведение при различных воздействиях внешней среды и целенаправленных воздействиях управляющей системы.

Модель позволяет так увидеть объект или явление, что становится более или менее ясно, что представляет собой этот объект или это явление.

Пример. Вам уже известно понятие «строение атома». Если попросить изобразить его, то рисунок будет примерно такой:

В действительности строение атома гораздо сложнее и до конца не изучено. Но для объяснения взаимодействия атомов такая модель в определенных областях подходит и применяется (физика, химия).

В предыдущих параграфах мы уже использовали схему-модель управления, в которой участвовал непрозрачный ящик черного цвета. Этот черный ящик в качестве модели поможет нам понять, как функционируют (по каким законам, каким образом) те или иные системы, о которых пока ничего или мало что известно.

В кибернетике для исследования сложных систем широко применяется модель «черного ящика».

Суть такова. Пусть имеются некий прибор и наблюдатель. Наблюдателю неизвестно, как устроен этот прибор, из чего он состоит, по каким принципам работает, но ему доступны «входы» и «выходы» прибора. Причем, на некоторые «входы» наблюдатель может подавать управляющие воздействия (входы Х на схеме), а некоторые «входы» передают воздействия внешней среды (входы V).

Прибор выступает для наблюдателя «черным ящиком». Задача наблюдателя – сделать его «прозрачным ящиком», то есть точно узнать, как он устроен и функционирует, или хотя бы «серым ящиком», то есть понять общие принципы функционирования. Для этого наблюдатель подает на входы какие-либо сигналы и смотрит, что получается на выходах.

Пример 1. Вспомните, как мы узнали, что в «черном ящике» находится котенок.

Пример 2. Во многих компьютерных играх герою игры нужно разгадывать головоломки, чтобы открыть дверь или тайник, найти и правильным образом совместить части талисмана или артефакта, чтобы в игре произошло нужное событие или действие. Это можно считать такой же моделью «черного ящика»: герой путем управляющих воздействий, зачастую ему заранее неизвестных, вынужден экспериментировать с каким-то объектом компьютерной игры, найти или понять, зачем он нужен, как он работает или что он обозначает. Оказывается, модель «черный ящик» давно вам знакома и вы уже пользовались этим методом! Опять детская игра помогает оказаться в ситуации, схожей с реальной жизнью!

Пример 3. Вряд ли вы совершенно точно представляете себе, как устроен телевизор и как формируется изображение на его экране, но, манипулируя кнопками управления на пульте или корпусе телевизора, можете изменять качество изображения и громкость звука. Здесь изображение и звук – выходы, кнопки пульта – входы Х, на которые может воздействовать телезритель, интенсивность сигнала, идущего от телевышки, атмосферные условия – входы Y, определяющие воздействия внешней среды.

Входные воздействия на летящий самолет – это не только управляющие воздействия летчика или автопилота, но и сила и направление ветра, плотность атмосферы, положение рулей, тяговые усилия двигателя и т.п.

Стратегия работы с «черным ящиком» такова: человек принимает какую-нибудь одну гипотезу о том, по каким принципам функционирует прибор, и придерживается ее, пока она оправдывается, и затем отбрасывает или заменяет ее другой, если она больше не подтверждается. Подтверждение и опровержение гипотезы производится на основе экспериментов, в которых на входы прибора подаются заранее определенные в соответствии с рабочей гипотезой сигналы и наблюдается, к каким результатам на выходе это привело.

Заметим, что в реальной практике сигналы на входах и выходах часто могут принимать огромное множество значений, так что строить для них таблицу истинности бессмысленно. В этом случае понять принципы функционирования устройства можно, если придерживаться следующего порядка действий: подав несколько разных сигналов на входы и проанализировав, что получается на выходе, наблюдатель выдвигает гипотезу (обоснованное предположение) о связи между входом и выходом. Следующий входной сигнал выбирается так, что для него можно предположить, что будет на выходе в соответствии с выдвинутой гипотезой. Если гипотеза подтвердилась, то проводим еще несколько таких экспериментов. Если в каком-то из экспериментов сигнал на выходе не совпал с ожидаемым, значит, гипотеза неверна и нужно выдвигать новую гипотезу.

Пример 1. Если в трудный момент игры вы «застряли» и не можете никак пройти дальше, то действуете двумя способами: либо ищете подсказки на форуме игры у других игроков, либо начинаете записывать каждый свой шаг, чтобы иметь возможность вернуться к предыдущему ходу, если последующий ход оказался неверным. Не так ли?

Пример 2. Вставьте маленький ключ в самый правый аппарат, чтобы открыть ящичек, в котором лежат разнообразные монетки. Ваша задача: опустить правильные монетки в правильные аппараты, чтобы получить две конфетки. Аппарат с деньгами (самый правый) не работает, поэтому не тратьте на него время. Заберите ключик из правого аппарата, он вам понадобится для того, чтобы вытащить конфетки из оставшихся двух ящичков. В центральный аппарат вы должны опустить вторую монетку слева, чтобы получить конфетку из рыбьего жира, а в левый аппарат надо опустить пятую монетку в обмен на сахарную подушечку. С конфетками в кармане выходите из магазина и идете к сломанному аппарату для подачи угля. Посмотрите вниз, где стоит девочка с воздушным шариком в руках. Получив конфету, она согласится рассказать вам про местонахождение ключа от ворот. Засовывайте руку в карман и бросьте девочке сахарную подушечку. Девочка выпустит из рук шарик, к веревочке которого привязан заветный ключик. Берите ключ и бегите к воротам (прохождение этапа компьютерной игры http://www.games.1c.ru).

Есть целое направление в науке – планирование эксперимента, в котором изучаются и разрабатываются способы выдвижения и проверки гипотез.

При построении модели целесообразно записывать сигналы, которые подаются на входы, и результаты, получаемые на выходах, в таблицу. Самый простой вариант, когда на входы можно подать лишь конечное число сигналов и выходы могут принять также только конечное число значений. В этом случае таблица, в которой представлены все возможные значения комбинаций входных сигналов, будет полностью описывать работу устройства. Такие устройства в технике называются конечными автоматами.

Пример. Светофор – конечный автомат. Каждый из трех его входов может принимать только два значения – есть напряжение на концах лампочки или нет. Выходов тоже конечное число: свет красной, желтой (непрерывный или мигающий), зеленой (непрерывный или мигающий) и одновременно красной+желтой лампочек.

Все устройства компьютера, и прежде всего процессор, являются конечными автоматами, поскольку в них используется двоичное кодирование: каждый вход и выход может принимать только одно из двух значений – 0 и 1, и число входов и выходов конечно и зависит от разрядности устройства. Более подробно вы об этом узнаете в параграфах, посвященных кодированию информации в компьютере, арифметическим и логическим основам ЭВМ.

Для знакомства с моделями управления посмотрим на процесс управления с точки зрения управляющей системы.

Получая информацию о состоянии объекта управления и анализируя влияние внешней среды, управляющая система преобразует ее в команды, передаваемые объекту управления. Управляющая система должна сформировать такое управляющее воздействие, которое бы приблизило достижение цели управления. То есть одна из важных функций управляющей системы – обработка поступающей информации. У управляющей системы есть определенный набор допустимых действий, и выбор одного из них осуществляется именно на основе результатов обработки. Заметим, что если нет выбора, то нет и управления (в этом случае все действия строго предопределены).

Пример. У Вас остановились часы. Возможные действия: завести пружину, сменить батарейки, отдать в ремонт. Осмотрев часы и оценив то, что вам известно о возможных причинах остановки, вы выберете наиболее подходящий вариант.

То есть управляющую систему можно представить как автомат, преобразующий входные сигналы (Х) в выходные (Y). Схематично это представлено на рисунке.

Результат преобразования вход → выход часто зависит не только от того, какая информация появилась на входе в данный момент, но и от состояния, в котором находится сам преобразователь, и от того, что происходило раньше, то есть от предыстории. Такие автоматы называются автоматами с памятью.

Пример 1. При выходе из компьютерной программы появляется запрос о том, нужно ли сохранить изменения в файле, с которым работал пользователь.

Пример 2. Один и тот же вход – извинение соседа по парте после того, как он нечаянно наступил вам на ногу – вызовет у вас одну реакцию в первый раз и совсем другую в пятый раз.

На один и тот же входной сигнал конечный автомат с памятью может реагировать по-разному, в зависимости от того, в каком состоянии он находится в данный момент. При получении входного сигнала конечный автомат не только выдает информацию на выход как функцию этого входного сигнала и текущего состояния, но и меняет свое состояние, поскольку входной сигнал меняет предысторию.

Здесь приведены только самые общие модели кибернетики. В действительности при создании кибернетических систем приходится строить множество самых разных информационных моделей: схем, формул, таблиц, алгоритмов, программ и т.п.

Автоматизировать какой-то процесс можно только в том случае, если его можно описать по строго формальным правилам, то есть построить формальную информационную модель, адекватно отражающую этот процесс.

Будущее начинается сегодня. Оно уже началось с утра, когда ты пришел в школу. А точнее, началось оно еще вчера, когда ты думал о том, что предстоит сделать завтра: куда пойти, с кем поговорить, кому позвонить.

Наверное, вы согласитесь с утверждением – нет границы между прошлым, настоящим, будущим. Ее нельзя не только провести, но и почувствовать.

Это хорошо, потому что мы всегда рядом с будущим. Оно уже сегодня! Но всегда ли мы осознаем, как быстро оно наступает? И что надо делать, когда оно приходит? А какое будущее наступит, если все на Земле не знают, когда оно приходит и что надо делать?

Пожалуй, многие глобальные проблемы на Земле возникли и возникают именно поэтому – мы слишком беспечны с будущим, мы слишком легко относимся к его приходу. Каждому из нас кажется, что вот он – точно не Наполеон! И разве зависит от меня одного облик грядущего?!

В результате современный этап развития цивилизации многими учеными России и мира вполне обоснованно характеризуется как глобальный кризис, который ставит под угрозу дальнейшее существование не только человеческого общества, но и самого человека как биологического вида. Потому что каждый из нас уверен в том, что от него в будущем ничего не зависит, и каждый из нас не знает что делать, когда это будущее приходит.

В 1985 году в Рио-де-Жанейро прошла международная конференция по проблемам окружающей среды. Одним из важнейших вопросов, обсуждавшихся на этой конференции, стал вопрос об активной деятельности по научному осмыслению глобальных проблем развития цивилизации. Меняются акценты и в человеческой активности. Оказывается, чтобы сохранить природу и себя, человек и общество должны меньше преобразовывать природу и больше преобразовывать самих себя.

Для того чтобы совершать преобразования, нужно обладать определенной информацией, знаниями и умениями.

Одна из основных задач, которую решают в школе, – представить вам модели общества, которые существовали раньше и существуют в современном мире, научить вас строить модели возможного будущего развития, чтобы вы смогли найти свое место в формировании этих моделей на практике. Поэтому так важно понимать и уметь использовать информацию для правильного эффективного управления машинами, автоматами, роботами… А главное – людьми!

 

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...