Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Книги / Люди и биты. Информационный взрыв: что он несет
Начало сайта / Книги / Люди и биты. Информационный взрыв: что он несет

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Бермудский треугольник: мифы и реальность

Время, хранимое как драгоценность

Люди и биты. Информационный взрыв: что он несет

Плеяда великих медиков

Приключения великих уравнений

Ученые – популяризаторы науки

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Люди и биты. Информационный взрыв: что он несет

Николай Тимофеевич Петрович

К эре ЭВМ и роботов

ЭВМ считает

Сегодня почти все знают, что такое электронная вычислительная машина (ЭВМ), вычислительный центр, автоматизированная система управления (АСУ). Эта техника, эти понятия, эти слова как вихрь ворвались в нашу жизнь, уже многое изменили в ней и еще больше изменят в ближайшем будущем.

Разве не чудо, когда ученик первого класса вместо счета на палочках, как это делали мы, берет карманную ЭВМ и на ней мгновенно решает свои задачи?

Разве можно оторвать взгляд от женской руки, которая грациозно и с удивительной скоростью, не доступной мужчинам, порхает по клавишам ЭВМ и быстро решает для вас уравнение?

Разве можно было предположить несколько десятилетий тому назад, что над нашей планетой будут летать обитаемые космические корабли, а ЭВМ будет с поразительной точностью не только сближать их, но и проводить их стыковку?

Структура ЭВМ любой сложности сводится к простой схеме, состоящей из устройств: ввода и вывода информации, памяти (оперативной и постоянной), арифметического устройства и управляющего устройства. Два последних образуют так называемый процессор. Без управляющего устройства немыслима работа ЭВМ. Это дирижер всего вычислительного оркестра. Только по взмаху его палочки цифры запоминаются, передаются в другие блоки, над ними совершаются математические операции, и результаты поступают на выход.

Но у дирижера всегда перед глазами партитура, определяющая вдохновенный полет палочки. Однако степеньэтого вдохновения зависит от тысячи обстоятельств: состояния духа и здоровья дирижера, слаженности оркестра, реакции публики, последнего разговор а с директором театра, от того, что жмут новые ботинки.

К счастью, у ЭВМ этого нет. Ее действия абсолютно точно определены заданным алгоритмом работы. В наши дни слово «алгоритм» стало очень популярным, иногда даже слишком.

На днях я пришел к приятелю-математику, но не застал его дома. На вопрос, где он, жена ответила: «Пользуясь элементарным алгоритмом, легко его найдете: опуститесь на один этаж, войдете в лоджию, по пожарной лестнице поднимитесь на крышу. Он там, вдали от телефона и телевизора, работает и загорает».

Слово «алгоритм» возникло в результате искажения имени великого узбекского математика IX века Хорезми (по-арабски – аль Форезми, что означает «из Хорезма», или латинизированное Algorithmi. Разработанные им правила действий над числами стали называть в Европе сначала «алгоризм», а потом «алгоритм». Таким образом, слово АЛГОРИТМ стало нерукотворным памятником математику из древнего Хорезма, который возвышается более 1000 лет!

В современном понятии алгоритм есть свод точных правил для решения той или иной задачи. Он разрабатывается математиками и может быть, например, расписан по шагам на бумаге.

– Но ведь ЭВМ пока не настолько умна, чтобы читать это предписание и по нему управлять вычислениями.

– К сожалению, это так. Поэтому по алгоритму составляется программа действий ЭВМ для решения задачи.

При этом надо помнить, что разные типы ЭВМ, как и люди разных стран, «разговаривают» на разных языках. Это искусственные языки, созданные математиками, удобные для общения между отдельными блоками ЭВМ.

В конечном итоге программа – это последовательность команд, каждая из которых есть число. Но не просто число! Пусть, например, очередная команда имеет вид 02699920. Для нас это просто два миллиона шестьсот девяносто девять тысяч с мелочью, да еще непонятный ноль впереди. А ЭВМ, на языке которой записана команда, мгновенно поймет: надо выполнить операцию умножения (ее код 02), для этого взять из ячейки память №69 одно число, из ячейки №99 – второе, а результат перемножения этих чисел отправить для запоминания в ячейку №20. Команда предельно краткая, абсолютно четкая, не допускает разных толкований (в отличие от большинства словесных команд, указаний, советов).

– Значит, ЭВМ должна всегда работать без всяких ошибок?

– Только при одном условии; все команды правильно набраны, не исказились в цепях передачи информации между элементами и блоками ЭВМ, правильно восприняты и исполнены.

По сотням и даже тысячам проводов в ЭВМ бегут наши знакомые труженики – посылки ДА-НЕТ. Они сообщают команды, переносят информацию из ячеек памяти в арифметическое устройство, результат вычислений заносят в другую ячейку и т.д. Приключения с ДА-НЕТ в системах связи мы уже разбирали. В ЭВМ их бытие тоже не безмятежно. Зарегистрирован, например, такой случай. В новом роскошном театре управление сценой по ходу спектакля было полностью доверено ЭВМ. На одном из представлений зрители были ошеломлены: занавес начал то подниматься, то опускаться, сцена – вращаться то по часовой стрелке, то против, декорации непрерывно двигаться...

Все это делали помехи, излучавшиеся рентгеновским аппаратом в соседней клинике.

Особенно опасны помехи для ЭВМ коллективного пользования, когда абоненты удалены от вычислительного центра. В этом случае ввод программ и исходных данных, вывод результатов осуществляются абонентом дистанционно с помощью канала связи того или иного типа. Часто для этого используются телефонные линии. Кроме того, наиболее эффективное использование ЭВМ реализуется при объединении ряда вычислительных центров в единую сеть. Соединяющим звеном опять-таки могут быть только системы связи. Сети вычислительных центров уже успешно действуют в ряде стран, в том числе и в Советском Союзе. Дальнейшее развитие сетей вычислительных центров в СССР приведет к созданию государственной сети вычислительных центров (ГСВЦ), расположенных по всей территории нашей страны, связанных общегосударственной системой передачи данных (ОГПД).

Таким образом, идет интенсивный процесс объединения ЭВМ и систем связи. Очень остроумно его охарактеризовал известный ученый Р. Фано: «Брак между электронными машинами и средствами связи свершился. Свадьба сыграна, медовый месяц позади, а супруги стали все больше ощущать, как сильно они стали зависеть друг от друга».

И надо отметить, что брак счастливый – любовь взаимная.

– Без систем связи просто невозможно создать сети вычислительных центров. Тут все ясно. А чем же вызваны ответные «нежные чувства» систем связи к ЭВМ?

– Новым эффективным вооружением в борьбе с помехами.

– Как это? Вместо приемника использовать ЭВМ?

– Так не получится. Ведь у ЭВМ нет антенн, нет частотных фильтров, усилителей, детекторов Но вот подключение ЭВМ к приемнику для обнаружения и выделения сигнала в шумах дает прекрасные результаты. Особенно это заметно при шумах, сравнимых с сигналом или даже превышающих его.

Стремительное развитие в последние десятилетия теории передачи сигналов по системам связи породило много новых сложных видов сигналов и, самое главное, много новых сложных алгоритмов их приема.

Эти правила приема часто включают математические операции, которые типичны для ЭВМ: задержку сигналов, их перемножение и деление, интегрирование и дифференцирование и т.д.

Нередки случаи, когда в системах связи к приемнику просто подключают ЭВМ для совместной работы. Например, для приема очень слабого, буквально тонущего в шумах сигнала от удаленного космического корабля. Ведь на таком корабле мощность передатчика порядка мощности комнатной электрической лампочки, диаметр бортовой антенны измеряется только несколькими метрами, а расстояние до приемника – десятки и сотни миллионов километров.

Не легче дело обстоит при связи между подводными объектами с помощью гидроакустических сигналов. Вместо одного посланного сигнала на вход приемника приходит их множество, но сдвинутых во времени и по-разному искаженных.

– Это результат морского эха?

– Точнее, это результат многолучевого распространения волн. Дополнительные сигналы возникают из-за отражения посланного сигнала от поверхности моря, от дна, от неоднородностей водной среды, от случившегося на пути дельфина. К этому еще надо добавить вездесущие шумы – от самих объектов, от волнения моря, от «разговоров» между обитателями водной стихии. Кстати заметим, что клятва «Буду нем как рыба!» мало к чему обязывает. Оказалось, что рыбы не в меньшей степени любят сотрясать воду звуками, чем человек воздух. Это сигналы о наличии пищи, об опасности, о направлении движения и особые звуки, издаваемые самками и самцами во время нереста. Были случаи, когда эти звуки создавали ложную тревогу в гидроакустических локаторах и даже взрывали морские мины с гидроакустическими взрывателями.

Вот в подобных условиях большую помощь в отделении истинного «алмаза» (сигнала) от всяческих его подделок (ложные сигналы) могут оказать ЭВМ. Конечно, использовать универсальную ЭВМ только для одной частотной задачи – селекции сигнала в шумах – экономически очень нерационально. Да и габариты ее и потребляемая энергия могут быть слишком велики. Поэтому для систем связи целесообразно использовать малогабаритные специализированные ЭВМ, решающие только одну задачу (но по разным программам при изменении формы сигналов и характера помех). Для этого очень подходят малогабаритные устройства на больших интегральных схемах (БИС), так называемые микропроцессоры. Они выполняются на одном кристалле. В одном спичечном коробке может уместиться до десяти микропроцессоров. Память для хранения программы образуется на том же кристалле. Легко изменяя программу микропроцессора, можно изменять алгоритм обработки сигнала, атакованного помехами.

Кстати, в Японии начат экспериментальный выпуск цветных телевизоров, где встроен микропроцессор. Кроме обеспечения оптимальной обработки телевизионного сигала, он выполняет дополнительные функции. В частности, настройку приемника по окончании его сборки на конвейере выполняет не оператор, а этот же микропроцессор.

– Но ведь на каждом вычислительном центре сети используются ЭВМ. Они и могут оптимально обрабатывать сигнал.

– Речь у нас шла об обработке сигнала только в системах передачи информации. В случае вычислительных сетей и управления ЭВМ с удаленных терминалов, конечно, сражение» с помехами в выходной части приемника может вести та же ЭВМ.

– Наверное, промышленность уже изготовляет ЭВМ, в которой один из ее блоков и является приемником?

– К сожалению, пока нет. Препятствуют межведомственные барьеры. Они будут преодолены.

Итак, ЭВМ и системы связи взаимно обогатили друг друга, и появился могучий симбиоз: ЭВМ плюс система связи.

Но за все надо платить: появилась возможность проникать помехам не только в приемники, но и в ЭВМ. Простейший пример. С терминала или другого вычислительного центра сообщается ЭВМ номер ячейки памяти, из которой надо взять число. Допустим, это номер 25. Переходя к нашим ДА-НЕТ, то есть в двоичную систему счисления, получаем такую его запись ДА НЕТ НЕТ ДА ДА или 10011. Пусть под действием помех в канале связи последнее ДА (только одно!) превратилось в НЕТ: 10010. ЭВМ, следуя искаженной команде, возьмет число не из 25-й, а из 9-й ячейки! Последствия комментариев не требуют.

Так будет, если наши ДА-НЕТ, несущие информацию, не сопровождаются смелыми д'Артаньянами, Атосами, Портосами и Арамисами, их защищающими. Мы уже это разбирали. Такие защитники могут быть созданы за счет дополнительных ДА-НЕТ, не несущих информации.

Совместное использование ЭВМ и систем связи выдвинуло новые высокие требования к последним. Допустимы очень редкие искажения посылок ДА-НЕТ, несущих информацию. Например, одна на миллион, а в особо ответственных случаях даже на миллиард переданных посылок!

Вот почему тысячи талантливых математиков, физиков, инженеров продолжают увлеченно работать во всем мире над, казалось бы, простой задачей – как защитить ДА-НЕТ от помех возможно меньшим числом мушкетеров. Ведь, чем больше «штат» этой охраны, тем медленнее передача или тем более широкую полосу частот она занимает.

Вернемся к ЭВМ. Очень важным параметром ЭВМ является емкость ее памяти. Обычно ее измеряют не битами, а более крупными единицами – байтами. Один байт содержит восемь бит. Машина оперирует этими восемью битами как единым словом, единым пакетом. И этот пакет, если каждый из его элементов может принимать только два значения 0 и 1, может образовать, как мы уже знаем, 256 команд (28).

– Какая же емкость памяти современных ЭВМ?

– Для решения простых задач достаточна память в тысячи или десятки тысяч байт. Самые богатые памятью современные машины, решающие сложные задачи, обладают памятью в миллионы байт.

Представим себе, что ЭВМ управляет стыковкой двух космических кораблей. По оптическим и радиоканалам она непрерывно получает информацию о положении объектов, их скорости, ускорении. Эти данные записываются в память, над ними совершаются математические операции и вырабатываются команды управления кораблями.

Требуется колоссальная точность стыковки. Времени на вычисления мало. Если ЭВМ не успеет сделать вычисления и подать нужные команды, то может произойти катастрофа. Такую задачу надо поручить только очень быстродействующей машине.

Быстродействие обычно измеряют средним количеством операций, выполняемых процессором в секунду. Типовые быстродействующие ЭВМ работают со скоростью от 100 000 до одного миллиона операций в секунду. Это, конечно, не предел. Электроника наших дней позволяет увеличить эту скорость в сотни раз.

– Что делать, если возникла задача, не решаемая современными ЭВМ из-за малой памяти и медленности операций? Ждать, когда появятся лучшие ЭВМ?

– Нет. Часто можно прибегнуть к параллельной работе нескольких ЭВМ.

– Если память и скорость достаточны, то, выходит, можно решать любую задачу?

– К сожалению, нет. Для многих задач алгоритм их решения не найден. Машина не может решить задачу, не получив информацию о том, как ее надо решать. Допустим, мы одновременно перед опытным изобретателем и ЭВМ ставим такую задачу: придумать новый тип колес, на которых экипаж мог бы двигаться не только вперед-назад, но и вправо-влево. ЭВМ будет требовать у вас алгоритм решения этой задачи. У вас его нет. А изобретатель может его найти.

– Вы уверены, что у этой задачи есть решение?

– Абсолютно. Патент на такое «сверхколесо» недавно получен Д. Блумричем (США). Тысячи лет существовало плоское колесо. Иначе оно и не мыслилось. Но изобретатель заменил обод колеса шестью цилиндрическими сегментами. Каждый из них соединен рычагами с осью так, что может самостоятельно двигаться и тормозить. Сегменты могут находиться в разных плоскостях. Колесо утратило плоскую форму. Экипаж на таких колесах не только решает поставленную задачу, но и может вращаться на месте в любую сторону, двигаться под любым углом и т.д.

Вторжение электроники фантастически повысило скорость счета вычислительных машин. Достойный пример перехода количества в новое качество. Наука и техника все больше сталкиваются со сложными системами, расчет которых требует учета сотен и тысяч переменных величин. Решение их «вручную» практически невозможно: необходимы годы труда больших коллективов. ЭВМ решает их в считанные часы.

Если все население земного шара посадить за расчеты, предварительно обучив его технике вычислений, то оно не сделает и сотой доли расчетов, которые сегодня выполняют ЭВМ.

Заглянем на минуту в научную лабораторию. Идет сложный эксперимент. Но не видно людей с блокнотами, которые, не отрывая глаз от приборов, что-то быстро записывают. Все это без суеты делает тут же расположенная ЭВМ. Она не только регистрирует ход эксперимента, но и обрабатывает данные, чертит графики зависимостей, выводит часть данных на дисплей, сигналит о недопустимых отклонениях...

Несколько слов о дисплее. Это приставка к ЭВМ для визуального отображения алфавитной, цифровой и графической информации на экране электронно-лучевой трубки. Изображение на экране дисплея «вырисовывается» с помощью тонкого электронного пучка, управляемого часто разверткой, аналогичной развертке в телевизионных приемниках. На дисплее можно наблюдать вводимые данные, результаты расчета и даже промежуточные вычисления. Например, ЭВМ ищет оптимальную форму крыла сверхзвукового самолета, перебирая разные варианты. На дисплее можно видеть очертания крыла каждого варианта.

Для редакторской работы дисплей – истинный клад! Текст воспроизводится на экране. Редактор уже работает не авторучкой, а управляет световым пером дисплея. Им можно зачеркнуть часть текста, можно сделать вставку любой длины, раздвинуть или сблизить слова... При этом перебора текста не требуется! Окончательный вариант текста из памяти ЭВМ может передаваться непосредственно в наборную машину.

ЭВМ управляет

Норберт Винер – отец кибернетики – задал себе, казалось бы, рядовой вопрос: «Зачем нужна вся та информация, которая непрерывно передается по всевозможным каналам связи в живых организмах, в сообществах разумных (и неразумных) существ и в созданных человеком технических системах?»

Углубленное исследование этого вопроса и привело к возникновению новой науки – кибернетики. Ответ на вопрос оказался чрезвычайно прост: информация нужна для управления! Оказалось, что системы управления в машинах, живых организмах, в сообществах разумных и даже неразумных существ очень похожи. Все эти системы управления можно привести к единой схеме. Она состоит из двух блоков с двумя информационными связями между ними. Первый блок – это управляющая система связи. Она посылает по прямой связи команды второму блоку, управляемому объекту. Но грош цена тому командиру, начальнику или регулятору, который не знает состояния управляемого объекта и результатов выполнения его команд. Вот эту важнейшую задачу решает вторая связь между блоками. Ее называют обратной. Без этой обратной связи немыслимо хорошее управление, немыслимо эффективное достижение цели управляемой системой. Таким образом, основой любой системы управления является передача информации. Ее осуществляют все те же труженики – биты.

Известен афоризм «Уметь управлять – это уметь выбирать». И это действительно так. Представим себе, что идет сражение. На командный пункт почти непрерывно поступают сведения о ходе боя. Как выбрать правильную команду своим войскам? Хорошо бы тут же просчитать разные варианты действий, но на это нет времени. Остается положиться на интуицию и опыт. И вот тут быстродействующая ЭВМ часто могла бы сделать выбор, мгновенно просчитав варианты и указав лучший. Аналогичная ситуация имеет место, во многих системах регулирования.

На базе этой простой схемы из двух блоков и двух связей между ними уже построены тысячи систем автоматического управления. Часто мы их не замечаем. Прохладный свежий воздух в кинотеатре обеспечивается такой системой. Хлеб, который мы едим, испечен на заводе-автомате. Посадку самолета в туман и дождь обеспечивает самолетная система автоматического управления с бортовой ЭВМ. Эта же ЭВМ может управлять подачей топлива в самолетный двигатель и обеспечивать наиболее эффективную его работу, например достичь максимальной дальности полета при заданном количестве топлива.

В системах такого типа все доверено технике. Человек только наблюдает за ее исправностью, играет роль весьма квалифицированного, но все же «смазчика».

Однако во многих случаях еще не удается полностью доверить управление сложными процессами автоматам. Тогда в нашей принципиальной схеме, в блоке управления, появляется человек. В такой уже не автоматической, а только автоматизированной системе ЭВМ играет вспомогательную роль – накапливает и обрабатывает информацию, командует отдельными элементами. Управление же главными показателями и системой в целом осуществляет человек.

Создание таких гибридных систем, где одним из звеньев, хотя и самым главным, является человек, выдвинуло новые проблемы – это взаимодействие человека и автомата, язык их общения, распределение функций, гармоничное сочетание.

И здесь надо признаться, что венец творения природы, гомо сапиенс, часто может быть самым «узким» звеном системы. Например, скорость реакции человека с момента поступления информации звуковым или световым сигналом в лучшем случае составляет 0,1...0,3 секунды. Автомат может работать в сотни раз быстрее.

А ошибки? Автомат, если он «здоров», ошибок принципиально не делает! Оператор даже в полном здравии может совершать ошибки.

Но нельзя и не похвалить человека. Он может легко схватывать задачу в целом, интуитивно найти правильное решение, опираясь на свой опыт, может учиться на ошибках.

Заглянем на минуточку в мартеновский цех и посмотрим, как работает автоматизированная система управления плавкой. Плавку ведет ЭВМ по программе. Она длится почти 12 часов.

Информация о ходе процесса непрерывно поступает на пульт сталевара. Периодически делаются химические анализы проб металла и шлака в лаборатории, и эти данные вводятся в ЭВМ. Последняя рассчитывает необходимое количество добавок (присадок) и тепловой режим печи для получения стали заданной марки. Эта информация в виде совета поступает на пульт сталевара. Если ведущий плавку согласен с советом, то он нажимом кнопки ее реализует. Если нет, то сталевар может внести в совет коррекцию. После завершения плавки ЭВМ управляет ее выпуском и разливом.

На наших предприятиях уже действуют тысячи автоматических и автоматизированных систем, тысячи ЭВМ обрабатывают информацию, тысячи каналов связи сообщают их команды и советы. Но это лишь первые шаги. Эти системы придут на каждое рабочее место, на всех уровнях производства, обучения, управления и научных исследований в государстве. Это резко повысит производительность труда, эффективность управления и творческий потенциал.

Теперь поговорим о другом феномене XX века – роботах. Ведь практическая реализация этих помощников человека стала возможной только благодаря появлению ЭВМ.

Руку, товарищ!

Процесс эволюции на нашей планете от малой клетки до разумного существа был очень длительным и растянулся на миллиарды лет.

Первое, что поражает в роботах, – это невероятный темп их эволюции. Судите сами. От «существ», которые не видят, не слышат, почти ничего не чувствуют и, конечно, совсем не мыслят, до слышащих, видящих, осязающих и уже начинающих принимать самостоятельные решения, они эволюционировали всего лишь за несколько десятков лет! Даже если учесть всю предысторию этих существ, то и тогда время их эволюции составит сущую мелочь – несколько столетий.

Они уже насчитывают целых три поколения. Точнее, три принципиально различных поколения. В отличие от. поколений людей, которые сменяют друг друга, уходя навсегда в Лету, все три поколения роботов существуют одновременно. Срок жизни их поколений физически не ограничен.

– А разве детали робота не изнашиваются?

– Конечно, изнашиваются. Но во-первых, в отличие от живых существ любой износившийся орган робота легко заменить запчастью, а, во-вторых, можно просто взять со склада новый экземпляр робота этого же поколения.

Роботу угрожает только моральная гибель, устарение заложенных принципов. Иногда и у людей моральная гибель обгоняет физическую.

– Чем же принципиально различаются эти три поколения роботов?

– Числом действий, свойственных человеку. Чем их больше, тем совершеннее он. Исключая, конечно, такие негативные свойства, как пьянство, курение, лень, карьеризм, тщеславие... Они принципиально не свойственны роботам. Хотя фантасты, творя роботов по образу и подобию человека, часто приписывают им некоторые из этих качеств.

«Человеческие черты» робота, в свою очередь, определяются количеством информации, воспринимаемой им из окружающего мира, и совершенством методов или алгоритмов, с помощью которых он ее обрабатывает.

Дайте роботу богатую информацию об окружающем мире и совершенный алгоритм ее обработки, и он будет творить чудеса!

– Даже больше, чем может гомо сапиенс?

– Норберт Винер сформулировал этот вопрос так: может ли робот превзойти своего творца? И дал однозначный ответ: принципиально может!

Чтобы быть справедливым к роботам, надо честно признаться, что уже сегодня по ряду показателей робот обставил человека.

Он может быть физически сильнее человека, может быстрее и точнее выполнить некоторые операции, иметь любое число ног и рук, быстрее и точнее вычислять, не терять присутствия духа в опасной ситуации, не бояться огня, выходить без кислородного аппарата в космос...

Что же касается интеллекта уже созданных роботов, то тут успехи пока не столь велики. И дальнейшее продвижение снова и снова приводит к знаменитой фразе Сократа: «Познай самого себя».

Человек проник в глубины истории Вселенной, охватил взглядом, усиленным оптическими и радиотелескопами, космические дали на расстоянии десятков миллиардов световых лет, проник в микромир, но до сих пор не может расшифровать в деталях процессы обработки информации своим мозгом. До сих пор мы плохо знаем, как человек узнает знакомое лицо из тысячи других, как делает открытия и изобретения, как играет в шахматы, как творит музыку и песни... По мере проникновения в эти тайны из тайн интеллект роботов будет расти. Неизбежно настанет время, когда «цивилизация роботов» интеллектуально почти вплотную сблизится с цивилизацией людей.

А что же дальше? Эволюция роботов не остановится. Она будет продолжаться. Ведь человеческий мозг не предел совершенства. Он в силу своего природного предназначения имеет и свои ограничения. Искусственный интеллект не имеет таких ограничений ни по габаритам, ни по быстродействию, ни по возможным алгоритмам работы.

Что же касается «органов чувств», то есть восприятия информации из окружающего мира, то робот превзойдет не только человека, но и все живое, вместе взятое. Он может иметь нюх, лучший, чем у собаки, видеть в темноте лучше летучей мыши, ощущать присутствие газа в атмосфере, как некоторые птицы, ощущать приближение землетрясения, как некоторые растения, не говоря уже о чувствительности ко всему спектру электромагнитных колебаний, магнитному и электрическому полю, элементарным частицам и т.д.

– Не попадет ли человек в зависимость или даже в рабство к своему детищу – «роботоцивилизации»?

– Казалось бы, вопрос лишен смысла. Ведь достаточно выключить рубильник питания у робота, и он... Значит, надо только человеку не забыть сохранить власть над рубильником.

Но это не совсем так. По мере совершенствования вычислительных машин, систем автоматического управления и робототехники управление сложными, разветвленными системами – экономикой, промышленностью, обучением, научными исследованиями – все больше будет переходить от человека к этим его детищам. Человек неизбежно станет в некоторую зависимость от этих систем. На Западе иногда представляют ситуацию далекого будущего, когда «выключение рубильников» может привести к хаосу в нашей цивилизации. Роботы того периода, вероятно, превзойдут самого Сократа в ведении диалога с человеком. Они смогут убедить человека не рисковать, не выключать их.

– Где же выход? Неужели будущее человечества столь печально – машинное рабство?

– На этот вопрос дает ответ пионер кибернетики Норберт Винер. Человек избежит рабства, если не будет почивать на лаврах, любуясь совершенством созданных им «существ» с искусственным интеллектом, а будет преодолевать ограниченность своего разума во вдохновенном соревновании с искусственным интеллектом.

Никакой озабоченности по этому поводу не высказывал академик И.И. Артоболевский. Он писал: «...я не сомневаюсь, что развитие и самое широкое распространение устройств с искусственным интеллектом приведет не к порабощению человека машиной и превращению его в машинного слугу, а, напротив, к невиданному расцвету человеческой личности, вся жизнь которой будет подчинена творчеству по законам красоты. И самыми верными и незаменимыми помощниками будут роботы, знаменующие своим появлением очередной успех человека в овладении законами природы».

Теперь давайте вместе совершим прогулку по уже пройденным путям эволюции роботов. Начнем с их предыстории.

Механический человек

Первых предшественников роботов можно увидеть только в музеях. Заглянем, например, в Венский технический музей. Обращает внимание на себя человекоподобная фигура, сидящая на железном шаре. Это механический писец. Он может писать на бумаге буквы. Одну, две? Нет, целое сочинение из 79 букв! Этот механический человек был создан двести лет назад венским механиком Кнауссом. Управляет писцом вращающийся барабан. На нем с помощью выступающих шпилек записана программа всех его движений. Это и была вся скудная информация, питавшая его.

Еще более удивительную игрушку можно увидеть в Музее изящных искусств швейцарского города Невшателя. За физгармонией сидит девушка. Вот она опускает пальцы на клавиши и начинает играть. Мы слышим приятную мелодию. Голова девушки покачивается в такт музыке, грудь поднимается и опускается. Это чудо, поразившее европейцев, было сотворено швейцарским часовщиком Пьером Дро и его сыном Анри тоже более двухсот лет тому назад.

Испанская инквизиция уже тогда осознала, что создание человекоподобных машин подтачивает идею бога. При демонстрации музыкальной девушки в Испании Пьер Дро был схвачен инквизицией, посажен в тюрьму по обвинению в колдовстве, а автомат конфискован. Сегодня духовенство частично смирилось с идеей «искусственного интеллекта» и использует ЭВМ, лазерную технику и даже голографию.

Подобные писцу и музыкантше игрушки получили название андроидов (человекоподобных). Даже сегодня поражает и смелость, и мастерство их творцов. Они первые начали создавать примитивные механические копии самого сложного, что есть в Природе.

В последующие столетия андроиды были усовершенствованы. Вместо заводных часовых механизмов стали использовать электрические двигатели. Затем андроиды заговорили. Для этого использовалась предварительная запись нескольких слов и фраз.

Механический человек двигался, выполнял сложные операции. Создавалась даже иллюзия разумного существа. Но эти смельчаки – их творцы – пытались обогнать науку и технику своего времени на добрых полтора столетия. Только развитие кибернетики, появление ЭВМ, успехи электроники создали возможности для превращения средневековой иллюзии в реальное небиологическое существо, наделенное элементами разума.

Но андроиды создавались и создаются и в нашем XX веке. Так, посетители выставки в Чикаго «Столетие прогресса» (1933) могли прослушать лекцию андроида о пищеварении. Техническим средством на лекции являлось собственное тело робота. По ходу лекции он раздвигал одежду и высвечивал свои внутренности, по которым двигалась пища. Да и сегодня в любом магазине детских игрушек вы обязательно найдете варианты андроидов: говорящие куклы, шагающий робот, кувыркающийся клоун...

Манипуляторы или полуроботы

Приставка «полу» подсказывает нам, что самостоятельно полуроботы действовать не могут. Они предназначены в помощь человеку-оператору. Типичный пример полуробота – удлинители и усилители человеческой руки. Но такие, что позволяют работать человеку в атомном реакторе, в доменной печи, в открытом космосе, на дне океана. Эти устройства не только удлиняют конечности, но и могут увеличивать их силу в десятки раз и, самое главное, защищают оператора от вредного действия среды.

Остроумно устроены так называемые копирующие манипуляторы. Их исполнительный механизм, то есть захват, напоминающий человеческую руку, в точности повторяет движения кистей рук и пальцев оператора.

Когда я первый раз управлял таким манипулятором и увидел на экране телекамеры свои огромные железные ручищи, которые послушно выполняли все мои движения, то проникся уважением к полуроботам.

Когда смотришь в театре Сергея Образцова, например «Необыкновенный концерт», то временами забываешь, что артисты склеены из картона, дерева, материи. Настолько они динамичны, настолько наделены человеческими пороками и слабостями, настолько они похожи на нас. Мне особенно импонирует конферансье в этом концерте. Он создает прекрасный гротеск на тех, у кого перемешались тщеславие и скромность, остроумие и тупоумие, знание и невежество. И только когда 3. Гердт появляется на сцене в конце спектакля со своей куклой-конферансье на руках и все видят рычаги ее управления, то становится понятно, что вел концерт типичный полуробот.

Не подумайте, что удлинение рук оператора чем-то ограничено. Оператор на планете Земля успешно управлял движением автомата, двигающегося по поверхности своего вечного спутника Луны. Удлинителями рук были узкие пучки радиоволн. Обратный пучок радиоволн передавал оператору лунный пейзаж вблизи Лунохода и позволял оценивать выполнение команд. Таким образом, Луноход в режиме управления оператором являлся типичным полуроботом.

Что же такое полуробот? В большинстве случаев это как бы усилитель физических возможностей человека. Удлинение и усиление его рук, увеличение дальности его зрения, защита от враждебной человеку среды. Строго говоря, это биомеханическая система, каковых сейчас уже немало. Этот усилитель может гигантски расширить возможности оператора. Но, согласитесь, он полностью лишен самостоятельности. Он полный раб воли и ума оператора. Без оператора такой инструмент бесполезен.

Без ума, без чувств

Роботы первого поколения получили название промышленных роботов.

Принципиально это те же жестко запрограммированные андроиды, но приспособленные для выполнения простых операций вместо человека. Внешне они совсем не похожи на андроидов.

Типичный пример – механическая рука, способная совершать различные движения в окружающем пространстве, имеющая захват из нескольких пальцев на конце. Движениями руки управляет программное устройство.

«Жизни» такого робота не позавидуешь. Он не слышит, не видит, не думает. Ему задана строго фиксированная программа действий, которую он выполняет. Например, молот горячей штамповки каждую минуту выбрасывает готовую деталь. Рука должна тут же ухватить ее, погрузить на три минуты в раствор для закалки и затем уложить на движущийся транспортер.

– А если механическая рука не найдет деталь на своем месте?

– Тогда полный сбой. Процесс производства нарушится. Промышленный робот может успешно работать только в своем строго фиксированном маленьком мире. Деталь, сосуд с жидкостью, транспортер – все должно быть точно на своем месте, точно в тех координатах, которые записаны в программном устройстве.

Но в реальном мире мы на каждом шагу сталкиваемся со случайными явлениями. Принципиально невозможно, например, сделать все детали абсолютно одинакового размера и располагать их абсолютно точно в фиксированном месте для захвата рукой. Всегда будет некоторый случайный разброс размеров детали и ее координат около некоторой средней величины. Движения самой механической руки тоже неизбежно имеют некоторые случайные смещения.

Если отклонения превысят допустимые пределы, то «процесс производства нарушается. Этот органический недостаток промышленных роботов на первых этапах сильно затруднял их внедрение в промышленность. Их применение часто требовало перестройки производства. Сегодня эти трудности во многих случаях преодолены. Десятки тысяч промышленных роботов, лишенных всяких человеческих чувств, успешно заменяют человека на производстве. Они выполняют отнюдь не только простейшие операции типа «взять и положить». Им уже доступны сложные операции на сборочных конвейерах, электросварка кузовов автомашин, их окраска.

У роботов первого поколения много завидных качеств. Они могут без устали работать любое число смен. Им не свойственны головные боли, стрессовые ситуации, тоска от монотонного труда... Конечно, если они «здоровы», если добросовестно выполняется их профилактика. Расходы на такого робота окупаются быстро – за пару лет. Главное преимущество современных роботов первого поколения по сравнению с другим автоматическим оборудованием – возможность быстрой перестройки их на выполнение различных производственных операций. Это осуществляется путем ввода новых программ в управляющую ЭВМ и смены рабочих инструментов.

Тысячи таких роботов уже трудятся в нашей стране. Их четкой и быстрой работой можно залюбоваться на Волжском и Камском автозаводах, на ЗИЛе и ВЭФе, на Ковровском механическом и Петродворецком часовом заводах. В ближайшие годы их армия увеличится более чем в три раза и освободит тысячи людей от тяжелого физического и однообразного труда.

Добавим чувства

Следующее, второе поколение роботов уже наделено некоторыми «чувствами». Контактные датчики на органах робота могут сигнализировать о прикосновении к детали, препятствии на пути движения, даже сообщать о развиваемой силе захвата. Это простейшая система осязания.

Микрофон может служить органом слуха. Фотоэлементы и телекамеры позволяют роботу видеть окружающий его мир.

Хуже дело обстоит с обонянием. Карикатуристы любят рисовать человека будущего, гуляющего с собакой-роботом на поводке. Такую игрушку можно сотворить уже сегодня. Но научить ее различать хотя бы десяток запахов вместо тысячи доступных собаке пока невозможно. Природа этого чувства, которым человек и собака ежеминутно пользуются вот уже миллион лет, все еще далека от полной разгадки.

А многие аспиранты и диссертанты нередко горько сетуют на свое позднее рождение, когда уже все проблемы решены!

Роботы второй формации могут даже превосходить человека в своих чувствах. Если необходимо, их можно наделить способностью обнаруживать и измерять радиоактивность, магнитное поле, давление, влажность, гравитацию, сейсмические колебания с высокой точностью.

– А есть ли надежда, что человек сможет управлять роботом с помощью мысли?

– Только при одном «небольшом» условии: если будет установлен факт передачи мысли в системе «человек – человек». Пока физический носитель таких сигналов не обнаружен и, естественно, нет приемника таких сигналов.

Итак, система искусственных органов чувств сообщит с некоторой степенью точности о текущем состоянии самого робота и окружающей среды. Для чего нужна эта информация и как она используется роботом? Эту информацию запоминает и анализирует обязательно имеющаяся у робота ЭВМ. Она может быть встроена в «тело» робота или вынесена. На основе анализа возникшей ситуации вырабатываются команды исполнительным органам робота для успешного выполнения заданной программы. В следующий момент поступает новая информация, и ЭВМ вырабатывает новые команды... Это и есть действие самого распространенного в живой природе принципа – ОБРАТНОЙ СВЯЗИ. Без нее и человек, и робот второго поколения «жить и работать» не могут.

Но робот второго поколения все же не является... интеллектуалом. Весь интеллект его, грубо говоря, сводится к выбору нужного правила управления органами робота для данной комбинации сигналов от его органов чувств. Он бессилен решить задачу, для которой нет заготовленного рецепта.

Выше мы применили робот первого поколения для погрузки поковок на транспортер. Если его заменить роботом второго поколения, то можно снять требование к точности расположения поковки в строго определенном месте. Робот сам ее находит. Кроме того, он может, например, различать поковки разного типа и отправлять их разным потребителям.

Очень эффективной оказалась совместная работа человека и его собрата – робота второго поколения.

Вот шагает по морскому дну робот. При глубоком погружении кромешную тьму рассекает его мощный прожектор. Телевизионная камера – его глаза – наблюдает картину дна и делится этой информацией с оператором на судне, который управляет движением робота. Замечен таинственный объект. Оператор переводит робота в автономный режим. Робот начинает самостоятельно обследовать находку по программе и передает оператору результаты.

Роботы второго поколения значительно сложнее и дороже программных роботов. Здесь уже недостаточно записанной программы на ленте. Нужна своя небольшая ЭВМ, часто выполняемая на микропроцессорах.

Интеллектуалы

Изрезанный скальный рельеф, напоминающий лунную поверхность. По нему уверенно движется странная шестиногая машина. Это какой-то гигантский краб, сошедший со страниц фантастического романа. Он подходит к глубокой трещине. Замирает на ее краю. Что дальше? Полет вниз и гибель? Отнюдь, нет! Этот краб зрячий. Его лазерный глаз прекрасно видит трещину. Более того, он может измерить ее ширину с необходимой точностью.

Вот над трещиной выдвигаются две передние ноги и достигают ее противоположного края. Дальше все очень просто. Смещение центра тяжести машины на передние ноги за счет наклона корпуса и перенос четырех задних ног на другую сторону трещины. Препятствие взято.

Это маленький отрывок из хроники жизни интеллектуального шагающего робота третьего поколения. Его творцы – сотрудники Института прикладной механики АН СССР и Ленинградского механического института. Робот имеет 6 степеней свободы корпуса и 18 степеней свободы ног.

По походке такого робота не узнаешь. У него много способов движения. Для каждого участка рельефа он выбирает наиболее подходящую походку, тем самым адаптируясь к местности. Для надежной устойчивости наложено ограничение – в любой момент по крайней мере три ноги должны находиться в контакте с поверхностью.

Это напоминает одну из заповедей альпиниста. При движении по сложным скалам необходимо все время иметь три точки сцепления: «нога – рука – нога» или «рука – нога – рука». При потере одной из этих трех опор еще можно удержаться на двух точках, но, к сожалению, не всегда.

Аналогию с альпинистом можно продолжить. Краб может нести на себе по сложному рельефу рюкзак весом 15 кг. Скорость при этом порядка 1 км в час.

Мозг краба пока имеет слишком большой вес и объем. Поэтому он выносной и связан с телом с помощью кабеля. В дальнейшем корпус краба украсит антенна, и обмен информацией между двумя частями организма будут осуществлять радиоволны, функции выносного мозга пока выполняет вычислительная машина БЭСМ-6.

Однако успехи в создании микро-ЭВМ и микропроцессоров позволяют совместить и мозг, и тело в единой конструкции.

Оказавшись на сложном, заранее неизвестном рельефе, например на планете Марс, наш шестиногий краб не растеряется. Он может самостоятельно выполнять заданные ему сложные двигательные задачи.

Ему необходимо задать только цель возлагаемой на него операции. Он сам спланирует свои действия. Составит оптимальную программу с помощью своей ЭВМ.

Есть даже говорящие интеллектуалы. С ними можно вести диалог. Конечно, не на языке А. Пушкина или И. Тургенева: словарь роботов пока ограничен несколькими сотнями слов. Но ведь это пока.

Теперь разрешите познакомить вас с роботом «Язон». Это детище Калифорнийского университета. Готовится к серийному производству. Ему можно поручить уборку квартиры и массу других домашних дел. Он небольшого роста – 80 см. Но вес солидный – 100 кг, из которых 80 кг приходится на его энергоблок – аккумулятор. Двигается резво: до 3 метров в секунду. Картину внешнего мира он воспринимает большим числом датчиков и ультразвуковым локатором. Язык не так уж беден – 200 слов.

А мозг? Он далеко. На вычислительном центре. «Язон» связан с ним по телефонному каналу.

– А помехи, которые так часто мешают нам говорить по телефону, не превратят «включить» в «выключить», «открыть» в «закрыть»?

– Тут выручат, как было показано, методы кодирования. Кроме того, по цепи обратной связи электронный мозг узнает, выполнил ли робот его команду. Неверно принятую команду может отменить и вновь повторить переданную.

– Я читал, что современные ЭВМ и роботы во многом базируются на идеях Ч. Бэббиджа. Кто он и что сделал?

– Это выдающийся английский математик прошлого столетия. Он придумал путь построения вычислительной машины, которая без участия человека решала бы сложные задачи. Идея его гениально проста. Надо, во-первых, сложную задачу расчленить на серию простых операций (которые уже тогда умели делать механические счетные машины). А во-вторых, строить вычислительные машины на новом принципе. Она должна состоять из четырех основных блоков. Первый блок он назвал «складом». Это регистратор и хранитель чисел. По современной терминологии – «память». Второй блок – «мельница». По терминологии Бэббиджа, она «перемалывает» числа, взятые из памяти. Сегодня – это блок, выполняющий арифметические и логические операции. Далее, самый ответственный – блок управления. Он задает последовательность всех операций, отправляет в память промежуточные результаты, подает их в нужное место и т.д. И наконец, устройство ввода и вывода данных.

Но как переносить числа из одного блока в другой? Это тоже решил Бэббидж. Транспортером должны быть... перфокарты. Не надо забывать, что все это было в середине прошлого века. Идея переноса информации с помощью электрических импульсов только зрела. Что такое перфокарта? Это память с бумажным носителем информации, но запись сделана не краской, а с помощью отверстий. Сегодня перфокарты и перфоленты широко используются для ввода и вывода информации в ЭВМ, для управления станками, телеграфными аппаратами.

Многие и не подозревают, что этот простой и удобный вид памяти родился в... ткацкой промышленности. Картонные карты с отверстиями впервые были применены для управления ткацкими станками во Франции. Это были первые станки с программным управлением. Ч. Бэббидж применил перфокарты для вычислительной техники. Он сделал много открытий и изобретений во многих областях, но «главным делом своей жизни» он считал вычислительные машины.

Около 50 лет он совершенствовал принципы их построения, конструировал элементы, строил макеты.

Идеи Ч. Бэббиджа настолько опережали свое время, что, конечно, не были полностью реализованы при его жизни.

Робот моей мечты

Приглашаю читателя сесть вместе с автором в машину... времени и отправиться в путешествие.

– Но ведь таких машин нет и, кажется, принципиально не может быть!

– Это распространенное заблуждение. Они есть! Такой «машиной» является мысль человека, его фантазия, его способность к мысленному эксперименту. В самом деле, ведь на этой машине люди то и дело снуют по оси времени и назад и вперед. На этой машине, например, люди проникли к временам, когда только зарождался разум. Есть даже удачные кинофильмы на эту тему. Смотришь, и кажется тебе, что ты не в душном кинозале, а там вместе с дриопитеками.

Итак, отправляемся в небольшую прогулку. Всего лишь в ближайшее к нам третье тысячелетие.

Цель прогулки скромна – купить домашнего робота. Вот и магазин – «РОБОТЫ: алгоритмы, обучение, настройка, продажа».

В вестибюле нас приветливо встретил робот. Вежливо преградил дорогу. Усадил в мягкие кресла и начал беседу.

Робот (Р). Для экономии вашего и нашего времени мне поручено вести предварительную беседу с покупателями. Я должен выяснить все виды деятельности, которые вы хотите поручить роботу. Позвольте задать ряд вопросов. Автор (А). Спрашивайте.

Р. Определите сферу деятельности робота: промышленность, космическое пространство, другие планеты, поверхностный слой или глубины морей и океанов, научно-исследовательские институты, транспорт, обучение и воспитание детей, обучение и воспитание взрослых, секретарь-домашняя хозяйка...

А. Вот это, последнее. Только вы сказали «хозяйка». Разве...

Р. Вас понял. Все наши роботы персонифицированны – имеют фамилию, имя, отчество – и даже... пол.

А. Разве они способны к размножению?

Р. Совсем нет. Этот признак только несколько видоизменит алгоритм работы: логика, упрямство, общительность, ловкость, сила, обидчивость, тщеславие.

А. У кого же сильней выражен последний признак?

Р. Конечно, у роботов-мужчин.

А. Кто же из них лучше для наших целей?

Р. Ответ может дать только совместная работа человека и робота. Ведь это древняя проблема людей – совместимость двух интеллектов, двух нервных систем.

А. Значит, надо покупать двух роботов?

Р. Нет. Есть последняя совмещенная модель. Поворотом ручки или по заданной вами программе можно переходить от режима «Ж» в «М», и наоборот.

А. А как же с персонификацией?

Р. Две фамилии, два имени, два отчества. Ведь нередко и в человеке появляется его альтер эго. В прошлом тысячелетии, например, таким двойником часто бывала неподкупная совесть, которая истязала человека за каждый его неблаговидный поступок.

А. Да, да. Это прекрасно обрисовал классик второго тысячелетия Федор Достоевский.

Р. Следующий вопрос. Какие виды секретарской деятельности робот должен выполнять?

А. Печатать под диктовку, перепечатывать текст, быть дополнительной памятью – запоминать все дела и напоминать о них, взять на себя большинство телефонных разговоров, помогать в работе по специальности – переводить статьи, быть картотекой всех публикаций в этой области...

Р. Назовите вашу специальность.

А. Системы передачи информации.

Р. Какие – технические или биологические?

А. Первые.

Р. Какое образование в области систем связи необходимо роботу: среднее или высшее?

А, Высшее.

Р. Понадобятся ли блоки обучения детей?

А. Обязательно. Обучение ребенка младшего школьного возраста языкам – английскому и японскому.

Р. Какой метод обучения: древний классический или игровой?

А. Конечно, второй.

Р. Есть ли возможность создать группу из двух-трех детей? Это резко повысит успехи.

А. Есть.

Р. Какие работы по дому должна выполнять «хозяйка»?

А. Побудка, уборка, приготовление пищи, «салонный разговор», для разрядки игра в шахматы, карты, танцы и игра в жмурки, ограничение числа часов, проводимых членами семьи у телевизора.

Р. Кто устанавливает нормы – вы или сам робот?

А. Это надо обсудить дома.

Р. Названный вами круг задач и ряд близких к ним может быть успешно решен нашими роботами. Теперь вы можете пройти в отдел алгоритмов для уточнения ряда деталей. Вот сводка ваших требований (он вынул ее откуда-то из боковой щели своего корпуса).

А. Сколько времени займет обучение робота по этим требованиям?

Р. В тысячу раз меньше, чем человека. Несколько дней.

А. Команды можно будет подавать голосом и письменно?

Р. Как угодно. Но вам придется всей семьей явиться сюда для настройки фильтров – анализаторов речи и фильтров – анализаторов почерка.

А. Это можно.

Р. Да, не забудьте дома обсудить и установить иерархию команд.

А. Не понимаю.

Р. Круг команд, который может подавать каждый из членов семьи, какую часть команд одного может отменять другой, и т.д.

А. Понял.

Р. Пожалуйста, сюда. Желаю успеха и хорошего душевного контакта с нашей гордостью, нашей последней моделью.

 

Где же сигналы из космоса? Сумма гипотез

Оглавление

 

Дата публикации:

4 августа 2001 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика