Θεωρία Συστημάτων Μαρία Καρύδα mka@aegean.gr ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 5η Διάλεξη: Αρχές Κυβερνητικής

Cybernetics ( Κυβερνητική) Ο όρος προέρχεται από την ελληνική λέξη «κυβερνήτης» και χρησιμοποιήθηκε αρχικά από το μαθηματικό Norbert Wiener (1894 – 1964) στο έργο του Cybernetics, or Control and Communication in the Animal and the Machine (1948). Αρχικός ορισμός: «Κυβερνητική ονομάζεται το πεδίο που ασχολείται με τη θεωρία του ελέγχου και της επικοινωνίας στις μηχανές και σε ζώντες οργανισμούς» ..πλέον εφαρμόζεται και στον άνθρωπο και την κοινωνία Οι ιδέες της Κυβερνητικής ενσωματώνουν επιρροές από προηγούμενη έρευνα σε αυτο-οδηγούμενες συσκευές (Self-regulating devices), μηχανισμούς ανατροφοδότησης(feedback mechanisms) και τη θεωρία πληροφορίας του Shannon.

Προέλευση Η κυβερνητική προέρχεται από την εξέλιξη της τεχνολογίας των αυτόματων μηχανισμών, των αυτοκατευθυνόμενων πυραύλων και των υπολογιστών και στηρίζεται στη σημασία που έχει για την απόδοση ενός συστήματος (π.χ. η ακρίβεια αντιαεροπορικού όπλου κατά κινούμενου στόχου) η ανατροφοδότηση της πληροφορίας. Στόχος της κυβερνητικής είναι η επίτευξη και η διατήρηση της τάξης σε ένα σύστημα (φυσικό ή τεχνικό). Η εισαγωγή πληροφορίας μειώνει την εντροπία, η οποία αντίστοιχα αυξάνει όταν ελαττώνεται η πληροφορία. Αντικείμενο της κυβερνητικής είναι κάθε «μορφή συμπεριφοράς η οποία μπορεί να αναπαραχθεί» (Ashby, 1972)

Κυβερνητική είναι.. η μελέτη της επικοινωνίας και του ελέγχου, η σε ζωντανούς οργανισμούς, μηχανές, οργανώσεις και συνδυασμούς τους. Η μελέτη αυτή είναι θεωρητική, και δε στηρίζεται απαραίτητα σε εμπειρικό πεδίο. Σε ιδέες της κυβερνητική βασίζονται τα ακόλουθα πεδία: Τεχνητή νοημοσύνη (artificial intelligence), πολύπλοκα συστήματα (complex systems) και θεωρία της πολυπλοκότητας (complexity theory), συστήματα στήριξης αποφάσεων (decision support systems), προσαρμοζόμενα συστήματα (adaptive systems), συστήματα ελέγχου (control systems), δυναμικά συστήματα (dynamical systems), επιχειρησιακή έρευνα (operations research), οργανισμοί που μαθαίνουν (learning organizations), προσομοίωση (simulation), και μηχανική των συστημάτων (systems engineering).

Η καινοτομία της κυβερνητικής Δημιούργησε επιστημονικό πεδίο με αντικείμενο την επίτευξη στόχων (teleological mechanisms): Κατανόηση του στόχου μέσω μηχανισμού ανατροφοδότησης με τον οποίο μειώνεται η απόσταση της επιθυμητής κατάστασης (στόχου) από την τρέχουσα. H Γ.Θ.Σ. περιλαμβάνει τις βασικές αρχές της Κυβερνητικής αλλά δεν ταυτίζεται με αυτή (είναι γενικότερη).

Κυβερνητική & Θεωρία Συστημάτων Εννοιολογικά η Θεωρία Συστημάτων είναι συγγενής με την Κυβερνητική, διότι η Γ.Θ.Σ. προσθέτει στις δύο βασικές έννοιες της Κυβερνητικής, που είναι ο έλεγχος και η επικοινωνία, τις εξής έννοιες: την ιδέα του ολισμού (Holism), την ιεραρχία (Hierarchy), και την έννοια της αναδυόμενης ιδιότητας (emergent property).

Βασικοί πυλώνες της Κυβερνητικής-1- Η έννοια της ποικιλίας: έχει πρωταρχικό ρόλο στις θεωρίες της πληροφορίας, της επικοινωνίας και του ελέγχου. Δίνει έμφαση στην πολλαπλότητα, στην ύπαρξη εναλλακτικών, επιλογών και διαφορών σε σχέση με την επιβολή μιας μοναδικής λύσης. Η έννοια της κυκλικότητας (Circularity) ή ανατροφοδότησης (feedback): εμφανίζεται αρχικά στις θεωρίες ανακύκλωσης των αιτιών (circular causation), έπειτα στις θεωρίες αναδρομής και επανάληψης (recursion and iteration) (κυρίως στην επιστήμη υπολογιστών) και πρόσφατα στα αυτοαναφορικά και αυτόνομα συστήματα (self-reference and autonomous systems) (παράδειγμα η θεωρία της αυτοποίησης), σε αντίθεση με την κλασική επιστημονική προσέγγιση που αποφεύγει τις αυτοαναφορικές ερμηνείες.

Βασικοί πυλώνες της Κυβερνητικής-2- Η έννοια της διαδικασίας (process): Συνδέεται με τις έννοιες της αλλαγής, της προσαρμογής, της εξέλιξης και της ανάπτυξης. Στο πλαίσιο της Κυβερνητικής, αυτές οι διαδικασίες ερμηνεύονται με όρους του ίδιου του συστήματος που τις διέρχεται, μέσω της διαδικασίας ανατροφοδότησης και του ελέγχου της συμπεριφοράς του συστήματος με στόχο την επίτευξη του σκοπού του ή κατάστασης ισορροπίας. Η Κυβερνητική εφαρμόζει στον εαυτό της τις θεωρίες της αυτοαναφοράς, και έχει αναπτύξει επιστημολογία για την ποιοτική μελέτη των συστημάτων συμπεριλαμβάνοντας τον παρατηρητή – μελετητή τους (second-order cybernetics), σε αντίθεση με την προσέγγιση όπου τα συστήματα μελετώνται «απ’έξω» (first-order cybernetics).

Εξέλιξη της κυβερνητικής σκέψης* Κυβερνητική 1ης τάξης Μηχανικά Συστήματα Κυβερνητική 2ης τάξης Βιολογικά Συστήματα Κυβερνητική 3ης τάξης Κοινωνικά Συστήματα Επιστημολογία Ρεαλιστική αντίληψη (η γνώση είναι εικόνα της πραγματικότητας) Βιολογική αντίληψη (Έμφαση στον τρόπο που λειτουργεί ο εγκέφαλος) Πραγματιστική αντίληψη (Η γνώση υποστηρίζει τους ανθρώπινους σκοπούς) Σκοπός Δημιουργία θεωριών που συμφωνούν με την πραγματικότητα Ένταξη του παρατηρητή στο πλαίσιο των επιστημονικών θεωριών Διερεύνηση της σχέσης φυσικών και ανθρωπιστικών επιστημών Ερμηνεία Πώς λειτουργεί ο κόσμος. Πώς ο άνθρωπος «κατασκευάζει την πραγματικότητα» Πώς οι άνθρωποι συγκροτούν κοινωνικά συστήματα με τη χρήση ιδεών και γλώσσας Παραδοχές Οι φυσικές διαδικασίες μπορούν να περιγραφούν και να ερμηνευθούν από επιστημονικές θεωρίες Οι αντιλήψεις για τη γνώση μπορούν να αναχθούν στη νευρο-φυσιολογία Οι ιδέες είναι αποδεκτές στο βαθμό που εξυπηρετούν τους σκοπούς του παρατηρητή που είναι κοιν. συμμέτοχος Συνέπειες Η επιστημονική γνώση μπορεί να αξιοποιηθεί για να μεταβάλλει τις φυσικές διεργασίες προς όφελος του ανθρώπου Εάν δεχτούμε τη λογική του εποικοδομισμού θα γίνουμε πιο ανεκτικοί με τους άλλους. Αλληλεπίδραση κοιν. θεωριών και φαινομένων. Κοιν. αλλαγή αλλάζοντας συστήματα ιδεών.

Χαρακτηριστικά ενός κυβερνητικού μοντέλου Αναδυόμενες ιδιότητες Σχέσεις ιεραρχίας Επικοινωνία μεταξύ των στοιχείων του συστήματος Λειτουργία ελέγχου για το μετασχηματισμό και την αναδιάταξη των στοιχείων του συστήματος.

Υποσύστημα ελέγχου Ο έλεγχος επιτυγχάνεται από ειδικά υποσυστήματα και έχει στόχο να διατηρήσει συγκεκριμένες μεταβλητές του συστήματος εντός προκαθορισμένων ορίων π.χ. καλοριφέρ (υποσύστημα ελέγχου: θερμοστάτης). Τα υποσυστήματα ελέγχου έχουν τέσσερα βασικά στοιχεία (που και αυτά είναι υποσυστήματα): Control object: Μεταβλητές του συστήματος Detector: Παρακολουθεί το ‘control object’ Comparator: Συγκρίνει με βάση κάποιο πρότυπο Effector: Ενεργεί για να επαναφέρει το σύστημα Παραδείγματα: Αυτόματος πιλότος Κυβερνήτης ιστιοφόρου

Αρχές ελέγχου 1η Αρχή Ελέγχου: Για να επιτύχει το σύστημα ελέγχου πρέπει: (α) να συγκρίνει συνέχεια και αυτομάτως τα συμπεριφορικά χαρακτηριστικά του συστήματος με ένα συγκεκριμένο πρότυπο και (β) να υπάρχει συνεχής και αυτόματη διορθωτική δράση (feedback, corrective action)

Μηχανισμός Ελέγχου (Feedback) είσοδος επεξεργασία έξοδος Σύγκριση/διόρθωση ανιχνευτής πρότυπα Σύστημα

Κυβερνητική και Θεωρία Πληροφορίας 2η Αρχή Ελέγχου: Ο έλεγχος είναι συνώνυμος με την επικοινωνία. Claude Shannon (Shannon and Weaver, 1949), η Εντροπία ως μέτρο της πληροφορίας 3η Αρχή Ελέγχου: «..variables are brought back into control in the act of and by the act of going out of control»

Μηχανισμοί Ανατροφοδότησης (Feedback mechanisms) Τα δεδομένα ελέγχου ενισχύουν τη συμπεριφορά του συστήματος προς την ίδια κατεύθυνση Αρνητικό feedback: Τα δεδομένα ελέγχου κατευθύνουν τη συμπεριφορά του συστήματος προς την αντίθετη κατεύθυνση

Παραδείγματα θετικού feedback Οδηγεί σε ‘διόγκωση’ του συστήματος (φαινόμενο χιονοστιβάδας)

Παράδειγμα αρνητικού feedback Οδηγεί σε κατάσταση ισορροπίας και επίτευξη στόχου

Παράδειγμα εφαρμογής: Έλεγχος οχημάτων και robot Έλεγχος της ταχύτητας αυτοκινήτου από τον οδηγό. Έλεγχος της κίνησης ρομποτικού βραχίονα από τον χειριστή. Πηγή:http://www.reading.ac.uk

Παράδειγμα εφαρμογής: Έλεγχος θερμοκρασίας Έλεγχος θερμοκρασίας συστήματος κεντρικής θέρμανσης Έλεγχος θερμοκρασίας ανθρώπινου οργανισμού Πηγή:http://www.reading.ac.uk

Ο μηχανισμός ελέγχου ως μηχανισμός μάθησης Η μάθηση αποτελεί διαδικασία ελέγχου (ανατροφοδότησης -feedback), καθώς μαθαίνουμε μέσα από μια συνεχή διαδικασία δοκιμών και προσαρμόζουμε ανάλογα τη δράση μας. Με τον ίδιο τρόπο ‘εκπαιδεύουμε’ robot να κινούνται ή να εκτελούν δραστηριότητες Πηγή:http://www.reading.ac.uk

Τεχνητή νοημοσύνη Τα νευρωνικά δίκτυα προσομοιάζουν τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου Πηγή:http://www.reading.ac.uk

Εικονική πραγματικότητα και διεπαφή ανθρώπου-υπολογιστή (HCI) Πηγή:http://www.reading.ac.uk

Τι συμβαίνει όταν δεν υπάρχει σύστημα ελέγχου; Blind control Τι συμβαίνει όταν ένας οδηγός κοιμάται στο τιμόνι; Όταν βάζουμε το φαγητό στο φούρνο;

Ερώτημα για συζήτηση Με βάση τις αρχές της κυβερνητικής, τι δεν πάει καλά στο ‘σύστημα διδασκαλίας’ που εφαρμόζουμε στο πανεπιστήμιο;

Αυτοποίηση Απαντάει στο ερώτημα: «Ποιο είναι το χαρακτηριστικό (χαρακτηριστική οργάνωση) των ζωντανών συστημάτων;» Αυτοποίηση ονομάζεται η διαδικασία μέσα από την οποία ένας οργανισμός παράγει τον εαυτό του (π.χ ένα κύτταρο). Ο όρος και η θεωρία της αυτοποίησης δημιουργήθηκαν από τους Χιλιανούς βιολόγους Francisco Varela and Humberto Maturana το 1973 Το αντίθετο της αυτοποίησης είναι η ‘αλλοποίηση’. Παράδειγμα αλλοποιητικού συστήματος: Ένα εργοστάσιο χρησιμοποιεί πρώτες ύλες για να παράγει προϊόντα (π.χ. υφάσματα) και όχι τον εαυτό του.

Αυτοποιητικά συστήματα Τα ζωντανά συστήματα διατηρούν την ταυτότητά τους λόγω της διατήρησης των σχέσεων μεταξύ των στοιχείων τους. Η ικανότητα των συστημάτων να ανα-δημιουργούν συνεχώς τον εαυτό τους ονομάζεται αυτοποίηση. Τα αυτοποιητικά συστήματα χαρακτηρίζονται από την ύπαρξη στόχου.

Αυτοποίηση & Αναπαραγωγή Η αναπαραγωγή αναφέρεται στο είδος διεργασιών που για να πραγματοποιηθούν χρειάζονται δύο οργανισμούς (π.χ. μητέρα, πατέρα). Η αυτοποίηση είναι μια διαδικασία εσωτερική σε κάθε άτομο (π.χ. διαίρεση των κυττάρων).

Ορισμός αυτοποιητικού συστήματος «Μια αυτοποιητική μηχανή είναι οργανωμένη (ενιαία ολότητα) ως ένα δίκτυο λειτουργιών παραγωγής (μετασχηματισμού και καταστροφής) των στοιχείων που παράγουν στοιχεία τα οποία: (Maturana, 1980, pp. 78-79) : μέσω της αλληλεπίδρασης και των μετασχηματισμών συνεχώς αναγεννούν και δημιουργούν το δίκτυο των λειτουργιών που της παράγει, και καθιστούν τη μηχανή ως συμπαγή ολότητα στο χώρο όπου τα στοιχεία υπάρχουν, ορίζοντας τον τοπολογικό χώρο της υλοποίησης του δικτύου αυτού”

Θεωρία Aυτοποίησης: η έννοια της κλειστότητας ‘Κλειστότητα’ (closure) συστημάτων: όλα τα λειτουργικά χαρακτηριστικά αναφέρονται αποκλειστικά στο εσωτερικό του συστήματος – Αυτονομία Λειτουργική κλειστότητα ('operational closure‘) και οργανωσιακή κλειστότητα ('organizational closure’): Τα συστήματα καθορίζονται από τη δομή τους, ενώ η συμπεριφορά τους δεν ανήκει στο εσωτερικό του συστήματος αλλά είναι στοιχείο που αποδίδεται σε αυτό από τον παρατηρητή.

Θεωρία Aυτοποίησης: η έννοια της δομικής συνάφειας Δομική συνάφεια (Structural coupling): Τα αυτοποιητικά συστήματα διατηρούν ταυτόχρονα απόλυτη λειτουργική αυτοδυναμία αλλά και σχέση αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον τους (και τα άλλα συστήματα). Το σύστημα δε διαμορφώνεται υπό την επίδραση του περιβάλλοντός του, αλλά το περιβάλλον και το σύστημα συνδιαμορφώνονται μέσα από την αλληλεπίδραση. Η λειτουργία του συστήματος καθορίζεται από τη δομή του. Έτσι η δομή του συστήματος καθορίζει τις αλλαγές που θα συντελεστούν σε αυτό ως αποτέλεσμα της επίδρασης του περιβάλλοντος και ποιες από τις επιδράσεις του περιβάλλοντος ‘αντιλαμβάνεται’ το σύστημα. ‘Ετσι διαμορφώνεται η ‘αντίληψη’ του συστήματος σε σχέση με το περιβάλλον του. Συνέπειες: η ανάπτυξη γλώσσας οφείλεται σε αυτό το μηχανισμό συντονισμού της συμπεριφοράς συστήματος – περιβάλλοντος μέσω της αμοιβαίας και αναδρομικής δομικής αλλαγής τους.

Επιδράσεις - Eφαρμογές της Θεωρίας Αυτοποίησης Φιλοσοφία της γλώσσας Κοινωνιολογία Τεχνητή νοημοσύνη Ρομποτική