2020-07-01 , 867 , 0 , 155
控制论
1948年,维纳的《控制论:或关于在动物和机器中控制和通信的科学》[2]出版,标志着这个跨学科方向正式诞生。
维纳在序言中回忆,其基本思想是在1943年那篇文章提出的,但缺乏一个概念来表述,直到1947年夏天,他才想出“控制论”(Cybernetics)这个词来表征这个领域,其希腊文原意是“掌舵人”,维纳希望以此来纪念有关反馈的第一篇文章,即物理学家麦克斯韦(James C. Maxwell)在1868年发表的一篇关于调速器的论文。
当时,瓦特(James Watt)发明的离心式调速器已经被大规模应用,这种装置采用闭合环路,将输出信息反馈到输入端,以调节和控制系统,但很多这种装置出现剧烈振荡,寻找故障原因成为了当时的重大理论问题。
麦克斯韦的这篇文章从数学上证明了一个反馈控制系统在平衡点附近的行为可以用一个线性微分方程近似,开辟了系统稳定性研究这一方向。
从瓦特、麦克斯韦到二战结束,有关反馈的工程实践和理论研究已经广泛展开,控制、稳定、计算等词已经出现在工程师的辞典中。
同时,生物系统内存在的信息传递和调节控制过程则成为生命科学的中心问题,反射、调节、稳态成为神经生理学家的常用术语,神经科学家用兴奋和抑制描述神经系统,行为心理学将人与动物的行为视为刺激-反应过程,协调心理学把调节视为生命系统内部及与外部相互作用的核心,所有这些都为控制论的提出准备了强大的思想基础[4]。
梅西会议的历史功绩是在恰当的时间为这些思想的汇聚激荡提供了一个场所。
除反馈外,控制论的另一个核心思想是“通信在宇宙中的普遍作用”,即控制必然涉及到信息交换,反馈则意味着多轮信息交换,也因此,《控制论》这本书的副标题确定为“或关于在动物和机器中控制和通信的科学”。
当然,控制论不是信息论,它是从理论上研究一切控制系统的信息传输和处理的特点和规律,研究用不同的控制方式达到不同的控制目的,而不关心信息本身是如何传递和处理的。控制论也不关心系统结构,而是关心系统行为,内部无从得知不重要,重要的是输入输出之间的关系。
控制论意义下的动物和机器无本质区别,维纳倾向于将机器拟人化:“很久以来我就明白,现代超速计算机在原理上就是自动控制装置的理想的中枢神经系统;
并且它的输入输出不是必须采用数字和图的形式,也可以分别利用像光电池和温度计这样的人造感觉器官的读数,以及马达或螺线管的运动情况。
利用应力计或类似的仪器读出这些运动器官的运动情况,并把它当作人造的运动感觉去报告,去‘反馈’给中枢神经系统,这样我们就能制造出具有几乎是任何精巧程度的性能的人工机器了。”
1948年12月的《纽约时报》声称[5]:“大脑的行为和机器十分类似,构建和操作越来越复杂的机器将帮助科学家理解大脑本身是如何运作的,没有理由阻止控制论适用于所有的复杂系统。”
同态调节器
1949年1月12日,《纽约时报》再次刊发对《控制论》的狂热评论。
当月的《时代》杂志不甘落后,宣布世界上第一台“思考机器”已经研制成功[6],只不过是在英格兰西部巴恩伍德的一家精神病院里,发明者罗斯·阿什比(W. Rose Ashby,1903—1972)声称他的机器是“迄今为止人类所设计出的最接近人工大脑的事物”。
这台机器的名字叫做“同态调节器”(homeostat)。“用4个英国皇家空军二战剩余的炸弹控制开关齿轮装置为底座,并套有4个立方铝盒”。4个铝盒顶部的4个小磁针是这台机器唯一可见的运动部件,像指南针一样在小水槽内摆动。
机器的设计目的是使4个磁针保持在中心位置,这个状态称为机器的“舒适”状态。机器内部用到了磁力驱动电位器、电线、阀门、开关等,阿什比尝试了各种让机器“不舒适”的方法,例如颠倒电线连接的极性、颠倒磁针方向等等,但机器总能找到适应新状态的方法,并重新将磁针摇摆到中心位置,按阿什比的说法:机器“主动地”抵御了任何扰乱其平衡的尝试,进行“协同活动”以重新获得平衡。
UfqiLong
阿什比设计这台机器花费了15年,又花费了2年进行制造,为什么如此执着?其实看看他的职业就明白了——他是精神疗养院的首席研究员,设计这台机器的目的是解释有机体如何保持自我平衡,以维持体温、血压、血糖等处于平衡状态。
同态调节器的自适应特性源于负反馈机制,阿什比坚信,“任何机器,不管多么了无生机,都可以用负反馈来展现其生命特征”。有机体实现这个目标,并不是靠大脑“运筹帷幄”,“大脑不是一台思考机器,而是一台执行机器”,“它获得某些信息并据此做出相关行为”,以使有机体“与环境适应”。
1952年,阿什比受邀参加了第九次梅西会议,毕格罗和皮茨拼命质问同态调节器到底是如何实现学习的,阿什比没有正面回答,而是强调他的机器适应了环境,这就是学习。
同年出版的《大脑的设计》[7]中,阿什比对于同态调节器如何实现学习的回答更为经典:同态调节器具有“目标-寻找”行为,但是没有具体目标,它的行为只是为了适应环境,大脑也是如此。
大脑和它所要适应的环境是一个整体,毕格罗那样的工程师想当然地把大脑与环境截然分开,追问学习模型,前提就是错的。
维纳很赞赏阿什比的观点,“我认为阿什比关于没有意图的随机机制通过学习过程寻找其意图的远见卓识,不仅是当今最伟大的哲学贡献之一,也会在自动化任务中引发极为有用的科技发展。”
因为需要引用阿什比的工作,维纳专门修改再版了自己的畅销书《人有人的用处——控制论与社会》[8]。
伯特兰·罗素(Bertrand Russell)深以为然,特发评论“人类还有必要存在吗?”
1956年,阿什比出版《控制论导论》[9],对控制论这个学科进行了更具一般性的总结和发展,明确提出控制论“本质上是关于机器的功能和行为”,“控制论将‘所有可能的机器’视为自己的研究题材”,正如几何学将所有可能的形状作为研究题材,而不是特定的圆球或方块。
🔗 连载目录
🤖 智能推荐