книги из ГПНТБ / Теплов Л. Очерки о кибернетике

цу и надувает ее, отчего мышца утолщается и сокращается, производя движение.

Декарт был прав в описании структурной схемы и, конечно, неправ, когда пытался представить, как работают элементы этой схемы.

Декарт открыл рефлекс, рефлекторную дугу, и эту заслугу не мо­ гут умалить вымышленные им «нервные шнуры», «клапаны» и «газ». До Павлова, создавшего учение об условных, временных рефлексах, вся наука о нервной деятельности складывалась вокруг декартова понятия о рефлексе. Фактически Декарт пользовался методом кибернетики, так как вместо реальной, но непонятной, невоспроизводимой известными ему техническими средствами нервной системы он описывал изоморфную ей пневматическую и механическую систему, которая действует — вернее, должна действовать—-так же, как рефлекторная дуга в организме. Те, кто впоследствии на препаратах живых тканей показал, что в нервах нет «шнуров», не прояснили для нас роль нервов в управлении орга­ низмом.

К мысленному кибернетическому моделированию прибегал и Пав­ лов, неоднократно сравнивавший деятельность нервной системы с рабо­ той автоматической телефонной станции, где налаживаются и разры­ ваются временные связи между рефлекторными дугами. Превосходно зная анатомию, Павлов не считал, что в мозгу где-то скрыты контакты, храповики и электромагниты. Он говорил, что телефонная станция дей­ ствует аналогично нервной системе, «приблизительно» так же. О глуби­ не аналогии и о степени этого приближения затем велись бесконечные споры. Между тем следовало бы построить (или хотя бы спроектировать) телефонную станцию для такого числа связей, какое имеется, например, у крысы или собаки, и посмотреть, будет ли эта станция делать то же самое, что их мозг. Если да — приближение очень хорошее, как говорят, «с точностью до изоморфизма», если нет — аналогия нуждается в суще­ ственных уточнениях.

Но на пути к решающему эксперименту лежало ложное представле­ ние, что никакие сочетания телефонных устройств не могут «по-настоя­ щему» воспроизвести работу нервной ткани, так как они имеют другую физическую природу. Только инженеры и техники чисто практически доказали возможность изоморфных (функционально тождественных) за­ мен в сигнальных системах. Действительно, раз какой-то шнур должен передать движение к клапану, то работа системы существенно не изме­ нится, если мы подберем вместо шнура другую передачу: гибкий вал, рычаг, зубчатку, электрический или гидравлический привод.

Поэтому при проектировании сигнальных систем, которые могут по­ надобиться для экспериментов, уточняющих теорию, или для практиче­ ских надобностей, можно пользоваться условными связями и «кубика­ ми», не уточняя их физическую природу и устройство. Один «кубик» можно затем осуществить средствами механики, а другой — средствами пневматики или электронной техники. Если при этом согласованы ско­ рости срабатывания и передаваемые мощности, то конечный результат

преобразования сигналов не изменится. Действительно, в исходной по­ следовательности знаков 214 или конечной 16 384 из математического действия

214 = 16 384

совершенно невозможно найти следы способа, каким оно выполнялось: «в уме», на механическом арифмометре или на электронной вычисли­ тельной машине.

Какие же элементы применяются обычно в схемах сигнальных сис­ тем? Прежде всего, связь (канал связи), которая обеспечивает переда­ чу сигналов из одной точки пространства в другую без существенного изменения их природы, формы, последовательности и времени появле­ ния. Затем, задержка (память), которая выдает поступившие в нее сиг­ налы с явным запаздыванием, многократно, а иногда по специальному пусковому сигналу. Третий необходимый элемент — усилитель (реле или линейный усилитель), не изменяя последовательности и формы сигна­ лов, увеличивает их мощность или удельное усилие.

Кроме того, в сигнальных системах часто встречаются фильтры ^кла­ паны и др.), которые из множества поступающих сигналов выделяют та­ кие, которые предусмотрены характеристикой (свойством) фильтра. Устройства, преобразующие сигналы одной физической природы (звук, свет, механическое движение) в сигналы другой природы (например, в электрический ток или потенциал), называют обычно датчиками. Эле­ ментами бывают также различные преобразователи, где входные и вы­ ходные последовательности сигналов резко отличаются друг от друга формой, порядком и т. п. Всякая кибернетическая система в целом мо­ жет быть рассмотрена и использована, как преобразователь — элемент схемы более высокого класса.

Так, в медицинском (максимальном) ртутном термометре баллончик с ртутью служит датчиком, превращающим колебания температуры те­ ла в изменения объема ртути. Выше баллончика расположен «фильтр»— клапан, передающий на столбик только такие изменения объема, кото­ рые превышают ранее достигнутый высший уровень. Поэтому столбик ртути является задержкой — он «запоминает» наибольшую температу­ ру. Сигналы — изменения уровня ртути — усиливаются и становятся за­ метными благодаря тому, что капиллярная трубка имеет меньшее сече­ ние, чем баллон. Шкала термометра преобразует непрерывные измене­ ния высоты столбика в дискретные числа градусов и их десятых долей. Можно построить не гидравлический, как ртутный, а электрический или иной термометр, но функциональная схема его, его «кубики» останутся в общем неизменными.

Наиболее богатым источником разного рода элементов для сигналь­ ных систем оказалась техника связи.

С древнейших времен люди умственно развивались постольку, по­ скольку развивался их язык, речь. Но нередко при согласовании своих действий они не могли ограничиться применением звукового языка. Этот код существует только тогда, когда человек, выдающий информацию (по­

210

просту—-рассказывающий), и человек, воспринимающий информацию (слушающий), находятся рядом в одном и том же месте и в одно время: действие слов резко ограничено во времени и пространстве. Если сообще­ ние надо было передать на далекое расстояние или оставить сородичам, отсутствующим в данное время, то прибегали к условным кодам. Это были дымы костров, удары барабанов, знаки, вырезанные на дереве, вы­ царапанные на камне, листьях, нарисованные краской на тканях, и тому подобные сигналы. Только самые элементарные из них — рисунки — мо­ жет понять каждый, Чтобы понять, что означают три дыма, появившиеся на горизонте, надо заранее уговориться, что могут означать любые ком­ бинации дымов, — создать неопределенность, которую ликвидирует со­ держание кода. Можно, например, условиться, что один дым—это сиг­ нал, означающий «приходите на пиршество!», два дыма — «зовем вас на помощь!», три — «спасайтесь, идет сильный враг!», так что перекодирова­ ние языка могло добавить большое содержание к коду объемом менее чем в 2 бита.

Письмо и за ним почта (передача письменных сообщений) ввели за­ держку звукового языка. Почта немногим обогатила технику связи, рав­ но как и оптический телеграф — «семафор». Только освоение электриче­ ских устройств послужило началом технической революции в области связи. Комбинации слабых электрических сигналов недоступны восприя­ тию чувствами человека, и перед инженерами возникла задача создания датчиков информации на обоих концах линии: один из них (передат­ чик) должен был преобразовывать информацию из любого традицион­ ного кода в комбинации электрических импульсов, а второй (прием­ ник) — выполнять обратное преобразование в традиционный код.

Первое практическое применение электричество получило в ионном процессе осаждения металлов — гальванопластике, открытой русским академиком Б. С. Якоби. Первый телеграф Земмеринга, предложенный в 1809 г. и совершенно непрактичный, был снабжен ионным приемником, обнаруживавшим электрический ток по разложению воды на водород и кислород.

Впоследствии более широкое практическое применение получили другие действия электрического тока — магнитное и тепловое. Провод­ ники и изоляторы стали основными электротехническими материалами, а размыкание и замыкание тока, обычно выполняемые вручную,—глав­ ными способами управления электрическими процессами.

В 1843 г. появился первый практичный телеграф, созданный аме­ риканским художником Самуэлем Морзе на основе электромагнетизма. Передатчиком для него служил простой контакт — ключ, а приемником— электромагнит с пишущим колесиком, оставляющим на бумажной лен­ те черточки: короткие— при импульсе малой длины и длинные — при более продолжительных включениях тока. Фактически все изобретение Морзе основывалось на применении кода, близкого к двоичному; разни­ ца была только в том, что для разделения букв Морзе оставил длинные промежутки — третью составляющую кода.

В телеграфе Самуэля Морзе использован код, близкий к двоичному. Он позволил передавать информацию на дальние расстояния и запоминать ее с помощью знаков на бумажной ленте.

Морзе пришел к выводу о необходимости учитывать статистическую природу передаваемых сообщений при кодировании, в частности повто­ ряемость букв. Для наиболее часто встречающихся букв он ввел наибо­ лее короткие комбинации точек и тире, для редких букв — длинные.

Современные исследования, выполненные на основе теории инфор­ мации, показали, что соответствие кодовых комбинаций буквам у Морзе очень удачно и он почти исчерпал эту возможность повышения содер­

жательности сообщений.

Содержательный и в общем защищенный от помех код Морзе ока­ зался, однако, недостаточным для того, чтобы противостоять помехам при связи на большие расстояния. И тогда на помощь ему пришел очень простой, но и очень важный прибор — реле.

Это французское слово в старину обозначало станцию, где выпряга­ ли уставших почтовых лошадей и впрягали свежих, уже отдохнувших и накормленных. Именно «реле» позволяли почте тех времен сравнитель­ но быстро, без потерь времени на отдых и кормежку лошадей, доносить письменные сигналы до места назначения.

212

И в телеграфе, когда вследствие потерь на линии посылка тока, не­ сущая сигнал, ослабевает, ее принимают на электромагнит нового реле, который включает цепь местной батареи и посылает дальше по линии усиленный, обновленный сигнал.

Электромагнитное реле было использовано, как экстремальный сиг­ нальный прибор, предназначенный для повышения помехоустойчивости дискретных сигналов при передаче. Скачкообразная характеристика, имеющая только два состояния: «включено—выключено», приблизила его по свойствам к нейрону.

В дальнейшем реле стало основным прибором для автоматизации электрических устройств, так как при помощи его удалось впервые осу­ ществить управление током посредством самого тока. Установка одного или нескольких реле в цепях все возрастающей силы позволила свести первую посылку тока к слабому сигналу, получить на выходе любую силу, направляемую этим сигналом.

Усилители, плавно изменяющие силу тока в управляемой цепи, ни­ когда не имели такого значения в автоматике, как экстремальные — «двоичные» — реле.

Двоичное электромеханическое реле появилось сначала в телеграфии, а затем стало важнейшим элементом промышленной автоматики. Здесь слабый ток замыкает цепь сильного; в процесс передачи информации подключаются новые порции энергии.

213

Другим важным событием в развитии телеграфии было создание автоматических телеграфных передатчиков с программным управлением, разработанных впервые Уитстоном. Перёдатчики, устроенные по этому принципу,— трансмиттеры — работают от перфорированной бумажной ленты, коды на которую предварительно наносятся вручную при помо­ щи перфораторов. Это позволяет пропускать сигналы со скоростями, недостижимыми при ручной подаче сигналов, лучше и равномернее использовать пропускную способность линии связи, т. е. согласовать ее частотную характеристику с характеристикой передаваемого сооб­ щения.

Еще существеннее значение перекодирующих устройств, созданных для превращения обычных, традиционных кодов в телеграфные и об­ ратно. Азбука Морзе при всех ее достоинствах все-таки была искусствен­ ным кодом, для передачи и чтения которого требовались обученные опе­ раторы, неизбежно вносящие свои личные помехи в передачу. Телегра­ фист мог исказить слово, потому что он «не так его понял», вместо точ­ ки прочел тире, а также по другим причинам. Начиная с первого букво­ печатающего телеграфного аппарата, предложенного в 1850 г. русским академиком Б. С. Якоби, можно проследить, как постепенно совершен­ ствовалась конструкция пишущей машинки, управляемой по проводам или передающей сигналы кода на дальние расстояния. Это и был т е л е ­ тайп, превращающий без всякого участия человека буквенный код, при­ вычный для всякого грамотного человека, в присвоенные каждой бук­ ве комбинации электрических сигналов и затем комбинации сигна­ лов — обратно в буквы.

Инженер Бодо, автор распространенной конструкции телетайпа, со­ ставил код, где каждой букве алфавита было присвоено сочетание пяти посылок положительного или отрицательного электричества для приве­ дения в действие телетайпов. Код Бодо — это настоящий двоичный код для буквенной записи, в нем каждой букве соответствует сочетание ну­ лей и единиц:

А — 10000

Б— 00110

В— 01101 Г — 01010

Д — 11110 и т. д.

Незаметно прошло в истории связи изобретение француженки Эли­ зы Гре —телеавтограф, при помощи которого в непрерывный электриче­ ский код преобразуются движения рисующей и пишущей руки. В основу его положено разложение движения всякой точки (в данном случае кон­ чика карандаша), перемещающейся по двухмерной плоскости, на два составляющих движения. Будучи приложены к ползунам двух реоста­ тов, они изменяют силу тока в двух параллельных цепях, а в двух элек­ тромагнитах приемника преобразуются в сложное движение пишущего стержня. Телеавтограф мог передать не только буквы со всеми особен­

214

ностями почерка, но и любые штриховые рисунки, умещающиеся на ширине телеграфной ленты. Этот вид телеграфа не мог конкурировать с обычной «морзянкой» или буквенными кодами, так как в силу непре­ рывности кода он не поддавался релейной защите и требовал значитель­ ного времени на передачу сообщений.

Но для оценки возможностей кодирования телеавтограф имеет су­ щественное значение, так как он наглядно доказал возможность и даже некоторую практическую применимость кодирования очень сложных со­ общений сравнительно простым способом.

Действительно, целый пейзаж, хитроумный росчерк или профиль красавицы в двух каналах телеавтографа однозначно разлагаются на два ряда пилообразных колебаний электрического тока, и эти колебания сохраняют все элементы чувства и «артистизма», если, конечно, они при­ сутствовали в исходном изображении.

Появление телеавтографа было связано с потребностью передавать изображения по электрическим каналам. Мы уже знаем, что изображе­ ния — это двухмерные коды, и в принципе они перекодируются в лю-

«Изобразительный телеграф» Баквелла был способен развернуть по спирали двухмер­ ное сообщение в одномерное, передать его на расстояние, а затем восстановить его

зпрежнем виде. Изображение наносили на металлический барабан изолирующим

лаком и ощупывали контактом.

215

бой одномерный код, даже в двоичный. Но как это сделать практи­ чески?

Сочетание двух простых движений — вращательного и поступатель­ ного вдоль оси вращения — дает винтовую линию, в которой разверты­ вается поверхность цилиндра. Это явление использовал английский ин­ женер Баквелл, построивший в 1848 г. телеграф для передачи изображе­ ний.

Аппарат Баквелла состоял из двух основных частей: цилиндра, на котором по изолирующему лаку нацарапывали изображение, и скользя­ щего контакта, который перемещался вдоль оси цилиндра, касаясь его' поверхности. На цилиндре приемного аппарата был навернут лист бума­ ги, покрытый электролитом (раствором железосинеродистого калия), темнеющим под действием тока. Посылки тока соответствовали моменту, когда контакт передатчика попадал на процарапанные места; в соответ­ ствующем месте бумаги на приемнике появлялся черный след. Ряд не­ удобств: подверженность помехам, невозможность передавать тоновые изображения, необходимость перерисовки изображения на лак, слож­ ность сохранения полной синхронности движений в передатчике и при­ емнике — все это помешало широкому распространению аппарата Бак­ велла.

Десять лет спустя итальянский аббат Казелли настолько усовершен­ ствовал принцип Баквелла, что построенная им аппаратура смогла прак­ тически действовать на линиях для передачи изображений на расстоя­ ние. В 1860 г. стала работать линия Париж — Лион, а в 1867 г. — линия Петербург — Москва.

В начале XX века предпринимались многочисленные попытки усо­ вершенствовать развертывающую часть передатчика изображений (что­ бы избежать ручной перерисовки их). К тому времени было установле­ но, что хромированная желатина, на которую спроектировано изображе­ ние, задубливается в засвеченных местах и остается растворимой в ме­ стах, не подвергавшихся действию света. Промытое в воде изображение на желатине превращается в рельеф, где выступы соответствуют зате­ ненным частям изображения (желатина здесь набухает), а задубившиеся и ненабухшие места — освещенным местам. Оставалось преобразовать рельеф в изменения силы тока в канале связи. Для этого использовались разные датчики. Белин установил иглу на коробке с угольным порош­ ком, меняющим сопротивление при давлении на него. Карбоннель про­ пускал ток прямо через слой желатины, и в ненабухших местах, где про­ водящие частицы хрома были близки друг к другу, сопротивление сни­ жалось. Мертц добавлял в желатину железный порошок и пропускал полученную массу над электромагнитом; тогда в обмотке, расположен­ ной над желатиной, индуцировались сигналы, соответствующие толщи­ не слоя желатины. Но все эти способы оказались практически малопри­ годными. До появления фотоэлемента, о котором речь пойдет дальше, техника передачи изображений по каналам связи была развита очень слабо.

216

Еще раньше велись поиски конструкции перекодировщиков звука в частности человеческой речи. Трудно было представить практическое применение «говорящей машины», которая, например, выговаривает сло­ во «со-ба-ка» при нажатии на соответствующие буквенные клавиши. И тем не менее с XVIII века многие талантливые механики пытались эту машину построить. Ими руководил, как бы мы сейчас сказали, чисто «кибернетический» интерес, они верили, что машина может говорить, как они сами. В 1779 г. появилась говорящая машина Кратценштейна, похожая по устройству на глотку человека, а в 1841 г. машина Фабера, управляемая 14 клавишами, уже высказывалась на разные темы, вызывая восхищение слушателей. Позже специальный интерес изобретателей к воспроизведению речи угас, так как открылась воз­ можность записывать и воспроизводить любые комбинации слышимых: звуков.

Известный физик Т. Юнг в 1807 г. впервые «записал звук», т. е. за­ печатлел его пилообразными бороздками на мягком материале, но не смог осуществить обратного преобразования. Это сделал в 1877 г. великий' изобретатель Томас-Альва Эдисон (1847—1931). С эдисоновского фоно­ графа началось развитие тонкой, разнообразной техники звукозаписи, хотя «говорящая машина» получилась совсем не такая, как ее представ­ ляли первые изобретатели, и нисколько не походила на речевые органы человека.

Кстати, эта универсальность звуковоспроизведения сейчас нам да­ леко не всегда выгодна. Чем больше у машины возможностей, чем выше величина ее неопределенности, тем больше для нее нужно информации. «Искусственную глотку», как ее представляли Кратценштейн и Фабер, проще подключить к линии дальней телеграфной связи, к читающей уста-

X

217

тювке, машине-переводчику или контрольному устройству, докладываю­ щему о неисправностях любой машины. Это может дать большую эконо­ мию средств и повысит помехоустойчивость системы.

Однако в XIX веке на смену «говорящим машинам» пришли и бы­ стро завоевали общее признание микрофон и телефон — датчики, превра­ щающие любые звуки в электрические коды и обратно.

Один из первых изобретателей телефонной передачи — Филипп Рейс добился передачи звуков дискретными электрическими сигналами. В пе­ редатчике он поставил колеблющуюся под влиянием звуковых волн мем­ брану, которой касалась игла. Размыкания и замыкания тока в этой па­ ре контактов шли в электромагнитную катушку, якорь которой (тонкий стержень) приобретал колебания соответствующей частоты и издавал звуки. Известность и распространение получил телефон Грехема Белла. В этой системе датчики были совершенно одинаковые. Это были мембра­ ны, колеблющиеся у полюсов электромагнита. Принудительные колеба­ ния мембраны вызывали изменение силы тока в обмотках и передава­ лись на линию, а в другом (приемном) датчике эти колебания тока вы­ зывали собственные колебания мембраны. Код Белла был непрерывным, и это понижало его устойчивость к помехам. Конструкция микрофона была коренным образом изменена в 1878 г. Эдисоном. Микрофон Эди­ сона представлял собой угольную коробку с угольным же порошком внутри.

В современных телефонных аппаратах конструкции микрофона Эди­ сона и телефона Белла используются без существенных изменений.

Распространение телефона, который сначала, как и телеграф, соеди­ нял только две избранные точки, привело к появлению телефонных се­ тей, т. е. множества передатчиков и приемников, соединяемых через пункт переключений — телефонный узел. У абонента появилась возмож­ ность соединиться с любым из других датчиков информации, и это была неопределенность, которую следовало ликвидировать особой командой— «адресом». Десятичная нумерация легла в основу кодирования этих

•адресов, а их выполнение — коммутация — возлагалось, как известно, на массу «телефонных барышень», которые в страшной спешке, под окрики нетерпеливых абонентов коммутировали цепи.

Так впервые была создана техническая сигнальная система, непре­ рывно изменяющая свою структуру (и, следовательно, свойства) под дей­ ствием поступающей в нее информации.

По мере увеличения числа абонентов и расширения сетей возникла необходимость автоматизировать коммутацию телефонных цепей. В ре­ зультате усилий многих изобретателей и инженеров появились автома­ тические телефонные станции. Для них надо было разработать, во-пер­ вых, датчики десятичных кодов, так как «адреса» кодировались в традиционной десятичной системе чисел, и, во-вторых, эффекторы, деся­ тичные переключатели сетей, автоматически выполняющие команды адресов.

Всем известный диск номеронабирателя, установленный на телефон-

218