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控制论创始人之一、英国生物学家艾什比(William Ross Ashby ,1903-1972),也译为阿史比、阿什比、罗斯·阿什贝或者W.罗斯·艾希比(1903.9.6.-1972.11.15)等。

英国精神病学家,从事控制论和复杂系统研究的先驱。 灰色系统的概念是由英国科学家艾什比(W·R·Ashby)所提出的“黑箱”(Black Box)概念发展演进而来,是自动控制和运筹学相结合的产物。生物控制论的奠基人艾什比曾提出“设计一个脑”的设想。如今,人工设计的电脑已成为现代人类的思维工具。

早在1950年代艾什比(W. Ross Ashby)他的控制论名著《大脑设计》中,就设想过用行为变量(参数)的组合(相空间中的状态)来代表复杂的生命系统。半个世纪前,W.Ross Ashby在已有的思想和智能的模型的基础上首次提出了利用控制循环来分析人脑控制的复杂系统,这是未来智能的层次性结构的基础。

目录

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W. Ross Ashby资料编辑本段回目录

Born 6 September 1903(1903-09-06)
London, England
Died 15 November 1972 (aged 69)
Fields Psychiatry, Cybernetics, Systems theory
Known for Cybernetics, Law of Requisite Variety, Principle of Self-Organization
Influenced Norbert Wiener, Ludwig von Bertalanffy, Herbert Simon, Stafford Beer and Stuart Kauffman

简介编辑本段回目录

W. Ross Ashby (London, 6 September 1903 – 15 November 1972) was an English psychiatrist and a pioneer in cybernetics, the study of complex systems. His first name was not used: he was known as Ross Ashby.

His two books, Design for a brain and An introduction to cybernetics, were landmark works. They introduced exact, logical, thinking to the nascent discipline, and were highly influential.

William Ross Ashby was born in 1903 in London, where his father worked as assistant manager of an advertising agency.[1] From 1917 to 1921 William studied at the Edinburgh Academy in Scotland, and from 1921 at Sidney Sussex College, Cambridge, where he received his B.A. in 1924 and his M.B. and B.Ch. in 1928. From 1924 to 1928 he worked at the St. Bartholomew's Hospital in London. Later on he also received a Diploma in Psychological Medicine in 1931, and an M.A. 1930 and M.D. from Cambridge in 1935.

Ross Ashby started working in 1930 as a Clinical Psychiatrist in the London County Council. From 1936 until 1947 he was a Research Pathologist in the St Andrew's Hospital in Northampton in England. From 1945 to 1947 he served in India where he was a Major in the Royal Army Medical Corps.

When he returned to England he served as Director of Research of the Barnwood House Hospital in Gloucester from 1947 until 1959. For a year he was Director of the Burden Neurological Institute in Bristol. In 1960 he went to the United States and became Professor, Depts. of Biophysics and Electrical Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, until his retirement in 1970.

Ashby was president of the Society for General Systems Research from 1962 to 1964. He became a fellow of the Royal College of Psychiatry in 1971.

On March 4-6, 2004, a W. Ross Ashby centenary conference was held at the University of Illinois at Urbana-Champaign to mark the 100th anniversary of his birth. Presenters at the conference included Stuart Kauffman, Stephen Wolfram and George Klir.. In February 2009 a special issue of the International Journal of General Systems was specifically devoted to Ashby and his work, containing papers from such as Klaus Krippendorff, Stuart Umpleby and Kevin Warwick.

Work
Despite being widely influential within cybernetics, systems theory and, more recently, complex systems, he is not as well known as many of the notable scientists his work influenced including Herbert Simon, Norbert Wiener, Ludwig von Bertalanffy, Stafford Beer and Stuart Kauffman.

Journal
Ashby kept a journal for over 44 years in which he recorded his ideas about new theories. He started May 1928, when he was medical student at St. Bartholomew's Hospital in London. Over the years he wrote down a series of 25 volumes with intotal 7,400 pages. In 2003 these journals were donated to The British Library, London, and since 2008, they were made available online as The W. Ross Ashby Digital Archive.

Cybernetics
Ross Ashby was one of the original members of the Ratio Club, a small informal dining club of young psychologists, physiologists, mathematicians and engineers who met to discuss issues in cybernetics. The club was founded in 1949 by the neurologist John Bates and continued to meet until 1958.

Earlier, in 1946, Alan Turing wrote a letter to Ashby suggesting he use Turing's Automatic Computing Engine (ACE) for his experiments instead of building a special machine. In 1948 Ashby made the Homeostat.

Variety
In An Introduction to Cybernetics Ashby formulated his Law of Requisite Variety stating that "variety absorbs variety, defines the minimum number of states necessary for a controller to control a system of a given number of states." This law can be applied for example to the number of bits necessary in a digital computer to produce a required description or model.

In response Conant (1970) produced his so called "Good Regulator theorem" stating that "every Good Regulator of a System Must be a Model of that System" .

Stafford Beer applied Variety to found management cybernetics and the Viable System Model. Working independently Gregory Chaitin followed this with algorithmic information theory.

出版著作编辑本段回目录

Books
1952. Design for a Brain, Chapman & Hall.
1956. An Introduction to Cybernetics, Chapman & Hall.
1981. Conant, Roger C. (ed.). Mechanisms of Intelligence: Ross Ashby's Writings on Cybernetics, Intersystems Publishers.
Articles, a selection
1940. "Adaptiveness and equilibrium". In: J. Ment. Sci. 86, 478.
1945. "Effects of control on stability". In: Nature, London, 155, 242-243.
1946. "The behavioural properties of systems in equilibrium". In: Amer. J. Psychol. 59, 682-686.
1947. "Principles of the Self-Organizing Dynamic System". In: Journal of General Psychology (1947). volume 37, pages 125–128.
1948. "The homeostat". In: Electron, 20, 380.
1962. "Principles of the Self-Organizing System". In: Heinz Von Foerster and George W. Zopf, Jr. (eds.), Principles of Self-Organization (Sponsored by Information Systems Branch, U.S. Office of Naval Research). Republished as a PDF in Emergence: Complexity and Organization (E:CO) Special Double Issue Vol. 6, Nos. 1-2 2004, pp. 102-126.
About W. Ross Ashby
Asaro, Peter (2008). "From Mechanisms of Adaptation to Intelligence Amplifiers: The Philosophy of W. Ross Ashby," in Michael Wheeler, Philip Husbands and Owen Holland (eds.) The Mechanical Mind in History, Cambridge, MA: MIT Press.

一本具有方法论意义的科学著作编辑本段回目录

  在堪称知识爆炸的当今世界,只有很少的科学著作在几十年后仍然被人们奉为经典。大部分科学著作都由于科技的迅速前进而陈旧了,但三十年前出版的艾什比的《大脑设计》是一个例外。这本书以及它的姐妹篇《控制论导论》是艾什比的主要科学著作。《大脑设计》于五十年代出版后,一再重版。书中提出的思想在今天已成为控制论的基本概念。人们深深感到,要领悟控制论的真谛,钻研这本书是一条捷径。
  顾名思义,《大脑设计》应该是研究大脑结构和功能的。近三十年来脑科学的进展如此迅速,以至于今天的科学家去翻阅三十年前的文献时,常常会感到它们是那么幼稚、粗糙。那么,《大脑设计》为什么能保持着长久的生命力呢?其实,与其说它是一本研究大脑结构功能的专著,还不如说它是探讨如何研究大脑适应性行为的书。它实际上是一本有重要方法论意义的哲学书。书中并没有谈论真实大脑是怎样构成的,没有描述神经元之间的联系网络,也没有给出大脑的具体数学模型。艾什比在这本书中阐述的是控制论的基本思想,他的大部分工作是为了使人们摆脱在他看来是长久束缚人们的错误思想方法。
  每一个人都有自己的方法论。它来自强大的传统观念和日常生活中的直观经验,也可以来自科学训练和哲学熏陶。当人们问“什么是思维”时,人们的思考问题的模式显得非常突出。一般人们把思维看作大脑固有的属性,正如把硬度看作固体的属性,把流动性看作液体的属性一样。这种思维方式对于整理经验不无用处,但在探讨大脑的奥秘时就将遇到不可逾越的障碍。按照这种思想方式,机械的物质运动层次比大脑低级,那么就无法用机器来摹拟思维。也就是说,机器不可能有“思维”的属性。这给科学家的研究带来极大的困难,在某些时候,这类思想方法所带来的困难比大脑研究本身的复杂性还要大。可以说,只要人们不摆脱这种思想方法,就难以下手来研究大脑—思维问题。
  一旦人们完成了方法论的转变,就豁然开朗了!为什么我们不去考察一下,那种先验地把某一类属性和某种实物层次绝对地对应起来的方法本身是否正确呢?这难道不是从亚里士多德以来的直观本体论的形而上学幽灵吗?在科学研究中,为什么不能把思维看作一种行为构造、把任何属性都看作行为构造来加以研究呢?正是在艾什比的《大脑设计》中,集中体现了控制论学者这种方法论的转变。否则,今天的人工智能、脑科学、生物控制论、社会控制论以及行为科学和心理学等这些学科的长足进步是不可能的。
  一本书能解除人们由直观经验狭窄的眼界带来的局限,使人得到某种程度的解放,能在人们面临多种选择时,撇开由盲目和迷信所引导的错误道路和陷阱,能够将科学发现中成功的思想方法提炼出来,那么这本书就有长期存在的价值。《大脑设计》正是如此。这本书在控制论思想发展史上是划时代的。它集中代表了控制论发展第二阶段的思想精华。
  我们知道,本世纪四十年代控制论刚刚开始创立时,先驱者维纳和香农等就把这门边缘学科建立在两个新概念之上,这就是信息和反馈。反馈概念第一次清晰而可以定量地把握了整体内各个部分之间的作用与反作用,是研究部分怎样结合成整体的新方法。而信息则是不同于物质和能量的另一种自然界普遍存在的形式,它代表事物的确定性与组织程度。维纳在他的名著《控制论》中全面展开了有关这两个概念的讨论,把人们引进了一个新的领域。在维纳的带领和启发下,控制论获得了第一个阶段研究的丰硕成果。但是,到了五十年代初,控制论进一步发展就感到了某种重大困难。
  第一,当把控制论推广到更大的领域,如生物学、心理学、经济学和社会科学时,维纳的方法就明显地不够用了。生物和社会现象过于复杂了,仅仅一般地谈论反馈与信息而不能给出一整套示范性研究方案的话,这些研究必定是难以深入的,只能停留在启发性意见上,甚至会出现用漂亮名词掩盖无知的伪科学。确实,五十年代以前,生物学、心理学和社会科学中取得的成果,远不能和自动控制与计算机相比,很多研究只是用控制论术语生搬硬套。比如当时的某些大脑模型,以及把伺服机理论类比到经济学中就是例子。
  第二,在研究生命活动以及复杂整体行为时,仅仅笼统地讲信息传递和反馈是正还是负的,这是远远不够的。就拿学习和适应机制来说,肯定包括了信息与反馈,但怎样才能更精确地把握它们呢?五十年代以前很难做到这一点。这明显地反映在维纳的《控制论》一书中。后来,维纳在该书第二版中加了一章,专门谈自组织与学习机制。但他的观点是这样晦涩,数学工具又太专门太复杂,得到的结果却不多。可以说,是杀鸡用牛刀,鸡却没有杀死。维纳本人也在这种困难面前止步了。
  艾什比的《大脑设计》就是在这种情况下问世的。它一下子震撼了控制论学界。它那独特的、简明而深刻的方法,一举扫除了维纳碰到的困难。艾什比给出了一整套方法,用于研究大脑以及复杂生物体的适应行为。书出版后,立即成为一个全新的起点。今天,许多著名的控制论学者是艾什比的学生,或者是属于这个学派的。很多不是专门从事生物学和控制论研究的学者,也从这本书中受到方法论的启发。我国著名学者钱学森在他的《工程控制论》一书中,就把艾什比的“超稳定性”作为重要一章来介绍。
  读者看了《大脑设计》后会明显地感到,虽然这本书讨论的是诸如生物的适应性以及学习机制这类复杂问题,但全书贯穿着非同寻常的清晰性和简单性。思路如水晶般明澈。艾什比非常有意识地除去笼罩在高级生物行为上的直观本体论认识的束缚。虽然在维纳那里,已经再三强调了功能的观点,但科学家在研究大脑复杂行为时还是不由自主地首先从解剖学、组织学和神经生理学开始,至少是以神经元为基础来构造模型。这无疑带了巨大的复杂性。艾什比却撇开了这种传统方法,他开辟了一条全新的思路:思维和学习首先是一种行为结构。只要从结构上把握这类高级行为,那么原则上我们就可以用某种实体或效应来组成表现这一行为的机器。这一崭新的思想如锋利的宝剑,一下子把缠绕住很多科学家的“亚历山大绳结”砍断了。古典的难题被明确地分解为两个比较容易解决的部分:首先是从数学上清晰地把握某类行为的机制,接着是考虑用哪些物理、化学或生物的效应来实现这些机制。第一个问题解决后,第二个问题也就相对容易解决了。艾什比的工作主要在于解决第一个问题。
  为了从行为结构上理解高级生物的适应与学习功能,艾什比发展了维纳和香农提出的控制论基本概念。他引入两个作为控制论大厦基础的新概念,这就是稳定性和超稳定性。并非艾什比首创稳定性这一概念,数学家早就研究过微分方程的稳定性问题;维纳也提到稳定性判别对于反馈特别重要。艾什比的贡献在于从一个全新的角度来看待稳定性。他发现生物适应和维持生存这类行为从结构上看就是稳定性。趋向一个目的的运动也是具有稳定性的。把系统纠正干扰造成偏差的机制和生物适应行为联系起来,发现它们结构的一致,这是极为重要的一步。它表明,当控制论普遍运用到生物学与社会科学时,稳定性已不是一个比反馈和信息低一层次的概念,它也是控制论的基石之一。
  为什么说发现稳定性和适应性之间的内在联系是控制论的重大进展呢?我们知道,“适应”本来是一个重要但多少有点含糊的概念。生物体适应环境,社会生产力与生产关系相适应,适应一般是用于表示一个整体中两个存在着作用与反作用的部分相互关系的重要形式。一旦发现了适应与稳定机制的联系,就意味着“适应”这个在生物学和社会科学中有重要意义的概念,可以清晰地把握了。正如反馈概念的提出,大大推进了作用与反作用的研究那样。
  “超稳定性”是艾什比独创的概念。他在坎农著名的思想“内稳态”基础上,进一步升华提出了超稳定系统。艾什比认为,当一个系统旧有的稳定性不可避免地破坏时,如果有一种机制可以使稳定性重新建立,那么,这种系统可以称为“超稳定系统”。他运用清晰的数学语言,给出超稳定机制的结构,并用它来理解生物体的学习功能。生物体适应环境可以看作一种稳定性,而学习正是生物体从不适应(或者从不太适应)变为适应(或更适应)的过程。超稳定性就是理解这种过程的关键。超稳定系统是《大脑设计》中的核心思想之一。深入理解它后,就对大脑的最基本行为——学习能力——可以获得进一步的认识。


  艾什比引进这两个概念,对控制论是很有意义的。由于这两个概念具有一般方法论的特点,它们不仅适用于研究大脑和生物体,而且原则上可以运用到任何复杂系统。艾什比的方法为控制论推广到社会科学中去开辟了道路。我们知道,今天社会科学家碰到的困难,和当年生物学家碰到的困难有类似之处。如果从一切细节出发,比如从具体的经济过程、政治事件、文化、地理、人口资源以及人们的心理性格特征出发,就等于是以无穷多变化着的为起点来研究社会结构,正如从生物体的一个个神经元出发来理解学习功能一样,问题会复杂得无从下手研究。一旦运用艾什比的方法,提出社会整体的宏观模型,从模型总结机制,再从机制寻找相应的重大因素,研究就将容易得多,也更具有科学性。
  当然,艾什比并没有作这种推广,但《大脑设计》作为一本控制论的理论著作,它为这种推广提供了出发点。从这些概念出发,可以用稳定性来研究社会各个子系统之间的相互作用和适应,以及适应方式的变化,即社会演化过程。三十多年来,生物控制论、经济控制论、社会控制论蓬勃地发展起来。特别令人高兴的是,近十几年来,控制论方法已深入到历史、地理、文学艺术等人们原来以为根本不能用自然科学方法研究的领域,并取得了有意义的成果。因此,今天我们用辩证唯物主义和历史唯物主义的观点来吸收控制论的思想和方法,特别是艾什比的研究成果,是一件有意义的工作。
  《大脑设计》这本书有什么不足之处呢?任何一部科学著作都是一个时代人类思想的结晶,它也必然带着那个时代人们思想方式所不可避免的局限性。从这个角度讲,对于真正的科学著作,我们一般只讲特点而无所谓“缺点”。但如果把它看作人类认识真理的远征中一块小小的里程碑,每一种理论的提出不过是开辟了新的思路。它有两重任务:第一,使后继者获得较为正确的知识和方法,迅速地把他们引到探索的前沿;第二,它应该指出那些作者还来不及走但应该走的路,即提出这门学科在未来的新生长点。在《大脑设计》一书中,第一个任务完成得较好,对于第二个任务,它显得有某些不足。
  《大脑设计》是一本理论专著,但它基本上没有涉及数理逻辑、元数学、递归过程,特别是哥德尔理论。而这些方面的理论,对于认识大脑和思维是十分重要的,即使是对于学习机制和适应过程的研究来说,也不是没有关系的。五十年代以后,自动机理论和哥德尔定理构成了控制论基础的重要方面。而这些方面的进展,至今为止看起来和艾什比的著作关系不大。也许,并不该责备艾什比,这本书是为生物学家写的。直到今天,数理逻辑、自动机理论、哥德尔理论与大脑思维以及控制论的哲学基础,它们之间究竟是什么关系,还没有明确的结论,至今仍在探讨之中。
  本书第二个不足之处是忽略了对突变与渐变关系的探讨。艾什比为了研究学习机制,把台阶函数引入了控制论。台阶函数即突变是超稳定系统的重要组成部分。在超稳定系统中,台阶函数的突变是受连续变化着的参数影响的,那么,连续变化与突变是什么关系呢?艾什比仅仅指出这取决于临界点的分布,可惜艾什比并没有去讨论临界点分布的规律。今天发现,事物的稳定性、台阶函数的突变以及参数连续变化这三者之间有着深刻的联系。虽然这三者都是艾什比体系中的重要概念,它们是超稳定系统的有机组成部分,但艾什比却没有把它们之间更本质的关系揭示出来。
  科学发展的规律是,如果一本著作中没有指出它自然萌发的新生长点,那么,就只有靠其他人来重新发现。确实,这方面的研究正好相应着本世纪七十年代初出现的一门新学科分支的出现,这就是突变理论。人们会遗憾地读到,艾什比已经几乎碰到这个新生长点了。在《大脑设计》7.17节中,他差不多谈到了突变理论的基本思想,但他没有重视。直到今天,随着突变理论的广泛应用,表明它和艾什比的体系存在着一致性。控制论研究者应该进行一种新的综合:把突变理论的新成果与艾什比的理论统一起来。这样,控制论就会有一个更为深厚的基础。当然,我们不能因为这一点去谴责艾什比的疏忽。他毕竟不是数学家。三十年前,大部分科学家并不熟悉代数几何和微分拓扑。我们在这里之所以要指出这一点,不过是想表明,今天许许多多新理论成果的涌现,都有可能成为现代控制理论的有机组成部分。控制论作为一座宏伟的边缘学科大厦,虽已初具规模,但还未建成。
  今天,继续建设完善控制论理论大厦,并用控制论方法向社会科学、自然科学更广阔的领域进军,在我国也开始进行了。我们热诚地希望:
   
  “中国的控制论学者、特别是中青年研究者能够站在艾什比工作的肩上!”
   
  一九八四年四月
   
  (《大脑设计——适应行为的起源》,〔美〕艾什比著,乐秀成、金观涛、朱熹豪译,即将由商务印书馆出版)

黑箱方法编辑本段回目录

黑箱亦称“黑盒”或“黑匣”。它是指内部构造还不清楚,由于条件的限制,只能通过外部观测和试验去认识其功能和特性的系统。例如人的大脑、地球、密封的仪器等,都可以看作是黑箱。

我们把外部对黑箱的影响称为黑箱的输入,把黑箱对外部的反应称为黑箱的输出。黑箱方法,就是在不打开黑箱的情况下,只是通过外部观测、试验,找出输入和输出的关系,并由此来研究黑箱的功能和特性,探索其构造和机理的一种科学方法。 黑箱方法可以说古已有之,例如我国的中医看病,通常是通过“望、闻、问、切”等外部观测来诊断病情,并不进行开刀解剖,这就是典型的黑箱方法。但是,作为一种现代的科学方法,是从本世纪五十年代开始的。

1956年,艾什比在他所写的《控制论等论》中对黑箱方法作了比较系统的阐述。首先他明确了什么是黑箱问题。他认为;“黑箱问题是在电机工程中出现的。给电机师一个密封箱,上面有些输入接头、可以随意通上多少电压、电击或任何别的干扰;此外有些输出接头,可以借此作他所能作的观察。”(艾什比:《控制论等论》第86页)艾什比进一步指出,黑箱问题在各门科学中都是普遍存在的。在神经生理学中,人们通过观察对动物的刺激和反应来推断其内部神经结构;在日常生活中黑箱也普遍的存在。例如一个人在开门,当他打不开门时,不必卸下门锁,即是将门把手上下左右的转动(输入),看门闩开不开(输出)。这就是运用了黑箱方法。

一般说,黑箱方法应遵循以下原则: 首先,要求把研究对象看作是一个整体。采取考察输入——输出的方式,对系统作整体上的研究。 其次,当输入输出关系确定后,一般用建立模型的方法来描述黑箱的功能和特性。模型结构有多种形式:有数学的(各种函数、方程式、图象、表格等)、实体的(功能相似于原型的现实系统)、也有概念的。工程技术系统多采用数学模型,生物系统采用实体模型,社会系统则常用概念模型。 再次,黑箱方法要突出联系的原则。把所要研究的系统置于环境之中,从系统与环境之间的相互联系中去研究、认识对象。 黑箱方法的应用很广,例如原子物理学中著名的卢瑟福“散射实验”。现在人们在研究基本粒子时,也试图用黑箱方法探索基本粒子深层的结构。在社会领域中,对一些规模庞大、结构复杂的大系统如国民经济计划管理系统、环境监测等也采用黑箱方法从整体上进行研究和分析。

黑箱方法有其独特的优点,但也有很大的局限性,它强调研究整体功能,而对内部的精确结构和局部细节不能准确回答,在研究客观对象过程中,必须把黑箱方法和其他科学方法结合起来。

系统科学的思维方法:控制方法编辑本段回目录

    控制论的主要创始人 是美国数学家 诺伯特·维纳 (Norbert-Wiener,1894-1964),他于1948年出版的《控制论(或关于在动物和机器中控制和通讯的科学)》一书,宣告了控制论这门学科的正式诞生。从字源上说 ,“控制论”(Cybernetics)是从希腊文“掌舵人”一词演变来的,维纳选用这一名称来命名新学科,是从反馈这个含义上来使用的,而船舶的操舵机就是较早使用反馈机构的一种自动装置。

  控制论的创立,既是自动控制、无线电通讯、神经生理学、生物科学等诸学科新的思想方法的结晶和综合,又是古往今来人们曾运用过的、闪现过的种种控制思想和方法的总结和概括,它堪称是联结机器、生物、人类社会各个领域,沟通当代诸多学科的具有普遍意义的新的科学思想和方法。20世纪50年代后,由于生产发展的推动,其应用的范围不断得到扩大。以电子计算机为核心的人工智能控制系统的出现,为延长人脑功能特性打开了通道。目前,控制论方法,已广泛地渗透到生物、医学、经济、社会等领域中,并出现了生物、医学、经济、社会等各有特色的控制方法,这些方法揭示了许多系统调节控制的新规律,促使控制论方法不断发展和前进。作为构成整个控制论方法的是信息方法,反馈方法,黑箱方法,功能模拟方法,人——机协调方法,等等 。可以说 ,控制论是一门具有方法论特点的学科。无论就其科学研究的战略思想,还是比较具体的科研方法,控制论都给予人们以许多重要 的方法论启示 。以下我们着重介绍黑箱方法。

  1956年 ,控制论创始人之一 、英国生物学家艾什比(William-Ross-Ashby ,1903-1972)在其所写的《控制论导论》中对黑箱方法作了比较系统的阐述。

  首先他明确了什么是黑箱问题以及黑箱问题的普遍性。他认为,“黑箱问题是在电机工程中出现的。给电机师一个密封箱,上面有些输入接头,可以随意通上多少电压、电击或任何别的干扰;此外有些输出接头,可以借此作他所能作的观察。”(转引自《控制论信息论系统科学与哲学》,王雨田主编,中国人民大学出版社1986年出版)他进一步指出黑箱问题在各门科学中都是普遍存在的。在医学中,医生是靠诊察、化验和问答来推断机体的病情;在神经生理学中,人们是通过观察动物的刺激和反应来推断其内部神经结构的。他认为,实际上,黑箱问题在日常生活中是广泛存在着的,“所有的实物实际上都是黑箱,并且我们从小到老一辈子都在跟‘黑箱’打交道”。(转引自《控制论信息论系统科学与哲学》,王雨田主编,中国人民大学出版社1986年出版)

  所谓黑箱也称闭盒、暗盒或黑匣、暗匣。简单地说,黑箱是一个系统,这个系统的内部结构和机理人们一无所知,只能依据对其外部观测和试验的结果,来认识其功能和特性。这种现实系统,从外部看来形如“箱子”,但它里边却是漆黑一团,看不清到底装着什么“货物”,所以人们将其叫做黑箱。相反,如果人们对某系统的结构和机理,已了解得一清二楚,人们就将这样的系统称为白箱了。此外,还可能有介于黑箱和白箱之间的系统,人们对它的内部结构和机理,虽然略知一二,但是又不全知,人们就把这样的系统称为灰箱。人们认识黑箱,不外乎有两种不同的途径:打开黑箱与不打开黑箱。打开黑箱就是通过一定的手段来直接观察和研究某系统的内部结构和机理。在某些场合下,打开黑箱有利于准确地认识黑箱。然而,人们打开了一层黑箱,又面临着新层次下的黑箱。在人类认识的任何阶段,总得研究一些未被打开的黑箱,人们把不打开黑箱来认识黑箱的方法,简称为黑箱方法。换句话说,所谓黑箱方法,是指在不打开黑箱的前提下,利用外部观测、试验,通过输入和输出信息,来研究黑箱的功能和特性,探索其结构和机理的科学方法。

  艾什比认为,控制论的贡献不在于把这样一类我们对其一无所知的系统称之为“黑箱”,而在于它提供了一种认识这种“黑箱”的方法,也就是它研究了如何从黑箱得到信息、这些信息又能说明什么的问题。下面就详细介绍一下艾什比所论述的黑箱方法的具体内容和实施的具体步骤。

  (1)先对箱子的性质和内容不作任何假定 。但我们假定处理它的人有一些 对付它的东西( 比方说 用杆去敲敲它 ,用手电去照照它),还有一些观察它的手段(比方说用照相机把它照下来,用温度计计量它的温度)。这样对箱子进行工作,让箱子对他和他的记录仪器作出反应,人就跟箱子耦合起来,两者形成了一个有反馈的机器。黑箱方法就是研究这个耦合系统的。艾什比认为,黑箱理论无非是研究观察者与其环境之间的关系的理论。这是很值得注意的一点,不仅被观察者是研究对象 ,而且观察者与 被观察者的关系也是研究的对象。

  (2)为使耦合以确定而又可重现的方式形成 ,就必须规定箱子的“输入”,那怕这种规定是任意的或暂时的也行。因为现实的系统有可能有无穷多种输入( 即试验者用以影响箱子的可能方法 ),同样,它也可能有无穷多种的输出。但是如果要进行系统的观察,那就必须决定所用的一组输入与所要观测的输出是什么。这一步骤正反映了人在认识过程中的能动性和目的性。我们不是消极被动地对一个纯自然的系统进行观测。实际上,毫无目的的认识在现实的认识过程中也是不存在的。在实际的研究中,对输入和输出不仅有内容的规定,并且必须把这种规定数量化和形式化。

  这种数量化的规定表面看似乎离自然系统越来越远,实际上正是这种抽象化才正确地反映 了大多数的 自然系统和黑箱方法的真正本质。

  (3)采用一个长篇登记表 ,记下输入和输出的一系列状态。对黑箱作任何研究的原始依据,总是一串含两个分量(输入、输出)的矢量值。

  (4)找标准表达式。有了很长的登记表以后 ,试验者就可以从中找规律,由此写出其标准表达式。这个标准表达式是由直接观察黑箱的实际状态推出来的,不管试验者所希望得出的是什么,也不管他对所希望得出的东西有多大的信心,最后推得的结果,只取决于实际发生的情况。

  (5)推导联系。用推导方法得出黑箱的一些内部联系 。以上这五个步骤仍是抽象化和简单化了的,这种简单和抽象是为了让人们把握黑箱方法的主要之点。在现实的黑箱方法的运用中,情况比这复杂得多。

  关于灰箱理论,生物学家巴沙(Erol Basar) 曾经这样解释过:“系统科学者,特别是生物系统研究者,一般是与灰箱(得到了一定程度阐明的黑箱)而不是完全与黑箱打交道。”(转引自《控制论信息论系统科学与哲学》 ,王雨田主编 ,中国人民大学出版社1986年出版)他进一步解释:有一个装置或系统实现一定作用,并且由此我们有了关于使一定作用可能得以实现的结构或过程的认识,我们把这样的装置或系统称之为灰箱。就是说,在灰箱中,我们具有关于实现输入-输出关系的结构和功能的部分知识。

  与灰箱方法的应用相联系,人们又提出了“白箱”理论,关于白箱理论,艾什比在《控制论导论》中曾称之为“ 全知的黑箱 ”。但是,维纳1962年再版《控制论》时在序言中讲得比较明确,维纳的意思是说,白箱方法是这样的一种方法,当我们通过诸如黑箱方法、灰箱方法等认识了系统的内部结构时,我们就可以把这种结构关系按一定的关系式表达出来,这就是“白箱网络”。制定“白箱网络”不是白箱方法的全部目的,更重要的是通过这种“白箱网络”对系统进行再认识,或者利用这种“白箱网络”去控制系统以后的过程或预测系统的行为。

  从以上对黑箱-灰箱-白箱方法 的介绍和讨论中 ,我们可以看到,无论从黑箱、灰箱、白箱理论的形成过程看,还是从它们的基本内容看,它们都是人类认识过程彼此联系又互有区别的认识阶段。这些理论虽然不是从哲学角度提出问题、研究问题的,也不是专门讨论认识论的 ,但它们也不像 具体科学那样只讨论对一类对象的认识方法,而从理论与技术的角度提出了许多带有深刻认识论意义的理论问题。

  首先,它们明确了黑箱对认识主体来讲是不知,但不是不可知,并提供了一种认识它的新途径。这种灵活的、动态的认识过程保证了人们对认识客体的逐步逼近。其次,黑箱、灰箱、白箱展现的正是一个认识逐步深化的过程 。无论是 人类的认识过程还是个体的认识过程,都是一个由不知到知、由浅到深的逐步深化运动。第三,黑箱、灰箱、白箱方法给予人们理解真理的相对性和绝对性及认识的有限性和无限性的辩证关系以深刻的启迪。黑箱永远黑,白箱永不白。这是艾什比明确阐述过的思想。这正是说的真理相对性和认识的无限性,由相对真理到绝对真理并不总是一个不断积累的过程,而往往表现为一种中断性的跳跃。第四,在黑箱-灰箱-白箱的方法中,认识对象和认识主体的交互作用 、尤其是 认识主体对于认识对象的主观能动性,是表现得很明显的。

信息论编辑本段回目录

人类认识和利用信息的历史可以追溯到古代。人类在生产过程中建立了人与人之间的关系,而要沟通这种关系就必须要有信息,要进行通信。通信是人与人之间交流信息的手段。中国古代的“举烽火为号”也是用火作信号,是进行光通信的一种原始方式。“结绳记事”的绳结也是一种信号,用以存贮信息、传递信息。人类在社会实践中深刻地认识到获得信息、利用信息的重要性。但是,信息论作为一门科学,却是在近代以后随着资本主义的发展和近代自然科学的发展而逐渐形成起来的。1948年,美国数学家申农发表了《通信的数学理论》一文,次年又发表了《在噪声中的通信》。他把用于物理学中的数学统计方法移植到通信领域,从而提出了信息的概念,从量的方面来描述信息的传输和提取的问题,并提出了信息量的数学公式。此后,信息论就逐步发展成为一门独立的边缘学科。信息论的出现给科学技术,尤其是通信技术带来了很大的好处。20世纪50年代初,科学家们把信息论推广到物理学领域获得了巨大成功。20世纪50年代末和60年代初,美国控制论学者、神经生理学家艾什比发表了《控制论导论》和《系统与信息》两篇论文,从系统的角度研究信息,为信息论推广应用于生物学、神经生理学等领域打下了基础。信息论经过20多年的发展,已经广泛应用于物理学、化学、生物学、心理学、经济管理等各个学科领域。为了适应科学技术发展的需要,迎接信息化社会的到来,一门新的科学正在迅速兴起,这就是广义信息论,或称信息科学。这是由信息论、控制论、计算机、人工智能和系统论等相互渗透、相互结合而形成的一门新兴的综合性学科。

什么叫控制论编辑本段回目录

控制论(Cvbe日ics)一词是从希腊文KvB1Tfn演变而来的。在古希腊有些文献中用这个词表示掌舵人,在柏拉图的《高尔吉亚》篇中,又用来指驾船术或操舵术。有时,柏拉图也用这个词来表示管理人的艺术。柏手图的学生亚罩士多德在其《政治学》第五册中进一步发展了柏拉图的思想,他认为管理一个政治团体或一个国家就如同驾驶一艘航船一样,必须实行控制。近代著名的法国物理学家安培,也认为"控制论"就是管理国家的科学。维纳在创立控制论之初就提出控制论不仅应该是一种机器理论,而且应该能够运用于社会领域。而控制论一词,恰好贴切地反映了维纳的这一思想,于是,维纳在为他所创立的这门学科命名时,就选择了控制论一词。

从1948年控制论诞生到现在,已经四十年过去了,但始终没有一个公认的控制沦的定义。在国际上,目前已经提出了控制论的定义就达几十种之多,而其中最经典的、带有权威性的定义是维纳关于控制论的定义。

我们知道,维纳《控制论》一书的副标题就是"或关于在动物和机器中控制和通讯的科学"。这里,维纳已经明确的表示了控制论的研究对象,就是生物领域和技术领域中都存在的控制和通讯过程。从维纳所给出的这个定义中,我们可以看到他主要是从两个方面来理解控制论的。第一,从通讯的角度来理论控制论。维纳认为通讯和控制系统的共同特点在于都包含着一个信息处理和变换的能动过程,反过来,一切通讯系统也都是控制系统。第二,从人一一机关系方面来看控制论。维纳认为,控制论的主要任务是要研究生物系统和技术系统问的控制功能。

1951年,维纳在《人当做人来使用》一书中又进一步指出控制论是对机械、生物体和社会消息中某种同构性的分析研究。维纳这个定义的出发点就在于他承认了电子计算机、生物体、人类社会和思维之间存在有相似性,即他们之间遵循着某种共同的规律,这种规律性集中地表现在控制与通讯过程之中。控制论就是研究关于自然、社会和人类思维的控制和通讯的共同规律的科学。

维纳关于控制论的定义,是一个最基本的、经典的定义,后来的许多控制沦定义,都与这一定义相似。如著名科学家李雅普诺夫在其《关于控制论的一些普遍问题》一文中就指出:"通常,我们是把研究机器和生命有机体中控制过程和操纵过程的科学领域称为控制论"。①前苏联和东欧在60年代所持自的流行观点认为控制论"是关于技术设备、生命机体以及人类组织中控制过程和控制系统的一般特征的科学"。是"关于自动机器与生物体中控制与通讯方面一些共同问题的各种理论,假说和观点的总和"。②这些定义和维纳的定义是基本一致的。

关于控制论的另一经典定义是控制论的另一创始人艾什比提出的。艾什比认为控制论就是一种机器的理论。这里必须注意,艾什比认为控制论虽然是作为一种"机器的理论"而存在着,但它实际研究的是一切"可能的机器",至于其中有的机器是否被人或自然界创造出来,对它倒是次要的",④换言之,控制论研究的"不是物体而是动作方式,它并不深究这是什么东西,而要研究它做什么......控制论本质上是研究机能和动态的。"④正因为如此,控制论才能够超脱于具体机器、生物体以及社会的具体构造性,能够突破工程与非工程的界线,甚至跨越自然科学和社会科学两大领域,为人们对这些系统的研究提供了一种横断的方法。

与艾什比的定义相类似的还有一些。如苏联学者茹科夫就认为控制论不是普通的专门科学,它是研究物质运动某种形式范围内科学发展的一种新的方法,甚至"应该首先把功能方法本身当作控制论对象"。即控制论是研究组织界的各种功能系统的科学。前民主德国的哲学家克劳斯在其《从哲学看控制论》一书中也认为"控制论不仅研究现存的和已知的机器的行为方式,而且要成为关于可能的机器的行为方式的理论"。

从维纳和艾什比的定义中可以看出,它们在总的方面是并不矛盾的,但其侧重点不一样。维纳等人的定义基本上是具体的控制系统的控制形式上来考虑问题,他们认为控制论的研究重点在于控制系统的控制和调节的一般规律。艾什比等人则把控制论理解为研究某种过程的方法,从方法论的角度,它们首先把功能方法本身当作了控制论的研究对象。他们认为,控制论,"应该不仅是,显然主要不是,沿着把它作为独立学科进行教学的路线进行,而应当是在生物科学、社会科学和技术科学中揭示和考虑控制论的方法"。②

当我们把上述看法综合起来看待,就基本上可以获得一个关于什控制论的大概认识。当然,要想真正了解什么是控制论,还需要在系统学习的基础上逐步加深理解。

控制论的概念和定义编辑本段回目录

对于维纳的《控制论Cybernetics》,人们感到困惑的首先是它的题目。

Cybernetics虽然是一个早已存在的词汇,来自希腊语,原意为掌舵术。然而,在《控制论》中,维纳要赋予它新的和创造性的内涵。这种内涵只有通过阅读《控制论》后才能被我们真正地理解。

关于《控制论》,存在各种不同的定义,反应了不同的人对于《控制论》不同的理解。

从某种意义上说,控制论研究的是关于模拟人脑的自动机器的科学。由此引出了如下关于控制论含义的具有代表性的问题。

“《控制论》与人工智能是同一件事情吗?”

“人工智能是关于计算机的科学,而控制论是关于机器人的科学,是这样的吗?”

关于以上问题的,答案是否定的。

《控制论》与人工智能不在同一个层次。《控制论》是思想,是哲学,是世界观,是认识论和方法论;而人工智能和机器人学是技术方法和科学方法。

现代科学中许多的学科和领域,不仅仅是人工智能和机器人学,都与《控制论》的思想有关。《控制论》是学科融合的艺术。《控制论》已成为现代科学许多学科和领域的哲学基础和思想基础。

对《控制论》不同的认识和理解,导致关于《控制论》不同的概念和定义。

首先,我们最感性趣的当然是《控制论》之父诺伯特·维纳(Norbert Wiener)本人对《控制论》论述或定义:

控制论是关于动物和机器中信息与控制的科学。

— Norbert Wiener

《控制论》追随者们的描述或定义:

控制论是一种思维模式。

— Ernst von Glasersfeld

控制论是关于思维模式的一种思维模式。

— Larry Richards

控制论是关于理解的艺术和科学。

— Humberto Maturana

控制论是关于操舵技能的艺术。

— Ross Ashby

控制论是处理控制、递归性和信息问题的数学。

— Gregory Bateson

控制论是关于系统本质研究的科学,这种系统能接收、存储、处理信息,并将其应用于控制。

— A.N. Kolmogorov

控制论是关于系统本质研究的科学,这种系统的复杂性是突出的和重要的,因而是不可忽略的。

— Ross Ashby

也许因为过程同为社会主义国家,中国科学界关于《控制论》的认识和理解与前苏联科学界的思想和观点较为一致,即:

研究信息和控制一般规律的科学。

相关链接编辑本段回目录

  • The W. Ross Ashby Digital Archive includes an extensive biography, bibliography, letters, photographs, movies, and fully-indexed images of all 7,400 pages of Ashby's 25 volume journal.
  • Homepage of William Ross Ashby with a short text from the Encyclopedia Britannica Yearbook 1973, and some links.
  • W. Ross Ashby web page by Cosma Shalizi, 1999.
  • W. Ross Ashby (1956): An Introduction to Cybernetics, (Chapman & Hall, London): available electronically , Principia Cybernetica Web, 1999
  • The Law of Requisite Variety in the Principia Cybernetica Web, 2001.
  • 159 Aphorisms from Ashby and further links at the Cybernetics Society
  • W. Ross Ashby, Cybernetics and Requisite Variety (1956) from An Introduction to Cybernetics
  • W. Ross Ashby, Feedback, Adaptation and Stability (1960) from Design for a Brain
  • What is Cybernetics? Livas short introductory videos on YouTube
  • 参考文献编辑本段回目录

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