История автономных систем и их программирование
Это дополнительный модуль курса, который посвящен истории автономных систем и их программированию. Полезно понимать, как возникли современные программируемые системы, какие принципы закладывались в их основание, а также как мыслили разработчики автономных систем в разные эпохи
Лидер Национальной киберфизической платформы «Берлога», президент Ассоциации кружков
Алексей Федосеев
Как менялись инженеры?
Позиция инженера менялась с течением времени. В эпоху Возрождения, ярким представителем которой являлся Леонардо да Винчи, инженер был неотличим от художника, он творил и создавал новое.
Вместе с Новым временем на смену искусству пришла наука: ученые, работая над получением новых знаний, создавали инженерные устройства, которые затем переходили в массовое использование. К примеру, Гюйгенс не только изучал оптику, но и производил линзы для продажи.
В XIX в. на первое место выходит изобретатель. Этот тип инженера воплощал в созданном устройстве новые возможности и новую социальную функцию. Самый яркий пример этой эпохи — Эдисон, запатентовавший огромное число изобретений.
XX в. стал эпохой больших систем и проектов, на первое место выходят генеральные конструкторы, которые смогли собрать огромные системы из тысяч людей и сотен предприятий. Так появились космический и атомный проекты, а символом этой эпохи по праву является С. П. Королёв.
В конце XX в. вместе с цифровой революцией мы увидели эпоху стартаперов — изобретателей новой волны, которые создавали виртуальные вселенные и меняли образ жизни людей, опираясь на новые цифровые технологии.
А кто сейчас, в первой половине XXI в., воплощает инженера, наиболее адекватного времени? Кто в новых условиях может изменить мир в опоре на новые технологии? Мы считаем, что это киберфизик — тот, кто применяет современные цифровые технологии и искусственный интеллект для улучшения физического мира. Предметом работы киберфизика является создание сложных систем с автономным управлением. Но основе этого лежит долгая история и культура автономного управления.
Истоки управления автономными системами
Три ключевых «кита», лежащих в основании автономного управления, можно обнаружить в эпохе Великой промышленной революции и связанных с ней изменениях в инженерном деле.
Повышение производительности за счет сил природы

Человек подчинил себе не только воду, но и огонь, пар. Эти силы стали инструментами в руках инженера.
Инженерная культура

Люди научились надежно передавать свои знания о том, как создавать системы: появились чертежи и схемы, общие языки и универсальные понятия, благодаря которым инженеры получили возможность понимать друг друга и обмениваться опытом.
Новые принципы управления

Машины начали не только заменять человеческий труд, но и управлять другими машинами. Появились автоматические регуляторы и другие сложные механизмы, не требующие непосредственного участия человека.
Паровая машина Ньюкомена. Источник
Чертеж паровой машины. Источник
Чертеж водяной мельницы. Источник

В первом модуле мы вспоминали знаменитый регулятор Уатта, который позволял автоматически регулировать скорость вращения вала, соединяя его с заслонкой печи. Подобные регуляторы в течение XVIII в. распространились в промышленности, увеличивая надежность и предсказуемость систем. Впервые встал вопрос о механических вычислителях.

Центробежный регулятор паровой машины Джеймса Уатта. Источник

Но стимпанк, мир паровых машин, о которых грезили фантасты, не случился. На первый план стало выходить электричество и телеграф, которые перевернули весь мир, дав людям возможность оперативно связываться друг с другом и передавать информацию.

Электрический телеграф, 1844 г., США.

Источник

Охват компании Белла в 1904 г.

Источник

Фактически благодаря телеграфу, был заложен фундамент новой цифровой эры, современной цивилизации. Уже через несколько десятков лет после появления телеграф, а затем и телефон распространились по всей территории США, опираясь на огромное количество телеграфных и телефонных станций. Телеграф и телефон изменили образ жизни людей: они начали использовать доступную связь в быту, совершать сделки, делать заказы. Мир потребительской экономики XXI в. берет начало от этой инновации.
Катушка
Электронные провода
Контакты
Контрольные лампы
Каркас
Электрические батарейки
Реле как базовый логический элемент.
Источник
Основной элемент телеграфа и телефона — реле, способное переключать состояния под действием электромагнитного поля, — стал единицей новой цифровой цивилизации, ее базовым логическим элементом. Реле и системы на их основе стали полноправными автономными операторами. Они быстро вытеснили телефонисток, а затем стали основной сложных систем управления: от промышленной автоматики до первых компьютеров времен Второй мировой войны.

Первые вентили Джона Флеминга.

Источник

Вторая мировая война стала полем битвы и гонки инженеров. Автономные системы управления являлись частью средств противовоздушной обороны, а первые компьютеры были направлены на взлом шифров. В погоне за скоростью на смену реле пришли электронные лампы, которые были не так надежны, но позволяли резко повысить скорость систем управления, ведь переключение состояния не требовало физического движения. Лампы были не очень надежны и часто перегорали, но на этой технологии были построены первые массовые компьютеры в США и СССР.
Довольно скоро на смену лампе пришел кремниевый транзистор — «цифровое реле», основной кирпичик современных цифровых систем управления. Появление Кремниевой долины и огромного количества технологических компаний стало возможным именно благодаря этой технологии.

Кремниевый транзистор. Источник

Появление универсального компьютера с архитектурой фон Неймана открыло новую эпоху в цифровом управлении. Теперь созданная один раз цифровая система могла меняться под новые требования благодаря программам. Это привело к появлению профессии программиста, а также ЭВМ как отдельного массового устройства. На смену большим ЭВМ пришли микроконтроллеры, персональные компьютеры, смартфоны и все привычные нам сейчас цифровые системы.
Массовое распространение цифрового управления породило новый подход к работе со знанием. Появилась кибернетика как наука об управлении, создании и моделировании сложных систем. Один из классиков британской кибернетики, Стаффорд Бир, известный уникальным проектом государственного кибернетического управления «Киберсин» и рядом книг о кибернетическом управлении предприятиями, считал, что самым важным в автономном управлении является моделирование: в процессе управления инженер работает с моделью технической или социальной системы, и неправильный выбор модели может привести к плачевным последствиям.
Стаффорд Бир (1926–2002 гг.)

Иллюстрация из книги Стаффорда Бира „Designing Freedom”

Модель реальности, помещенная внутрь компьютера или вычислительной системы, позволяет нам избежать огромного количества лишней и ненужной информации, которую мог бы собирать и сохранять компьютер. Анализируя обратную связь работы системы, разработчики могут корректировать модель, решая все более сложные задачи управления. Так, кибернетика, управление и моделирование стали основой нового мира программируемых систем.

Карта Usenet (глобального интернета), 1993 г. Источник /

Авторы статей на Wikipedia на разных языках (2011 г.). Источник

Следующей большой вехой в развитии автономного управления стала глобальная связность мира. Благодаря всемирным телефонным сетям, а затем и появлению бурно растущего интернета, буквально за десятки лет вся населенная часть планеты стала частью общей информационной сети. Человечество оказалось в совершенно другом мире — мире, в котором люди непрерывно обмениваются информацией, и эту информацию очень тяжело спрятать или ограничить.
Инженер в эпоху повсеместной связности должен работать с огромным количеством информации, уметь ее фильтровать и использовать в своей работе
Гигантские объемы информации, которые уже невозможно удержать в рамках одной системы, стали основой для появления новых инструментов анализа информации, прежде всего, генеративных нейросетей. Благодаря возросшей производительности вычислительных систем, нейросети смогли обрабатывать весь объем оцифрованной текстовой и даже графической информации, предлагая человеку собственные выводы и ответы на поисковые запросы.
Искусственный интеллект становится основой для автономных систем управления. Это и человекоподобные роботы, которые как в фантастических рассказах начинают все больше походить на людей и выполнять их задачи, и системы умного дома, такие как говорящие колонки, и беспилотники, и промышленные системы. Это те системы, с которыми должен работать современны инженер, встраивать их в свою деятельность.

Робот. Источник

Проблемы настоящих инженеров
Давайте подведем итог этому историческому путешествию и посмотрим, какие задачи и проблемы решает современный инженер. И это уже не просто автоматизация отдельного физического процесса, а так называемые сложные проблемы (Wicked problems) — проблемы, которые сложно даже сформулировать.
Выделим основные характеристики сложных проблем — ситуаций, с которыми вынуждены сталкиваться инженеры:
  • Трудно найти консенсус при решении проблемы
    Мы живем в мире, в котором существует множество разных позиций (профессиональных, политических и др.), между которыми трудно найти консенсус. Например, доставка еды улучшает жизнь для одних людей, но губительна для традиционной торговли.
  • Подразумевает ценностные конфликты участников
    У людей разные ценности, связанные с религией, семьей, образом жизни и видением будущего. Создавая новое решение, важно понимать, что это может привести к ценностному конфликту. Так, ценности общества потребления, реализованные во многих современных сервисах и технологиях, конфликтуют с религиозными ценностями.
  • Высокий уровень неопределенности и неоднозначности
    Рост числа жителей и связности, усложнение технических систем делают мир более сложным и непредсказуемым. Инженер не может быть уверен в том, что все условия работы системы сохранятся в будущем, а это означает большой уровень неопределенности работы системы. К примеру, пандемия COVID-19, эффект которой никто не мог предположить, нарушила все привычные социальные процессы общества.
  • Включает в себя множество зависимых и независимых параметров
    Разработка систем требует сочетания параметров из множества сфер: экономики, экологии, удобства использования, технологической реализуемости и т. п. Часть этих параметров сложно связана между собой; некоторые параметры независимы друг от друга. Для инженера становится важным найти правильное их сочетание и баланс. Например, электромобили в городах стали важным инструментом экономии средств, повышения качества жизни и улучшения экологической среды в городе, но они не могут справиться с проблемой общей перегруженности городской дорожной сети индивидуальными автомобилями.
  • Не имеет быстрого и универсального решения
    Прошли времена, когда наука и инженерия давали безусловные эффективные решения на поставленный вопрос. Сейчас все больше технических решений вызывают заслуженную критику в обществе. И с технической точки зрения не получается и выработать единые стандарты для всех случаев употребления. Вместо универсальных решений современные инженеры тяготеют к конструкторам и настраиваемым решениям, которые можно модифицировать под изменившуюся задачу.
  • Может продолжаться в течение длительного времени, меняться в ходе решения и проявляться вновь
    Время разработки и внедрения системы может быть сопоставимо с происходящими изменениями, поэтому разработчик больше не может опираться на стабильные представления об окружающем мире во время проектирования. Ярче всего это видно на примере сельского хозяйства, которое с переходом к промышленному укладу также стало полем инженерной разработки. Внедрение определенных культур и химикатов может привести к радикальным изменениям в локальной экосистеме, что, в свою очередь, приведет к новым проблемам (например, к заболеваниям монокультур или истощаемости почв), требующим модифицикации существующих или создания новых решений.
  • Потребует дообучения и адаптации системы в ходе работы
    Не только пользователи систем, но и сами интеллектуальные системы должны доучиваться в ходе своей работы, адаптироваться к изменяемому миру, в котором им предстоит работать в течение длительного времени. В ближайшем будущем количество искусственных аппаратов и космического мусора на орбите Земли достигнет такой величины, что аппаратам придется учиться избирать маршруты и орбиты для того, чтобы избегать столкновений.
Очевидно, что это совершенно новый набор требований, совершенно не похожих на те, что мы рассматривали в самом начале этого лонгрида. Современные инженеры вынуждены работать в другой реальности и использовать соответствующие инструменты. Принципы программирования и управления, которые мы изучали в данном курсе, помогут стать инженерами XXI в. и научиться справляться со сложными проблемами с использованием автономных систем

Запишитесь на курс, чтобы выполнять задания и получить сертификат!

Программирование автономных систем на примере игры «Берлога: Защита пасеки»
Курс о том, как с помощью простых инструментов научиться программировать поведение автономных агентов. Вы увидите, как игровые дроны подчиняются коду и как эти же принципы применимы к роботам в реальной жизни.
  • Что вы получите
    • 12 уроков с разбором заданий прямо в игре
    • Авторская подача: сложное программирование простым языком
    • Возможность осмыслить педагогические методики, применяемые в каждой теме
    • Свободное расписание: нет дедлайнов и сроков сдачи заданий
    • Все материалы доступны сразу, можно начать обучение в удобное время
    • Проверочные задания после каждого урока
    • Профессиональное видео и современная графика
    • Быстрая связь с техподдержкой
    • Сертификат о прохождении курса
  • Зачем
    • Научиться и научить программировать через игру
    • Освоить язык ПРИМС — инструмент для создания умных и понятных алгоритмов
    • Разобраться, как работают современные киберфизические системы
    • Научиться строить управление: от простых реакций до сложных сценариев поведения
    • Получить готовую методику проведения занятий: с пояснениями, примерами и игровыми задачами
    • Сделать первый шаг к проектной работе с настоящими роботами и автономными системами
Находясь на сайте, вы даете согласие на обработку файлов cookie. Это необходимо для более стабильной работы сайта
OK